双极型器件的低剂量率辐射损伤机理与加速试验研究

Enhanced low dose rate sensitivity (ELDRS) is one of the most serious reliability problems for bipolar devices and linear circuits which are used in the space radiation environments. This project targets on the accelerated ELDRS test methods using high dose rate, with reflection of low dose rate radiation effect in the bipolar devices..Firstly, based on the failure mechanisms of low dose rate radiation effect in the bipolar devices, by considering various types of electron-hole pair recombination in the oxide, the two stage hydrogen model has been improved. By use of this model, the density of radiation induced interface traps can be simulated by the numerical method, and then an analytical model is proposed and verified by the numerical results. Therefore, an analytical model is then developed for the transition dose rate between the high and low dose rate responses. Secondly, by introducing and controlling molecular hydrogen concentration in test samples, the transition dose rate shifts more to higher dose rates and the low dose rate saturation values increases. Thereby, the low dose rate radiation effect can be modeled and characterized in the higher dose rate accelerated tests. Finally, this project is focus on the numerical simulation and sensitivity analysis on the radiation effects of bipolar linear circuit. Based on the TCAD simulation from device level to circuit level, the sensitivity parameters and circuit modules can be determined and it is very useful for ICs' hardness design.

低剂量率辐射损伤增强效应（ELDRS）是双极型器件与线性电路在空间极端环境下所面临最严重的可靠性问题之一。本项目拟建立一种既反映双极型器件的低剂量率辐射效应、又相对节省机时和费用的高剂量率加速试验方法。.本项目首先拟通过研究双极型器件的低剂量率辐射损伤机理，在考虑氧化层内电子-空穴对各类复合反应的基础上，改良两级氢分子模型，对各种剂量率环境下辐射诱生界面态进行数值仿真并建立相关的解析模型；基于该模型，合理定义双极型器件的ELDRS转换剂量率并建立计算模型。其二，对样品进行前期掺氢处理以提高其转换剂量率；基于转换剂量率模型选择合适的辐射剂量率，由此在高剂量率地面环境下模拟与评估器件在低剂量率空间环境下的辐射损伤效应。最后，基于从器件级到电路级的计算机仿真，对双极线性电路的辐射效应进行数值模拟与敏感性分析，确定其辐射敏感电学参数与敏感模块，为集成电路抗辐射加固设计提供理论基础。

本项目针对双极型器件与线性电路的总剂量辐照效应、低剂量率辐照损伤增强效应与辐照敏感性分析展开试验与理论研究，初步形成双极型器件基于掺氢预处理的低剂量率辐照损伤增强效应的地面加速试验方法，并初步构建基于低频噪声的半导体器件辐照退化表征方法。..首先，针对双极型器件（包括NPN器件与PNP器件）的电离辐照效应开展试验与仿真研究，系统研究了辐照剂量率、电学偏置对双极型器件辐照退化的影响，明确高、低剂量率下双极型器件的辐照最劣偏置，并基于空间电荷模型对其展开机理解释，形成相关的解析模型。.随后，构建双极型器件掺氢预处理装置，并对双极型器件展开掺氢预处理试验；基于飞行时间二次离子质谱仪，对掺氢前后双极型器件钝化层内的氢、SiOH等含量进行表征，为加速试验方法的物理机制研究提供第一手理论数据。基于掺氢预处理方法，对双极型器件进行高、低剂量率辐照试验，初步形成双极型器件低剂量率辐照损伤增强效应的地面加速试验方法。..再次，针对典型双极线性集成电路的电离辐照效应开展试验与理论研究，系统研究了辐照剂量率、电学偏置对双极线性电路辐照退化的影响；基于电路仿真分析，并结合双极型器件的低剂量率辐照效应，明确双极线性电路的辐照敏感单元与敏感参数，构建双极线性电路辐照效应的敏感性分析方法，对试验进行解释，为抗辐照加固设计提供第一手试验与敏感性分析数据。..按照上级机关要求及合作单位需求，补充双极线性电路单粒子效应的试验与敏感性分析研究。基于重离子地面模拟试验、脉冲激光试验与电路仿真，初步研究了双极线性电路的单粒子瞬态脉冲效应，明确双极线性电路单粒子效应的敏感单元与敏感参数，为抗单粒子加固设计提供第一手试验与敏感性分析数据。.最后，针对项目中对界面态与氧化层固定电荷等缺陷态的定量提取与分析需求，基于低频噪声测量构建半导体器件辐照退化表征方法。研究结果表明低频噪声相较于其他参数对辐照更加敏感。本项目构建低频噪声测量系统，不仅应用于双极型器件辐照退化表征，还将其应用于MOS、SOI、TFT等半导体器件的辐照退化表征中，为58所抗辐照工艺线评价与可靠器件无损提供一种新型表征方法。