-半导体器件辐射效应研究22

第10卷第6期信息与电子工程Vo1．10，No．62012年12月INFORMATIONANDELECTRONICENGINEERINGDec．，2012文章编号：1672-2892(2012)06-0748-06半导体器件辐射效应研究刘忠立a,b(中科院a.微电子研究所，北京100029；b.半导体研究所，北京100083)摘要：在回顾半导体器件辐射效应取得丰富研究成果的基础上，介绍近年来半导体辐射效应研究的一些动向，其中包括航空及地面环境的单粒子效应、综合辐射环境下的辐射效应、化合物半导体器件的单粒子效应、光电器件的辐射效应、功率半导体器件的辐射效应、绝缘体上硅(SOI)CMOS集成电路的辐射效应及混合信号电路辐射加固设计技术，给出了一些典型的研究结果，并指出在这些效应方面应该继续研究的方向。关键词：半导体器件；抗辐射加固；研究动向中图分类号：TN386.1文献标识码：AResearchtrendsofradiationeffectsinsemiconductordeviceLIUZhong-lia,b(a.InstituteofMicroelectronics，CAS，Beijing100029，China；b.InstituteofSemiconductors，CAS，Beijing100083，China)Abstract：Basingontheretrospectforrichresearchfruitsofradiationeffectsinsemiconductordevice，thispaperintroducessomeresearchtrendsofradiationeffectsinsemiconductordevices，suchassingleeventeffectsinavionicsandontheground，radiationeffectsinsyntheticradiationenvironments，singleeventeffectsincompoundsemiconductordevices，radiationeffectsinphotoelectricdevices，radiationeffectsinpowersemiconductordevices，radiationeffectsinSilicononInsulator(SOI)CMOSintegratedcircuitsanddesigntechniquesofradiationhardeningformixed-signalcircuits.Sometypicalresearchresultsaregivenandsomeresearchdirectionswhichshouldbecontinuedalsoarepointedout.Keywords：semiconductordevice；radiationhardening；researchtrends1945年美国在日本的广岛和长崎投下第1颗原子弹，造成重大核环境灾害。1946年国际原子能委员会对原子能的发展控制失败，在以苏联和美国为首的2大阵营对垒形式下，美国的Sandia公司从LosAlamos实验室分离出来，从事辐射效应的研究。1962年美国通讯卫星Telstar显示出半导体器件对电离辐射的易损性，由此开始了半导体器件辐射效应的研究。半个多世纪以来，半导体器件辐射效应的研究取得了很大的成绩，在空间辐射环境及半导体器件辐射效应的机理方面，已有了深刻的认识，而微电子器件的辐射效应研究更为广泛。但是随着社会不断发展，科技不断进步，对半导体器件辐射效应研究的要求也越来越高，越来越广泛，并且不断出现新的研究动向。本文的目的在于，对其中一些动向做提纲式的介绍，为半导体器件辐射效应的研究提供参考。1航空及地面的单粒子效应航空及地面的单粒子效应研究起步相对较晚，大约在2000年左右才开始形成真正的指导性文件(美国国家航空航天局的JESpgq)，通过多年航空及地面的单粒子效应研究已积累了一定的认识。首先认识到，大气及地面存在的辐射环境对半导体器件也是有影响的。已经搞清楚，虽然在大气顶层进入的银河宇宙射线(GalaxyCosmosRay，GCR)的通量仅为0.1粒子/cm2·s，但到达飞机飞行高度时，由于GCR同大气层的氮和氧原子相互作用产生的二次粒子通量则达到100粒子/cm2·s，继而达到海平面时由于粒子被吸收，粒子通量又降至1粒子/cm2·s。各种二次宇宙射线中，有3种粒子：中子、质子和П介子，可以产生单次事件翻转(SingleEventUpset，SEU)，其中中子在大气中及在地面具有最高的通量。收稿日期：2011-12-13；修回日期：2012-01-10第6期刘忠立：半导体器件辐射效应研究749大气中的粒子能量分布通常用微分通量(每单位能量的通量)与能量的关系描述[1]。若将E10MeV能量的微分通量积分，积分通量约为5600n/cm2·h，在地面降低约300倍，约为20n/cm2·h。对于E500MeV的通量，大气中约有25%的质子，而它的单次事件效应(SingleEventEffect，SEE)的器件截面同中子类似，因而可不作特殊考虑。П介子的通量很小，一般可以忽略。同空间的重离子SEE影响类似，航空高度中中子引起的SEE有类似表征方法。例如器件SEU的截面，其单位是cm2/器件或cm2/位。至今所获得的实验数据仍然较少，而且主要是采用单能量质子束得到的，因为世界上多数高能加速器都包含质子，而单能量中子的获得是很困难的。根据美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的WNR模拟机等的质子(E200MeV)的实验结果，曾将SRAM及DRAM的SEU截面数据绘制成曲线[2]。从绘制的曲线可知，其SEU的截面大部分在1×10–13cm2/位左右，最宽的偏差在3×10–14cm2/位~3×10–13cm2/位范围内。SRAM的行为不很单调，而DRAM的SEU的易损性随年份则呈减小趋势，且减小越来越快。主要原因是尺寸的减小，因为同样的存储单元中的存储电容面积减小了，由此每位的SEU截面减小了。更有意思的是堆叠电容在减小SEU截面方面很有效，而IBM公司的槽型电容减小SEU截面更有效。这些结论对空间用的存储器辐射加固研究也是很有用的。航空及地面的半导体器件辐射效应的研究仍有待深化，主要研究内容包括：更进一步认识辐射环境，易损性的半导体器件的辐射效应机理研究，辐射实验及其器件的加固研究。2综合辐射环境下的辐射效应综合辐射环境下的半导体器件辐射效应研究具有重要的现实意义，因为半导体器件面临的实际辐射环境往往是几种辐射并存的，例如核爆炸及反应堆中产生的辐射环境，同时含有中子及γ光子。2种辐射产生的效应并非毫无关系，其相互作用值得研究。曾有人对GaAsMESFET用中子及γ按不同辐照次序进行辐照，结果表明，在相同的中子注量和γ剂量下，先中子后γ辐照对器件造成的损伤比先γ后中子辐照要严重得多，证明中子造成的位移缺陷对γ辐照的电离总剂量效应产生了影响。另外一个有趣的例子是，单离子的辐照也可能造成类似于总剂量的稳态损伤，特别是对于短沟道的NMOS器件。图1给出一个W/L=20μm/0.1μm的部分耗尽(PartialDepletion，PD)SOINMOS器件在经重离子辐照前后漏特性的变化[3]。3.52.82.11.40.7000.51.01.52.02.53.0Uds/V一些实验表明，半导体器件综合辐射效应比较复杂，除了不同的综合辐射环境以外，同半导体器件的材料、器件类型及结构关系密切，研究不同器件在不同综合环境下的辐射效应，是一个值得重视的研究动向。3化合物半导体器件的单粒子效应Fig.1MeasureddraincharacteristicsbeforeandafterheavyparticlesexposureofSOINMOSwithW/L=20/0.1µm图1W/L=20/0.1µm的PDSOINMOS器件在经重离子辐照前后漏特性的变化多年的研究表明，化合物半导体器件例如GaAs器件，由于不存在SiMOS器件中的栅SiO2绝缘层，因此具有很强的抗总剂量电离辐射能力，一般的GaAs器件抗总剂量水平不低于1MRad(GaAs)。但是研究也表明，GaAs器件及电路对单粒子效应却相当敏感，特别当电路工作频率提高及器件尺寸缩小时尤其如此。图2给出一个GaAs耗尽/增强金属肖特基场效应晶体管(E/DMESFET)数字电路锁存器的重离子SEU截面同线性能量传输(LinearEnergyTransfer，LET)的关系曲线。这个电路的SEULET阈值仅为1.3MeV·cm2/mg，饱和截面为9.2×10–6cm2，对应的翻转率为5.7×10–4/位·天[4]，相当易损。缓解数字电路的SEU，尽管可10-410-510-610-710-80246810LET/(MeV·cm2·mg–1)以在设计上采用冗余或者纠错的方法，但往往因这些方法在芯片面积、功耗及速度特性方面的牺牲而受到限制。Fig.2SEUversusLETofheavyionsforGaAsE/DMESFETdigitallatchcircuit图2GaAsE/DMESFET数字锁存电路的重离子SEU同LET的关系Ugs=2.0VfreshCu1×108ions/cm2W/L=20μm/0.1μmUgs=1.5VUgs=0VIds/mASEUcrosssection/cm2IOLEDamplificationcircuit750信息与电子工程第10卷对于GaAsFET器件，一个可行的方法是在器件有源区下面加一层低温生长的缓冲GaAs层，由于此层GaAs具有很短的载流子寿命，单离子产生的载流子快速复合，从而不被敏感结点收集，而有效增加了器件LET阈值。化合物半导体器件的单粒子效应，必须从材料特性、器件结构、辐射效应机理的认识入手，有针对性地采取对策，方能取得缓解SEE效应的效果。由于新的化合物材料如GaN和InP等的应用已逐步提到日程，其辐射效应及器件加固的研究，也将成为重要的研究对象。4光电器件的辐射效应这里要提到2类光电器件，一类是光电耦合器，另一类是电荷耦IF合器件(ChargeCoupledDevices，CCD)及CMOS图像传感器，它们是在空间技术中最常用的光电器件。光电耦合器用来实现隔离不同电路之间的耦合，主要由发光二极管(Light-EmittingDiode，LED)、光电探测器、放大电路及光耦合媒质构成，见图3。detector光电耦合器的构成复杂，致使其辐射效应也较复杂。由于它必须采用大面积的光电二极管，因此对单粒子效应甚为敏感。研究表明，一种HCPL5&31光电耦合器离子入射角不同，其SEU截面也不同，见图4[5]。总剂量辐射对光电二极管、放大电路及耦合媒质都可能造成影响，而位移效应主要对LED有损伤，必须分析光电耦合器的具体组成，并进行深入细致的综合分析，才能达到加固的目的。CCD及CMOS有源像素传感器(ActivePixelSensors，APS)都是由像素光电探测器阵列(光电二极管或MOS电容)构成的成像器件，它们的主要差别在于光产生的电荷信号读出方式不同。在CCD中，用有几个不同相位(2,3或4相)的电极将光产生的电荷从1个像素最终转移至输出的放大器，而APS则是利用连接到每个像素的晶体管及移位寄存器依此将光产生的电荷传送到输出，其工作类似于动态随机存储器(DRAM)。为了使连接到有大电容地址线的探测器信号不至衰减，每1行像素需要有1个放大器。APS可以在片上同时集成AD转换器，这是它相对于CCD的一大优点。Fig.3Structureoftypicalhighbandwidthdigitalsignaloptocoupler图3典型的高带宽数字信号光电耦合器的构成654321020406080100120angleofincidence/(º)Fig.4Effectofincidentang