總劑量效應(yīng)產(chǎn)生過程

空間帶電粒子射線與物質(zhì)的交互作用主要體現(xiàn)在誘發(fā)電離效應(yīng)上。輻射粒子將能量用于激發(fā)半導(dǎo)體材料中的中性原子，使其形成電子-空穴對。然而，這種物質(zhì)狀態(tài)是不穩(wěn)定的，一般情況下會發(fā)生電子-空穴的中和。但對于工作的半導(dǎo)體而言，其外加偏置會導(dǎo)致半導(dǎo)體內(nèi)存在電場。在電場的作用下，電子-空穴對發(fā)生分離。在半導(dǎo)體材料或絕緣材料中，電子和空穴的遷移速度是不同的。電子的遷移速度較快，而空穴的遷移速度較慢。這種差異在半導(dǎo)體元器件中普遍存在的鈍化層和柵氧層中更為明顯。

出自：集成電路總劑量加固技術(shù)的研究進(jìn)展，《太赫茲科學(xué)與電子信息學(xué)報》第15卷，第一期

在電場作用下，運動慢的空穴攜帶者正電荷努力地通過“跳躍”在柵氧中遷移，但是當(dāng)接近柵氧和半導(dǎo)體界面時，界面附近存在的大量的“陷阱”，絕大多數(shù)遷移過來的正電荷（空穴）會落入陷阱形成氧化物內(nèi)的俘獲電荷（正電荷層，位于SiO2/Si的界面附近）。而還有一部分空穴與界面處的Si-H結(jié)合，釋放處H+，H+在電場作用下進(jìn)一步向界面遷移，與Si-H中的H發(fā)生反應(yīng)，形成H2，同時在原位上留下懸鍵，進(jìn)而形成具有正電特性的界面態(tài)。

對MOS器件和雙極性器件的影響

在SiO2/Si的界面附近的俘獲電荷會形成正電荷層，電荷層產(chǎn)生電場，從而改變器件偏置狀態(tài)。這種效應(yīng)對于MOS結(jié)構(gòu)器件，會造成溝道閾值電壓偏移，會導(dǎo)致P溝道開啟電壓增加，降低N溝道的開啟電壓，同時還會造成漏結(jié)雪崩擊穿電壓變化，如P溝道降低，N溝道增加。而界面態(tài)具有較強(qiáng)的載流子限制效應(yīng)，會造成載流子遷移率降低，這種效應(yīng)尤其對雙極性結(jié)構(gòu)器件強(qiáng)烈依賴載流子遷移工作的器件性能降低，如增益降低，漏電流增加，而對于MOS器件，界面態(tài)會造成增益和跨導(dǎo)的降低。

俘獲電荷和界面態(tài)之間的耦合

從總劑量效應(yīng)形成過程可見，俘獲電荷層和界面態(tài)是獨立產(chǎn)生，但又相互聯(lián)系。俘獲電荷層主要是空穴的遷移，而界面態(tài)主要與釋放的H+遷移有關(guān)，而在Si材料中空穴遷移率是H+遷移的4倍。所以一旦俘獲電荷很快形成，則會產(chǎn)生一個明顯的電勢壘，會阻擋H+遷移，從而影響界面態(tài)的形成。反之如果俘獲電荷層沒有及時形成，H+遷移不會收到明顯的阻擋，這將造成界面態(tài)的大量形成。

出自：P型金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管低劑量率輻射損傷增強(qiáng)效應(yīng)模型研究，《物理學(xué)報》 60卷第6期 2011年

高劑量率輻照下，H+受到俘獲電荷層電場的阻擋，無法有效參與界面態(tài)的形成：

低劑量率輻照下，H+無電荷層阻擋，會產(chǎn)生更多的界面態(tài)

出自：P型金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管低劑量率輻射損傷增強(qiáng)效應(yīng)模型研究，《物理學(xué)報》 60卷第6期 2011年

上述的這些耦合機(jī)理會造成我們選用不同的劑量率（單位時間內(nèi)高能粒子或射線傳遞給半導(dǎo)體材料內(nèi)的能量，單位rad(Si)/s）進(jìn)行實驗室，會得到截然不同的退化現(xiàn)象，其中 MOS 器件表現(xiàn)為時間相關(guān)效應(yīng)（Time Dependence Effects，TDE，也稱時變效應(yīng)），雙極器件表現(xiàn)為低劑量率損傷增強(qiáng)效應(yīng)（Enhanced Low Dose Rate Sensitity，ELDRS）。

在高劑量率下，單位時間內(nèi)產(chǎn)生的空穴更多，會很快形成俘獲電荷層，從而導(dǎo)致界面態(tài)形成受阻，而在低劑量率下，界面態(tài)更容易形成，這造成性能對界面態(tài)敏感的器件會在低劑量率輻照下性能退化要更大，稱這種效應(yīng)為低劑量率增強(qiáng)效應(yīng)（ELDRS- Enhanced Low-Dose-Rate Sensitivity）。

而低劑量增強(qiáng)效應(yīng)在MOS中主要表現(xiàn)為時間效果效應(yīng)，即TDE，主要表現(xiàn)為MOS器件在進(jìn)行高劑量輻射后，通過退火（在偏置狀態(tài)下自然放置或高溫放置），其性能會隨時間發(fā)生繼續(xù)退化，效果可退化至低劑量率輻照的退化程度，產(chǎn)生這種時間相關(guān)效應(yīng)的主要取決于結(jié)構(gòu)與工藝，這會造成輻照感生的氧化物電荷、界面態(tài)的生長和退火間的競爭機(jī)制不同。

對元器件空間輻射總劑量效應(yīng)的考核

綜上所示，空間帶電粒子輻射對元器件產(chǎn)生的累積電離損傷主要源于俘獲電荷和界面態(tài)。因此在考核元器件對耐總劑量效應(yīng)的能力時要充分考核這兩方面的影響。

1）輻照源的選擇

在具體實驗中，需要采用一種簡單易得的主要產(chǎn)生電離效應(yīng)的輻射束來對電離效應(yīng)進(jìn)行考核。天然放射性物質(zhì)會以γ射線（光子），而光子對物質(zhì)主要產(chǎn)生電離效應(yīng)，且γ射線穿透能力極強(qiáng)，Si材料對其幾乎透明，因此不需擔(dān)心射程問題。所以工程實踐中，采用60Co產(chǎn)生的γ射線進(jìn)行元器件的輻射總劑量效應(yīng)的考核。

衡量輻照射線的總劑量能力統(tǒng)一采用輻照粒子或射線在硅中的能量沉積能力，即等效拉德硅- rad(Si)，其含義為單位質(zhì)量Si吸收射線或粒子的電離能量，1 rad(Si)=0.01 J/kg（焦耳每千克）。這是總劑量的單位，除了rad(Si)以外還可用Gy（戈瑞）單位，1 Gy=100 rad。同時將單位時間內(nèi)的電離吸收采用劑量率，一般為rad(Si)/s。

2）輻射劑量和劑量率的選擇

總劑量效應(yīng)本身是一種累積效應(yīng)，所以一般按照元器件在實際服役時間內(nèi)所能接收到并吸收的累積電離能力來確定考核的指標(biāo)。基于空間環(huán)境輻照環(huán)境的觀測，并通過粒子與物質(zhì)交互作用仿真，如Monte-Carlo仿真，可獲得不同服役時間和服役環(huán)境下元器件所接受的電離能量。如航天型號在軌運行時間一般可分為長期、中期、短期三類，考慮太陽活動和安全裕度，一般采用如下要求。所以一般采用100krad(Si)對中期服役航天元器件進(jìn)行考核。

而在GJB548里，給出了抗輻射保證等級（RHA）來定義器件對電離輻射的耐受能力。

由于存在低劑量率增強(qiáng)效應(yīng)(ELDRS)，所以在選擇劑量率時盡量貼近真實服役環(huán)境的劑量率。如下圖所示，真實空間電離環(huán)境劑量率一般在10-3 rad(Si)/s以下，而地面采用的輻照源一般都高于這個劑量率。因此對于那些存在低劑量率增強(qiáng)效應(yīng)的元器件，抗輻射總劑量效應(yīng)的考核難點主要就是如何充分評價低劑量率的惡劣影響，防止保守評價。

引用：向宏文.航天器空間輻射環(huán)境及效應(yīng)地面模擬試驗. 中國宇航學(xué)會飛行器總體專業(yè)委員會2004年學(xué)術(shù)研討會 中國宇航學(xué)會, 2005

同時在低劑量率下，器件內(nèi)產(chǎn)生的俘獲電荷也會同時發(fā)生恢復(fù)（退火效應(yīng)），這導(dǎo)致高劑量率輻照時，有可能產(chǎn)生過量的俘獲電荷，而造成過評價。