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(diǎn)會(huì)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(huì)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(dǎo)致器件的失效。隨著半導(dǎo)體工藝的進(jìn)步，電子元器件持續(xù)小型化，集成電路封裝不斷密集化，導(dǎo)致器件關(guān)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(huì)引起某些新效應(yīng)，這些新效應(yīng)會(huì)間接影響器件的可靠性。因此，有必要對(duì)太空環(huán)境中器件的輻射退化以及產(chǎn)生的新效應(yīng)

2、進(jìn)行靈敏表征，從而對(duì)器件的整體可靠性進(jìn)行評(píng)估。
本文系統(tǒng)地研究了電子元器件輻射退化的物理機(jī)理，深入研究了MOS器件以及雙極器件的輻射退化機(jī)理，并給出了對(duì)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(duì)超深亞微米MOS器件的單粒子新效應(yīng)進(jìn)行了研究，重點(diǎn)研究了電荷共享這一新機(jī)理和多位翻轉(zhuǎn)這一新效應(yīng)，并對(duì)原有的電荷收集模型進(jìn)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(diǎn)如下：
（1）對(duì)雙極

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

4、并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)兩種效應(yīng)進(jìn)行了區(qū)分。結(jié)果表明，雙極器件中的關(guān)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(yīng)，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(yīng)。模型和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，在低劑量情況下，電離輻射效應(yīng)占主導(dǎo)地位，隨劑量增大，位移輻射效應(yīng)所占的比例逐漸上升。
（3）對(duì)MOS器件輻射退化的物理機(jī)理進(jìn)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(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)模型進(jìn)行了

5、驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)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(huì)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(dāng)MOS 器件受到輻射作用時(shí)，其噪聲參量的變化程度遠(yuǎn)大于電學(xué)參量的變化程度，因此，可以利用噪聲參量對(duì)器件的輻射退化進(jìn)行表征。
（4）對(duì)MOS器件輻射作用前的1/f噪聲特性進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)輻射作用前的1/f 噪聲對(duì) 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(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)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(lái)表征 MOSFET內(nèi)部潛在缺陷的數(shù)量和嚴(yán)重程度。
（5）對(duì)超深亞微米 MOS 器件的單粒子新效應(yīng)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)了電荷共享這一新機(jī)理和多位翻轉(zhuǎn)這一新效應(yīng)。針對(duì)現(xiàn)有電荷收集模型無(wú)法應(yīng)用于超深亞微米器件的情況，在原有模型的基礎(chǔ)上提出了新模型，利用

7、新模型對(duì) 90nmMOS 器件的電荷收集情況進(jìn)行了模擬，并利用 TCAD 模擬軟件進(jìn)行了驗(yàn)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(duì)超深亞微米 MOS 器件單粒子多位翻轉(zhuǎn)的物理機(jī)理進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在小尺寸情況下，由于電荷共享所導(dǎo)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