電子元器件強(qiáng)輻射故障分析

電子元器件強(qiáng)輻射故障分析

1輻射環(huán)境1.1高能粒子的表征核輻射環(huán)境包括核爆炸環(huán)境和核核環(huán)境。核武器爆炸時(shí)所產(chǎn)生的大量高能粒子和強(qiáng)烈的電磁脈沖等通過和傳播的空間稱為核爆炸環(huán)境;原子能核電站、核潛艇以及裝有核能源的人造衛(wèi)星等也會在其周圍產(chǎn)生一定程度的核輻射,稱為核動力環(huán)境。核輻射環(huán)境中的高能粒子主要有快中子流、高能電子流、γ射線、X射線、α射線和β射線等,其中α射線和β射線易被大氣吸收,射程很短,對電子設(shè)備及其元器件威脅最大的是快中子(指能量大于0.5MeV的中子)流和γ射線(能量在1MeV左右)。物體經(jīng)受的中子輻射強(qiáng)度通常用中子通量(也稱中子注量)來表征,他定義為通過單位面積物質(zhì)的中子數(shù),單位為“中子數(shù)/cm2”。物質(zhì)在輻射環(huán)境中吸收的能量則用輻射劑量來表征,穩(wěn)態(tài)輻射一般用總劑量來表征,他以rad(Si)或Gy(Si)=1rad(材料)為單位。瞬態(tài)輻射則用劑量率來表征,他定義為單位時(shí)間內(nèi)指定材料所吸收的能量,單位為rad(材料)/s或Gy(材料)/s。1.2瞬態(tài)輻射劑量率高在宇宙處層空間存在著各種高能輻射,通常稱為宇宙射線。宇宙射線來自銀河系和太陽系的某些星球,例如,太陽耀斑出現(xiàn)時(shí),從太陽表面就會噴射出大量的快速粒子,其中的高能質(zhì)子的能量可達(dá)1~100MeV。人造衛(wèi)星和宇宙飛船等航天器在宇宙空間飛行時(shí),不可避免地要受到各種宇宙射線的照射和高能粒子的轟擊。核爆炸時(shí)的瞬態(tài)輻射劑量率比空間輻射的劑量率大近十個(gè)數(shù)量級,但二者的累積總劑量比較接近。所以,武器系統(tǒng)側(cè)重于抗核瞬態(tài)輻射加固,空間系統(tǒng)側(cè)重于長期耐累積輻射劑量,軍用衛(wèi)星系統(tǒng)因要考慮在高空核爆炸環(huán)境中生存,應(yīng)當(dāng)進(jìn)行抗瞬態(tài)核輻射和抗累積空間輻射的雙重加固。此外,在微電子器件的制造過程中,某些工藝過程(如電子束光刻、電子束蒸發(fā)、等離子刻蝕、測射和離子注入等)也會引入各種輻射,封裝材料中微量放射性元素發(fā)生的α粒子也是對器件有影響的一類輻射源。2半導(dǎo)體器件加工的工作機(jī)理核輻射環(huán)境中的快中子流、γ射線和電磁脈沖以及空間輻射環(huán)境中的高能電子和質(zhì)子等,都能造成微電子材料性質(zhì)的變化和器件性能的蛻變以至失效,但他們對材料的作用機(jī)理卻不相同,造成的破壞程度也不一樣。中子和質(zhì)子通過形成原子位移效應(yīng),在半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生永久性損傷;γ射線和高能電子在半導(dǎo)體器件表面鈍化層中通過電離效應(yīng)產(chǎn)生缺陷,這種缺陷在輻射源去除之后,經(jīng)過一段時(shí)間或采取一定的工藝措施(如高溫退火、電子注入等),有可能消失一部分,可稱為半永久性損傷;瞬時(shí)γ輻射在反偏半導(dǎo)體PN結(jié)中形成的光電流,一旦輻射結(jié)束,即可自行消失,屬于瞬時(shí)失效;α粒子在存貯器中產(chǎn)生的軟誤差,也是一種瞬時(shí)失效現(xiàn)象。2.1中日位移效應(yīng)輻射粒子穿進(jìn)固體物質(zhì),與其晶格原子發(fā)生彈性碰撞,使原子離開原來的位置,進(jìn)入晶格某一間隙位置,變成間隙原子,該原子的原來位置,變成一個(gè)空位,從而形成空位一間隙原子對。這是一種典型的晶點(diǎn)缺陷,稱為費(fèi)蘭克爾(Frenkel)缺陷。這種過程稱為位移輻射效應(yīng)。中子因不帶電,不受原子核電場的作用,對晶格穿透能力很強(qiáng)(在硅中的射程可達(dá)30cm以上),所以他所造成的位移輻射損傷比電子、γ射線和X射線大得多。由于中子的有效能量大,碰撞后因散射而改變方向的入射中子以及反沖原子,可以繼續(xù)與鄰近原子碰撞,引起一連串的原子位移,直到所有有關(guān)原子的能量減少到低于位移閾值時(shí)為止。因此,這種位移通?？缮婕暗綆装賯€(gè)原子,形成復(fù)雜的缺陷群。入射粒子的能量越大,材料的原子位移閾值越小,則形成的缺陷和缺陷群的密度也就越大。例如,硅晶格原子的位移閾值約為15eV,通常入射一個(gè)能量為10keV的中子,可在硅中產(chǎn)生60多個(gè)點(diǎn)缺陷。所以,中子位移效應(yīng)在材料中形成的是一個(gè)局部損傷區(qū),而電子和γ射線等的位移效應(yīng)形成的主要是點(diǎn)缺陷。位移效應(yīng)破壞了晶材料的晶格結(jié)構(gòu)及其周期勢場,在禁帶引入了新的電子能級。正是由于這種輻射誘生能級的存在,導(dǎo)致了半導(dǎo)體材料性質(zhì)的變化,主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:(1)少數(shù)載流子壽命減少。輻射誘生能級起著少數(shù)載流子(簡稱少子)復(fù)合中心的作用,使少子壽命減少。少子壽命是對位移輻射損傷最為敏感的參數(shù),因此,中子輻射對少數(shù)載流子導(dǎo)電的雙極型器件的影響要比對多數(shù)載流子導(dǎo)電的MOS器件的影響大得多。(2)材料電導(dǎo)率降低。輻射誘生能起著雜質(zhì)補(bǔ)償中心的作用,使材料中的多數(shù)載流子密度下降,材料電導(dǎo)率減少。由于輻射誘生能級的存在,原來在施主能級上的部分電子或受主能級上的部分空穴不是熱激發(fā)到導(dǎo)帶或價(jià)帶,而是躍遷到輻射誘生能級上,從而導(dǎo)致帶電子密度和價(jià)帶空穴密度的下降,即多數(shù)載流子減少。這通常稱之為多數(shù)載流子去除效應(yīng)。這種效應(yīng)的強(qiáng)度與材料的原始電阻率或摻雜濃度有關(guān),材料的電阻率越高,摻雜濃度越低,則多數(shù)載流子去除效應(yīng)越顯著。(3)載流子遷移率下降。輻射缺陷還起著載流子散射中心的作用,使載流子遷移率下降。2.2光電流的產(chǎn)生機(jī)理輻射粒子穿進(jìn)物質(zhì),與物質(zhì)中的電子相互作用,把自身的能量傳給電子,如果電子由此獲得的能量大于他的結(jié)合能(有效的激發(fā)要求入射輻照粒子的能量高于材料禁帶寬度的3倍),電子就脫離原子核對他的束縛成為自由電子,而原子則變成了帶電離子(也可視為原子獲得了一個(gè)空穴,從而形成電子-空穴對)。這一過程稱為電離輻射效應(yīng)?？熘凶恿?、高能電子、γ射線和X射線等均可引起電離效應(yīng),γ射線和X射線等光子流更容易引起材料電離,γ射線的電離效應(yīng)最為顯著。電離效應(yīng)對半導(dǎo)體材料及其器件的影響主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:(1)引入表面缺陷。電離輻射至少會產(chǎn)生3種表面缺陷:①氧化層正電荷。電離輻射使器件表面氧化層中的SiO2價(jià)鍵斷裂,產(chǎn)生電子-空穴對。由于電子在SiO2的遷移率遠(yuǎn)大于空穴,所以在氧化層電場作用下,輻射誘生的電子總是做定向運(yùn)動,最終被掃出氧化層,留下來的空穴被SiO2中的空穴陷阱俘獲,形成正的空間電荷,使氧化層正電荷密度增加。電離輻射誘生氧化層電荷的數(shù)量還與所加?xùn)艍河嘘P(guān)。SiO2膜中的空穴陷阱分布主要集中在Si-SiO2界面運(yùn)動,更容易被陷阱所俘獲,因而產(chǎn)生的正電荷密度要比在負(fù)柵壓作用下大得多。②Si-SiO2界面陷阱。電離輻射使Si-SiO2界面處的飽和懸掛鍵破裂,引入新的界面能級,使界面陷阱密度增加。③氧化層表面可動離子。在電離輻照下,器件管殼內(nèi)部的氣體也會發(fā)生電離,引起管芯表面可動離子的積累。(2)在反偏PN結(jié)中形成瞬時(shí)光電流。輻射電離效應(yīng)在PN結(jié)空間電荷區(qū)內(nèi)及其附近的少子擴(kuò)散區(qū)中產(chǎn)生大量的電子-空穴對,這些電子和空穴受反偏電場的作用作定向漂移運(yùn)動,電子向N區(qū)運(yùn)行,空穴向P區(qū)運(yùn)動,從而形成光電流。光電流的大小與輻射劑量率和受輻射的反偏PN結(jié)的體積成正比,而且隨外加反偏電壓的升高而增加。3由于微電池輻射的觸發(fā)效果3.1反型溝道的需求中子輻射引起的PN結(jié)電流-電壓特性的變化,這種變化主要是由中子輻射的位移效應(yīng)造成的。首先,他使多數(shù)載流子濃度降低和遷移率減少,從而PN結(jié)正向動態(tài)電阻增加;其次,他引起電阻率增大,使PN結(jié)反向輻射導(dǎo)致的表面損傷又會使PN結(jié)表面漏電流的增大。由于電壓調(diào)整二極管的摻雜濃度較高而且少子壽命較短,因此其抗中子輻射能力優(yōu)于整流二極管。隧道二極管的工作依賴于從導(dǎo)帶到價(jià)還的電子隧穿效應(yīng),與少子無關(guān),因此其抗輻射能力比普通的二極管至少要高一個(gè)數(shù)量級以上。中子輻射和γ射線輻照都會引起雙極晶體管電流放大系數(shù)hFE的下降和漏電流的增加,但中子輻射的影響程度更大,而且兩者的作用機(jī)理不同。中子輻射引起的位移損傷主要增強(qiáng)體復(fù)合的作用,他使少子壽命下降,基區(qū)復(fù)合電流增大,hFE減少。γ射線輻照使氧化層正電荷Si-SiO2界面陷阱和氧化層表面可動離子等表面復(fù)合的加強(qiáng),從而造成hFE下降,嚴(yán)重時(shí)還會形成表面反型溝道,使漏電流激增。對于具有低濃度收集區(qū)的器件和電路,中子輻射引起的收集區(qū)電阻率的增加,會對其性能產(chǎn)生顯著影響。對于功率晶體管,襯底電阻率的增加和電流增益降低會導(dǎo)致飽和深度減少,使其飽和壓降明顯增大;對于開關(guān)晶體管,少子壽命的降低以及電阻率的增加,會使其上升時(shí)間增加,存儲時(shí)間和下降時(shí)間減少。此外,中子輻射還會造成微波截止頻率下降,雙極型邏輯集成電路的低電平閾值升高。中子輻射對雙極型器件性能的影響程度與器件的工作電流、工作頻率、基區(qū)寬度以及低摻雜區(qū)摻雜濃度大小等都有密切的關(guān)系。在小注入條件下,少子復(fù)合作用對hFE起主要支配作用,所以輻射對雙極晶體管工作在小電流下的電流增益影響較大。在相同的輻射條件下,功率晶體管因有源區(qū)體積大而且摻雜濃度低,所以其抗輻射能力遠(yuǎn)遜于小信號晶體;高頻晶體管因基區(qū)寬度窄,輻射誘生復(fù)合變化的使用體積小,故比低頻晶體管更耐中子輻射;開關(guān)晶體管因其少子壽命短,故其損傷程度比放大晶體管小。在雙極型模擬集成電路中,橫向PNP管的基區(qū)較寬,基區(qū)摻雜濃度較低,因而抗中子輻射的能力比縱向NPN管和襯底PNP管要差得多。電離輻射給雙極型器件帶來的一個(gè)重要影響是產(chǎn)生瞬時(shí)光電流。由于電離輻射誘生光電流只能產(chǎn)生于反偏PN結(jié),而且其大小正比于PN結(jié)空間電荷區(qū)的體積,所以,雙極晶體管的瞬時(shí)光電流在截止?fàn)顟B(tài)下出現(xiàn),而且主要產(chǎn)生于反偏收集結(jié)。輻射初始時(shí)在收集結(jié)產(chǎn)生的光電流,稱為一次光電流。由于這種一次光電流要從基極流出,他所形成的基極電流將可能使晶體管導(dǎo)通,進(jìn)入放大區(qū),這時(shí)流過收集極的電流稱為二次光電流。一次光電流強(qiáng)度Ipf和二次光電流強(qiáng)度Ips滿足下列關(guān)系:Ips=hFEIB+(1+hFE)IpfΙps=hFEΙB+(1+hFE)Ιpf式中,IB為基檢電流。如果二次光電流足夠大,有可能使晶體管進(jìn)入飽和區(qū)。一旦進(jìn)入飽和區(qū),即使輻射脈沖消失,還能夠保持飽和一段時(shí)間,稱為輻射存貯時(shí)間。對于硅雙極晶體管,輻射存貯Ipf可以表示為:ts=3.0tsln{(1+hFE)Ipf[1?exp(?tp/0.3ts)]ICS?hFEIB}ts=3.0tsln{(1+hFE)Ιpf[1-exp(-tp/0.3ts)]ΙCS-hFEΙB}式中,ts為存貯時(shí)間,tp為輻射脈沖寬度,ICS為飽和集電極電流。由于具有對初始光電流的放大作用,雙極晶體管產(chǎn)生的光電流要比二極管的光電流大得多,其大小與輻射劑量率和晶體管的功率及截止頻率有關(guān),如在108rad(Si)/s的輻射劑量率下,耗散功率400mW、截止頻率250MHz的小信號晶體管產(chǎn)生2~4mA的光電流,而耗散功率30W、截止頻率70MHz的功率晶體管產(chǎn)生的光電流可高達(dá)上百mA。瞬時(shí)光電流可使晶體管的工作狀態(tài)翻轉(zhuǎn),造成瞬態(tài)功能紊亂,嚴(yán)重時(shí)有可能使電流過載導(dǎo)致晶體管燒毀,造成永久損傷。3.2輻射誘生界面陷阱效應(yīng)的影響MOS器件屬于多數(shù)載流子導(dǎo)電的表面效應(yīng)器件,故以體效應(yīng)為主的中子輻射對其影響不大,但他對γ射線之類的電離輻射卻比雙極型器件敏感得多。電離輻射會使MOS器件的閾值電壓VT和平帶電壓VFB發(fā)生漂移。大多數(shù)情況下,VT漂移是朝著負(fù)電壓方向進(jìn)行的,而且漂移量的大小與所加?xùn)艍旱臉O性和量值有關(guān),正柵壓下的漂移比負(fù)柵壓下要大,柵壓為零或略負(fù)時(shí),漂移量近乎為零。這種漂移是由輻射誘生氧化層電荷效應(yīng)引起的,由于電離輻射誘生的氧化層電荷總是正電荷,所以只呈現(xiàn)VT的負(fù)向漂移。在高電離輻射劑量下,有時(shí)可觀察到N溝道MOS器件中的VT正向漂移,這種漂移可能是由輻射誘生界面陷阱效應(yīng)引起的,因?yàn)镾i-SiO2界面陷阱更多地起著電子陷阱的作用,會導(dǎo)致氧化層中凈正電荷的減少。電離輻射誘生界面陷阱效應(yīng)還將導(dǎo)致MOS器件溝道遷移率、跨導(dǎo)、來閾區(qū)電流和1/f噪聲的變化以及MOS電容C-V曲線的畸變等。此外,電離輻射會引起CMOS電路上升時(shí)間和下降時(shí)間增加,影響電路的工作速度。電離輻射還會使邏輯電路的低電平噪聲容限減少,高電平噪聲容限增大,從而降低了電路的抗干擾能力。中子輻射對MOS器件的影響遠(yuǎn)不如電離輻射的影響顯著,主要是使界面陷阱密度和襯底摻雜濃度增加,溝道載流子遷移率減少,從而導(dǎo)致閾值電壓漂移、跨導(dǎo)退化和漏極電流下降。4微器件的輻射加固提高電子系統(tǒng)抗輻射能力的重點(diǎn)是提高電子元器件的抗輻射能力,而微電子器件最容易受到輻射損傷,所以微電子器件的輻射加固是電子系統(tǒng)輻射加固的核心任務(wù)。4.1復(fù)合對雙極晶體hfe的影響以及對策中子輻射引起的少子壽命的降低以及材料電阻率的增大和瞬態(tài)電離加射引起的光電流效應(yīng),是雙極型器件的兩個(gè)主要輻射失效機(jī)理。因此,雙極型器件輻射加固的目標(biāo)就是設(shè)法減少或消除這兩種效應(yīng)的影響?？刹扇∫韵聨追矫娴拇胧?4.1.1采用薄基區(qū)、淺結(jié)、重?fù)诫s和小面積擴(kuò)散對于基于少子導(dǎo)電機(jī)構(gòu)的雙極型器件,少子壽命越長或者少子復(fù)合率越低,則中子輻射對這種器件的影響就越弱。因此,在雙極型輻射加固器件的結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)中,應(yīng)采取各種方法降低少子復(fù)合率,提高少子壽命?；鶇^(qū)復(fù)合對雙極晶體管的電流放大系數(shù)hFE影響很大,所以,在實(shí)現(xiàn)器件性能的前提下,應(yīng)適當(dāng)減少基區(qū)寬度,提高基區(qū)摻雜濃度,采用基區(qū)摻金工藝,發(fā)射區(qū)采用淺結(jié)擴(kuò)散或陡的擴(kuò)散曲線,減少發(fā)射區(qū)周長和擴(kuò)散窗口面積。這些方法都可以減小基區(qū)和發(fā)射區(qū)的體積,縮短少子在基區(qū)和發(fā)射區(qū)的渡越時(shí)間,從而削弱復(fù)合對hFE的影響,有效地提高雙極晶體管抗中子輻射的能力。不過,減薄基區(qū)和淺結(jié)擴(kuò)散往往會對器件的其他性能產(chǎn)生不良影響,應(yīng)該采取相應(yīng)的對策。例如,收集結(jié)結(jié)深的減少以及薄基區(qū)引起的基區(qū)穿通效應(yīng),會使集-射極擊穿電壓BVCEO下降,故可采用外基區(qū)重?fù)脚?高硼環(huán)結(jié)構(gòu))的方法。又如,基區(qū)寬度減少會使基區(qū)電阻提高,將導(dǎo)致提前出現(xiàn)發(fā)射極電流集邊效應(yīng),使hFE下降,頻率特性變壞。為了削弱此效應(yīng),必須盡量壓縮發(fā)射極條寬,提高發(fā)射極周長與收集極面積的比值。4.1.2采用高摻雜材料在保證擊穿電壓滿足要求的前提下,盡可能降低收集區(qū)電阻率。采用外延集電極結(jié)構(gòu)等方法,降低飽和壓降,在版圖設(shè)計(jì)上,應(yīng)盡量采用小的發(fā)射區(qū)面積和收集區(qū)面積。4.1.3采用抗輻射表面鈍化膜在芯片表面,采用抗輻射能力強(qiáng)的表面鈍化層,如Al2O3,Si3N4和磷硅玻璃膜以及他們與SiO2的多層復(fù)合膜,對減少輻射效應(yīng)有明顯作用。Al2O3膜的抗電離輻射能力比SiO2膜高一個(gè)數(shù)量級以上,其原因是Al2O3膜中含有大量的電子陷阱,輻照產(chǎn)生的電子和空穴之間的復(fù)合幾率大;二是Al2O3的介電常數(shù)約為SiO2的兩倍,等量的輻照誘生電荷導(dǎo)致的閾值電壓漂移只是SiO2的一半。Si3N4的抗電離輻射的能力也可達(dá)到SiO2的3倍。4.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與改進(jìn)工藝輻射對MOS器件的影響主要體現(xiàn)在電離輻射對柵介質(zhì)的破壞作用,因此柵介質(zhì)材料和工藝改進(jìn)是MOS器件輻射加固的重點(diǎn)。具體措施如下所述:4.2.1采用優(yōu)質(zhì)抗輻射柵介質(zhì)膜干氧氧化的純凈SiO2膜中含有的電離缺陷最少,仍然是