雙極電壓比較器低劑量率輻照損傷增強效應(yīng)的變溫輻照加速評估方法

馬武英，陸 嫵，郭 旗，吳 雪，孫 靜，鄧 偉，王 信，吳正新

(1.中國科學(xué)院 特殊環(huán)境功能材料與器件重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830011；2.中國科學(xué)院 新疆理化技術(shù)研究所，新疆電子信息材料與器件重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830011；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

自20世紀(jì)90年代發(fā)現(xiàn)雙極器件在空間低劑量率下的損傷較實驗室高劑量率下的損傷大以來，雙極器件及電路的劑量率效應(yīng)成為國際航天領(lǐng)域關(guān)注的熱點[1-2]。由于低劑量率輻照損傷增強效應(yīng)(ELDRS)的存在，意味著采用實驗室高劑量率(0.5～3 Gy(Si)/s)評估雙極器件的抗輻射水平，與電子元器件在空間小劑量率環(huán)境下的實際抗輻射能力嚴(yán)重不符，從而給衛(wèi)星、空間站等電子系統(tǒng)的可靠性帶來極大隱患。然而，用空間低劑量率來評估電子器件的抗空間輻射能力，既不經(jīng)濟又耗時耗力。因此，找到一種能在實驗室應(yīng)用，且高效可靠的雙極器件ELDRS的加速評估方法具有重要意義。

目前，國外對雙極器件ELDRS的加速評估方法進行了廣泛的研究[3-7]，提出了恒高溫輻照、氫氛圍中輻照和變劑量率加速方法。然而這3種方法均具有一定的局限性，恒高溫輻照方法僅對某些特定類型的器件有較好的評估效果；氫氛圍中輻照方法亦面臨著同樣問題，既不能很好地模擬所有雙極器件的ELDRS，又存在可操作性差的缺點；變劑量率加速方法是目前最受關(guān)注的評估手段，它將電離輻射引起器件的損傷趨勢分為3個區(qū)域，即閾值區(qū)、線性區(qū)及飽和區(qū)，通過選取不同的變劑量點，利用高劑量率輻照，使器件很快進入不同程度的線性區(qū)，然后再在低劑量率下進行輻照，利用平移的方法模擬低劑量率損傷趨勢，從而減少低劑量率輻照的時間，但這種方法需大量的器件來進行試驗。由于低劑量率輻照的限制，評估時間也相對較長，且對于器件的一致性有較高的要求。此外，研究發(fā)現(xiàn)，雙極器件的輻射響應(yīng)與工藝過程、電路類型及偏置條件均有密切關(guān)系，不同公司生產(chǎn)的同種類型電路，輻射響應(yīng)存在差異，同一公司生產(chǎn)的不同器件表現(xiàn)出不同的輻照損傷，且相同器件在不同的偏置條件下，亦會表現(xiàn)出不同的輻射響應(yīng)。文獻(xiàn)[8-9]在對大量加速評估方法研究的基礎(chǔ)上，提出了變溫輻照加速評估方法，此方法不僅能很好地模擬且保守地評估器件的ELDRS，而且能快速鑒別器件是否具有劑量率效應(yīng)。變溫輻照加速評估方法的普適性已在雙極晶體管、純雙極運算放大器、JEFT輸入型運算放大器和線性穩(wěn)壓器上得到驗證。然而，變溫輻照加速評估方法能否評估電壓比較器還未知。此外，考慮到空間應(yīng)用中半導(dǎo)體器件會處于工作和備用狀態(tài)，所以有必要研究不同偏置狀態(tài)下電壓比較器的輻射響應(yīng)及加速評估方法。因此，本文選取3款不同公司生產(chǎn)的同種型號雙極電壓比較器(以下簡稱電壓比較器)LM2903進行不同偏置條件下高、低劑量率及變溫輻照實驗。

1 實驗樣品和實驗方法

為研究相同型號不同公司生產(chǎn)的器件輻照損傷差異，本實驗選用來自3個不同公司的電壓比較器，實驗樣品信息列于表1，輻照實驗在中國科院新疆理化技術(shù)研究所的60Co γ輻照源上進行，輻照實驗采用了3種輻照方法，即高劑量率輻照法(HDR，0.50 Gy(Si)/s)、低劑量率輻照法(LDR，0.45 mGy(Si)/s)、變溫輻照法(STA，0.02 Gy(Si)/s)。輻照總劑量均為1 kGy(Si)，輻照偏置分為零偏偏置(所有管腳接地)和工作偏置(Vin+=5 V，Vin-=0，Vcc=5 V，Vee=0)。

表1 實驗樣品信息

變溫輻照實驗在特制的專用于輻照實驗的恒溫箱內(nèi)進行，箱內(nèi)置有抗輻射的高靈敏熱敏電阻，可實時保證高溫輻照期間烘箱內(nèi)的溫度變化不超過±2 ℃。變溫輻照實驗的具體方法為：首先在125 ℃下將器件輻照到200 Gy(Si)的總劑量，然后在100 ℃下輻照至400 Gy(Si)，再在65 ℃下輻照至800 Gy(Si)，最后在50 ℃下輻照至1 kGy(Si)。室溫輻照時均將實驗樣品屏蔽在根據(jù)美軍標(biāo)制作的Pb/Al屏蔽盒內(nèi)，以屏蔽低能散射，防止劑量增強效應(yīng)的發(fā)生。

參數(shù)測試采用Amida3000靜態(tài)參數(shù)測試儀，電壓比較器測試采用輔助運算放大器法測試，測量參數(shù)包括偏置電流、失調(diào)電壓、失調(diào)電流、電源電流及輸入輸出曲線等，以上參數(shù)測試均在輻照結(jié)束后30 min內(nèi)完成。

2 結(jié)果分析

對不同公司生產(chǎn)的電壓比較器的高、低劑量率及變溫輻照的研究結(jié)果表明，被測試電壓比較器的電路對電離輻射均相當(dāng)敏感，且不同公司的電壓比較器，由于生產(chǎn)工藝不同，表現(xiàn)出不同的輻射響應(yīng)差異。在所測試的電參數(shù)范圍內(nèi)絕大多數(shù)參數(shù)皆發(fā)生退化，其中電源電流、偏置電流最為敏感。工作偏置條件下失調(diào)電壓亦是輻射敏感參數(shù)。

2.1 變溫輻照方法對TI公司電壓比較器的影響

圖1為零偏偏置和工作偏置下，TI公司電壓比較器LM2903在高、低劑量率及變溫輻照時，電源電流隨總劑量的變化。可看出，在3種輻照條件下，電源電流均隨總劑量的增大而減小。而低劑量率下的輻照損傷明顯大于高劑量率下的輻照損傷，該器件電源電流輻射敏感參數(shù)具有潛在的ELDRS。對比變溫輻照與低劑量率輻照實驗結(jié)果可知：變溫輻照能保守地評估該器件電源電流參數(shù)的低劑量率輻照損傷程度；工作偏置與零偏偏置條件下，電源電流的輻射響應(yīng)存在明顯差異，在工作偏置條件下，高、低劑量率的輻照損傷無明顯差異，即該器件表現(xiàn)為無劑量率效應(yīng)，而零偏偏置條件下該器件存在低劑量率輻照損傷增強效應(yīng)。

TI公司電壓比較器在零偏偏置和工作偏置條件下，高、低劑量率及變溫輻照時偏置電流隨總劑量的變化如圖2所示。變溫輻照實驗在累積總劑量至1 kGy(Si)時，偏置電流超出測試量程。分別對比兩種偏置條件高、低劑量率下的損傷曲線可知，該器件偏置電流參數(shù)具有潛在的ELDRS。由變溫輻照和低劑量率輻照實驗結(jié)果可看出，變溫輻照可保守地評估該器件在不同偏置條件下偏置電流的低劑量率損傷趨勢。

輸入失調(diào)電壓的大小反映了電壓比較器制造中電路的對稱程度和電位配合情況。零偏偏置下，電壓比較器輸入級晶體管處于相同偏置狀態(tài)，故輻照損傷響應(yīng)大致相同，即失調(diào)電壓在零偏偏置時不發(fā)生大的變化，而工作偏置條件下輸入級晶體管處于不同的偏置狀態(tài)，從而導(dǎo)致輻照損傷變化不同，宏觀參數(shù)表現(xiàn)為失調(diào)電壓的變化[8]。圖3為工作偏置條件下，高、低劑量率及變溫輻照時，失調(diào)電壓隨總劑量的變化情況。變溫輻照實驗在累積總劑量至1 kGy(Si)時，失調(diào)電壓超出測試量程。從高、低劑量率下的輻照損傷趨勢可知，該器件失調(diào)電壓參數(shù)具有ELDRS。從圖3中變溫輻照和低劑量率下的輻照實驗結(jié)果可看出，變溫輻照評估方法可很好地模擬該器件的ELDRS。

圖1 TI公司電壓比較器在不同輻照條件下電源電流隨總劑量的變化

圖2 TI公司電壓比較器在不同輻照條件下偏置電流隨總劑量的變化

圖3 TI公司電壓比較器在不同輻照條件下失調(diào)電壓隨總劑量的變化

2.2 變溫輻照方法對ST公司電壓比較器的影響

圖4為ST公司電壓比較器在零偏偏置和工作偏置下，高、低劑量率及變溫輻照時，電源電流隨總劑量的變化。與TI公司電壓比較器電源電流輻射響應(yīng)不同的是：ST公司電壓比較器在零偏偏置和工作偏置時，不同劑量率下的輻照損傷之間無明顯差異，即表明該器件無劑量率效應(yīng)。

圖5為零偏偏置和工作偏置下，高、低劑量率和變溫輻照時，偏置電流隨總劑量的變化。當(dāng)總劑量為1 kGy(Si)時，變溫輻照結(jié)果超出測試量程。與TI公司電壓比較器偏置電流變化趨勢相同，但輻照損傷程度存在差異，通過高、低劑量率損傷趨勢的對比，表明此器件偏置電流參數(shù)在兩種偏置狀態(tài)下均具有潛在的ELDRS。通過低劑量率與變溫輻照的損傷變化趨勢對比，可看出變溫輻照可很好地模擬該器件不同偏置狀態(tài)下的低劑量率損傷趨勢，且當(dāng)累積劑量至1 kGy(Si)時，變溫輻照損傷均高于低劑量率損傷，表明變溫輻照加速評估方法可保守地評估該器件的ELDRS。

工作偏置條件下，在高、低劑量率及變溫輻照時，ST公司電壓比較器失調(diào)電壓隨總劑量的變化趨勢如圖6所示。從圖6可看出與圖3類似的結(jié)果，變溫輻照能很好地模擬ST公司電壓比較器在低劑量率下的損傷規(guī)律。

圖4 ST公司電壓比較器在不同輻照條件下電源電流隨總劑量的變化

圖5 ST公司電壓比較器在不同輻照條件下偏置電流隨總劑量的變化

圖6 ST公司電壓比較器在不同輻照條件下失調(diào)電壓隨總劑量的變化

2.3 變溫輻照方法對Rohm公司電壓比較器的影響

圖7為Rohm公司電壓比較器在零偏偏置和工作偏置下，高、低劑量率和變溫輻照時，電源電流減少量隨總劑量的變化?？煽闯?，在兩種偏置狀態(tài)，不同輻照條件下輻照時，電源電流減少量均隨總劑量的增大而增大，但低劑量率下，偏置電流增加幅度和速度尤為顯著，表明Rohm公司電壓比較器的電源電流存在ELDRS。變溫輻照下的損傷較高劑量率輻照下的損傷大，且與低劑量率輻照方法下的損傷接近。

Rohm公司電壓比較器在零偏偏置和工作偏置條件下，高、低劑量率和變溫輻照時，偏置電流隨總劑量的變化趨如圖8所示?？煽闯觯趦煞N偏置條件下，偏置電流在低劑量率下的損傷明顯大于高劑量率下的損傷，該器件偏置電流參數(shù)具有ELDRS。分別對比兩種偏置條件下低劑量率和變溫輻照的損傷趨勢可知，變溫輻照能較為真實地模擬該器件在不同偏置條件下的ELDRS。

Rohm公司電壓比較器在零偏偏置和工作偏置條件下，高、低劑量率及變溫輻照時，失調(diào)電壓隨總劑量的變化如圖9所示。在高劑量率輻照時，該器件失調(diào)電壓未發(fā)生明顯變化，而在變溫和低劑量率條件下輻照時，失調(diào)電壓隨總劑量的累積而明顯增大。與ST和TI公司的電壓比較器相同，Rohm公司電壓比較器失調(diào)電壓參數(shù)具有ELDRS，而變溫輻照評估方法能很好地模擬該器件的ELDRS。

圖7 Rohm公司電壓比較器在不同輻照條件下電源電流減少量隨總劑量的變化

圖8 Rohm公司電壓比較器在不同輻照條件下偏置電流隨總劑量的變化

圖9 Rohm公司電壓比較器在不同輻照條件下失調(diào)電壓隨總劑量的變化

3 討論

上述實驗結(jié)果表明，不同公司生產(chǎn)的同種型號電壓比較器LM2903，雖具有相同的輻射敏感參數(shù)，包括電源電流、偏置電流和工作偏置條件下的失調(diào)電壓，但其輻射響應(yīng)卻由于工藝和偏置條件的不同而變化。Rohm公司電壓比較器的電源電流和偏置電流在兩種偏置條件下均表現(xiàn)出ELDRS；TI公司電壓比較器的電源電流在工作偏置下表現(xiàn)為無劑量率效應(yīng)，零偏偏置下表現(xiàn)為ELDRS，兩種偏置條件下偏置電流均表現(xiàn)出ELDRS；ST公司電壓比較器在兩種偏置下，電源電流均表現(xiàn)出無劑量率效應(yīng)，偏置電流表現(xiàn)出ELDRS。變溫輻照的評判方法完全符合文獻(xiàn)[8-9]中提出的評判標(biāo)準(zhǔn)。

偏置對電壓比較器輻照損傷的影響，文獻(xiàn)[10]已作了大量探討；而對于雙極電路的ELDRS，文獻(xiàn)[1-2,11-14]用空間電荷模型進行了解釋，在此均不再累述。而同種電路結(jié)構(gòu)不同生產(chǎn)廠商的比較器輻射效應(yīng)的差異，主要是由于工藝不同所造成，生產(chǎn)過程中的雜質(zhì)引入、表面處理及柵氧層厚度等因素均決定著輻射電離產(chǎn)生的氧化物陷阱電荷和界面態(tài)數(shù)量，從而導(dǎo)致輻照損傷的差異。

變溫輻照加速評估方法能成功評估電壓比較器的主要原因有兩個。1) 與輻射感生的深、淺氧化物陷阱電荷的不同退火特性有關(guān)[13-14]。研究表明，氧化物陷阱電荷在室溫下就能失去束縛電荷發(fā)生退火。變溫輻照的前半階段采用了125 ℃和100 ℃的溫度輻照，大量的深、淺氧化物陷阱電荷發(fā)生退火，造成氧化物空間電場減弱。此外，由于溫度的影響，輻照過程中所產(chǎn)生的電子和空穴對動能增大，導(dǎo)致輸運到表面且能參與界面態(tài)形成的空穴數(shù)隨之增加，從而使更多的空穴和H+在很小的空間電場阻礙下快速遷移到SiO2-Si界面，與界面處的懸掛鍵形成大量的界面態(tài)，而界面態(tài)在175 ℃高溫下才會發(fā)生大量退火；變溫輻照的后半階段隨著輻照溫度降低至65 ℃和50 ℃，在界面態(tài)繼續(xù)形成的同時，僅有淺氧化物陷阱電荷發(fā)生了退火，大部分深氧化物陷阱電荷被保留下來，使得在變溫輻照下氧化物中擁有最大的輻照感生凈正氧化物陷阱濃度和界面態(tài)濃度，最終導(dǎo)致?lián)p傷增強。2) 研究發(fā)現(xiàn)輻照損傷并非隨輻照溫度的升高而持續(xù)增長，而是隨著輻射劑量的增加使輻照損傷達(dá)到最大的輻照峰值溫度逐漸向低溫方向移動，與總劑量呈線性關(guān)系[12]。階梯降溫的變溫輻照加速評估方法利用輻射最大損傷峰值溫度與總劑量的線性關(guān)系特性，發(fā)揮了其輻照損傷的作用。因此，變溫輻照法最大程度地激發(fā)了輻照感生的陷阱電荷對電路的損傷，體現(xiàn)了氧化物電荷和界面態(tài)對電路造成的最大影響。采用變溫輻照法評估上述3款電壓比較器的結(jié)果表明：變溫輻照加速評估方法能較真實地模擬其各種輻射敏感參數(shù)的低劑量率輻照損傷，并快速鑒別其輻射效應(yīng)。

4 結(jié)論

1) 對于不同公司同種型號的電壓比較器LM2903，在不同偏置條件下的輻射效應(yīng)實驗研究表明：偏置電流和電源電流是電壓比較器輻射敏感參數(shù)，偏置電流隨總劑量的增大而增大，而電源電流隨總劑量的增大而減小。在工作偏置下，失調(diào)電壓成為輻射敏感參數(shù)，并隨總劑量的增大而增大。然而，不同公司電壓比較器的輻射響應(yīng)存在差異，同一公司電壓比較器在不同偏置條件下也表現(xiàn)出不同的輻照損傷。

2) 不同公司電壓比較器的變溫輻照加速評估實驗結(jié)果表明：變溫輻照加速評估方法能較真實地模擬各種輻射敏感參數(shù)的低劑量率輻照損傷，并快速鑒別其輻射效應(yīng)。

3) 變溫輻照加速評估方法可將實驗室加速評估的總劑量范圍擴展至1 kGy(Si)，原因是升溫輻照造成了大量淺陷阱氧化物電荷的退火，減弱了空間電場的強度，致使更多的空穴和H+可到達(dá)Si-SiO2界面形成界面態(tài)。

4) 變溫輻照方法對3款不同公司電壓比較器的成功加速評估，使變溫輻照加速評估方法的普適性得到了更進一步的驗證。

參考文獻(xiàn)：

[1] ENLOW E W, PEASE R L, COMBS W. Response of advanced bipolar processes to ionizing radiation[J]. IEEE Trans Nucl Sci, 1991, 38(6): 1 342-1 351.

[3] WITCZAK S C, SCHRIMPFZ R D, FLEETWOOD D M, et al. Hardness assurance testing of bipolar junction transistors at elevated irradiation temperature[J]. IEEE Trans Nucl Sci, 1997, 44(6): 1 989-2 000.

[4] SCHWANK J R, SHANEYFELT M R. Effects of moisture and hydrogen exposure on radiation-induced MOS device degradation and its implications for long-term aging[J]. IEEE Trans Nucl Sci, 2008, 55(6): 3 206-3 215.

[5] PEASE R L, ADELL P C, RAX B, et al. Evaluation of an accelerated ELDRS test using molecular hydrogen[J]. IEEE Trans Nucl Sci, 2008, 57(6): 3 419-3 425.

[6] BOCH J, SAIGNé F, SCHRIMPF R D, et al. Effect of switching from high to low dose rate on linear bipolar technology radiation response[J]．IEEE Trans Nucl Sci, 2004, 51(5): 2 896-2 902.

[7] BOCH J, GONZALEZ V Y, SAIGNé F. ELDRS: Optimization tools for the switched dose rate technique[J]. IEEE Trans Nucl Sci, 2011, 58(6): 2 998-3 003.

[8] 陸嫵，任迪遠(yuǎn)，鄭玉展，等. 雙極運算放大器低劑量率輻照損傷增強效應(yīng)的變溫加速輻照方法[J]. 原子能科學(xué)技術(shù)，2009，43(9)：769-775.

LU Wu, REN Diyuan, ZHENG Yuzhan, et al. Accelerated simulation method to evaluate enhanced low dose rate sensitivity of bipolar operational amplifiers by decreasing temperature in step during irradiation[J]. Atomic Energy Science and Technology, 2009, 43(9): 769-775(in Chinese).

[9] 費武雄，陸嫵，任迪遠(yuǎn)，等. 變溫輻照加速評估方法在不同工藝NPN雙極晶體管上的應(yīng)用[J]. 原子能科學(xué)技術(shù)，2010，44(12)：1 494-1 497.

FEI Wuxiong, LU Wu, REN Diyuan, et al. Application of accelerated simulation method on NPN bipolar transistors of different technology[J]. Atomic Energy Science and Technology, 2010, 44(12): 1 494-1 497(in Chinese).

[10] 王義元，陸嫵，任迪遠(yuǎn)，等. 雙極電壓比較器不同條件下總劑量輻射效應(yīng)[J]. 原子能科學(xué)技術(shù)，2012，46(9)：1 147-1 152.

WANG Yiyuan, LU Wu, REN Diyuan, et al. Total ionizing dose effect of bipolar voltage comparator[J]. Atomic Energy Science and Technology, 2012, 46(9): 1 147-1 152(in Chinese).

[11] LU Wu, REN Diyuan, ZHENG Yuzhan, et al. An accelerated simulation method for ELDRS of bipolar operational amplifiers using a dose-rate switching experiment[J]. Chinese Journal of Semiconductor, 2008, 29(7): 1 286-1 291.

[12] 鄭玉展，陸嫵，任迪遠(yuǎn)，等. 不同發(fā)射極面積NPN晶體管高低劑量率輻射損傷特性[J]. 物理學(xué)報，2009，58(8)：5 572-5 577.

ZHENG Yuzhan, LU Wu, REN Diyuan, et al. Characteristics of high-and low-dose-rate damage for domestic NPN transistors of various emitter areas[J]. Acta Phys Sin, 2009, 58(8): 5 572-5 577(in Chinese).

[13] FLEETWOOD D M, KOSIER S L, NOWLIN R N, et al. Physical mechanisms contributing to enhanced bipolar gain degradation at low dose rates[J]. IEEE Trans Nucl Sci, 1994, 41(6): 1 871-1 894.

[14] RASHKEEV S N, CIRBA C R, FLEETWOOD D M, et al. Physical model for enhanced inter face-trap formation at low dose rates[J]. IEEE Trans Nucl Sci, 2002, 49(6): 2 650- 2 655.