電子元器件輻射退化靈敏表征方法研究.pdf

1、 工作于太空中的電子元器件由于其環(huán)境特點會受到空間粒子的輻射作用。在輻射作用下，器件的性能下降，使用壽命也會減少。器件受到輻射作用后的性能下降源于器件內(nèi)部材料的退化，并最終導致器件的失效。隨著半導體工藝的進步，電子元器件持續(xù)小型化，集成電路封裝不斷密集化，導致器件關鍵參數(shù)的退化，從而增加了器件的失效概率。另一方面，器件尺寸的減小也會引起某些新效應，這些新效應會間接影響器件的可靠性。因此，有必要對太空環(huán)境中器件的輻射退化以及產(chǎn)生的新效應

2、進行靈敏表征，從而對器件的整體可靠性進行評估。
本文系統(tǒng)地研究了電子元器件輻射退化的物理機理，深入研究了MOS器件以及雙極器件的輻射退化機理，并給出了對以上兩種器件輻射退化的靈敏表征方法，除此之外，本文還對超深亞微米MOS器件的單粒子新效應進行了研究，重點研究了電荷共享這一新機理和多位翻轉(zhuǎn)這一新效應，并對原有的電荷收集模型進行了修正，使其適用于超深亞微米MOS器件。本文具體的研究成果以及創(chuàng)新點如下：
（1）對雙極

3、器件輻射作用后的參數(shù)變化進行了分析，結(jié)合雙極器件輻射退化的物理機理，建立了雙極器件輻射退化的噪聲表征模型，并通過實驗進行了驗證。實驗結(jié)果證實了模型的正確性，結(jié)果還表明，與電學參量相比，噪聲參量的靈敏度更高，在電學參量變化率為3%左右的情況下，噪聲參量的變化率高達2500%。因此，利用噪聲參量可以對雙極器件的輻射損傷進行進行靈敏表征。
（2）對雙極器件的電離輻射效應和位移輻射效應進行了研究，發(fā)現(xiàn)兩種輻射效應的產(chǎn)生機制并不相同，

4、并通過實驗對兩種效應進行了區(qū)分。結(jié)果表明，雙極器件中的關鍵部位，即p-n結(jié)二極管的反向電流的變化可以很好的表征電離輻射效應，而其在某一固定電流處的正向電壓的變化則可以很好的表征位移輻射效應。模型和實驗結(jié)果均表明，在低劑量情況下，電離輻射效應占主導地位，隨劑量增大，位移輻射效應所占的比例逐漸上升。
（3）對MOS器件輻射退化的物理機理進行了研究，分別建立了MOS器件輻射退化模型以及輻射退化的噪聲表征模型，并通過實驗對模型進行了

5、驗證。實驗結(jié)果驗證了模型的正確性，發(fā)現(xiàn)氧化層陷阱電荷和界面陷阱電荷的數(shù)量在不同劑量下會產(chǎn)生飽和現(xiàn)象，其中界面陷阱電荷數(shù)量先產(chǎn)生飽和。結(jié)果還表明，當MOS 器件受到輻射作用時，其噪聲參量的變化程度遠大于電學參量的變化程度，因此，可以利用噪聲參量對器件的輻射退化進行表征。
（4）對MOS器件輻射作用前的1/f噪聲特性進行了分析，發(fā)現(xiàn)輻射作用前的1/f 噪聲對 MOS 器件的潛在缺陷可以起到很好的表征作用。建立了基于輻射作用前1/

6、f噪聲的MOS器件潛在缺陷表征模型，并通過實驗進行了驗證。結(jié)果表明， MOS 器件輻射作用后的閾值電壓漂移量與輻射作用前的 1/f 噪聲幅值成正比，因此，該模型有助于利用1/f噪聲參量來表征 MOSFET內(nèi)部潛在缺陷的數(shù)量和嚴重程度。
（5）對超深亞微米 MOS 器件的單粒子新效應進行了研究，發(fā)現(xiàn)了電荷共享這一新機理和多位翻轉(zhuǎn)這一新效應。針對現(xiàn)有電荷收集模型無法應用于超深亞微米器件的情況，在原有模型的基礎上提出了新模型，利用

7、新模型對 90nmMOS 器件的電荷收集情況進行了模擬，并利用 TCAD 模擬軟件進行了驗證。結(jié)果表明，與原有模型的模擬結(jié)果相比，新模型的模擬結(jié)果與 TCAD 的模擬結(jié)果更為相近，這表明了新模型的正確性。
（6）對超深亞微米 MOS 器件單粒子多位翻轉(zhuǎn)的物理機理進行了研究，發(fā)現(xiàn)在小尺寸情況下，由于電荷共享所導致的單粒子多位翻轉(zhuǎn)數(shù)量與比重都有所上升，建立了基于器件臨界電荷 crQ 以及收集電荷 coQ 的超深亞微米 MOS 器