电离总剂量辐射效应及加固方法解析.docx

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电离总剂量辐射效应及加固方法解析

一、辐射环境................................................................................................................2

1.1范艾伦辐射带..................................................................................................2

1.1.1内辐射带（InnerBelt）.......................................................................3

1.1.2外辐射带（OuterBelt）.......................................................................3

1.2宇宙线辐射环境..............................................................................................3

1.2.1银河宇宙线............................................................................................3

1.2.2太阳宇宙线............................................................................................3

1.3核爆辐射环境..................................................................................................4

1.4存在电离总剂量辐射的环境..........................................................................4

二、总剂量辐射损伤的产生机理................................................................................4

三、电离总剂量辐射对器件的影响............................................................................6

3.1总剂量辐射对NMOS晶体管关态漏电流的影响........................................6

3.2总剂量辐射对VDMOS晶体管1/f噪声的影响...........................................7

3.3总剂量辐射对SRAM静态功耗电流的影响................................................8

3.4总剂量辐射对SRAM功能的影响................................................................9

四、针对辐射损伤所采取的辐射加固方法................................................................9

4.1环形栅结构....................................................................................................10

4.2H形栅结构.....................................................................................................13

4.3P+保护环......................................................................................................15

4.4厚场氧旁附加薄场氧层..............................................................................16

电离总剂量辐射效应及加固方法解析

起草人：

丛忠超

一、辐射环境

辐射环境主要包括空间自然辐射环境和人造辐射环境两种。

其中，空间辐射

环境又可以分为范.艾伦辐射带和宇宙射线两种，而人造辐射环境主要是指核武

器爆炸和地面辐射模拟源两种。

下面针对上述辐射环境进行详细介绍。

1.1范艾伦辐射带

所谓地球辐射带就是指那些存在于地球周围的高能粒子集中的区域，一般存

在于近层宇宙空间中，即距离地球100公里到几百公里的空间。

它是由美国科学

家詹姆斯·范艾伦于1958年根据美国第一颗卫星的空间粒子探测得出结果推测发

现的，因此被称为范·艾伦辐射带。

范.艾伦辐射带是由地磁场俘获高达几兆电子

伏的电子以及高达几百兆电子伏的质子组成，其中只有很少百分比像O+这样的

重粒子，其分布结构图如2.1所示。

由图可知，高能质子与高能电子主要分布在

两个对称的集中区域，在赤道附近呈环状绕着地球，并向极地弯曲，这两个区域

分别被称为内辐射带和外辐射带，简称内带与外带，其中距离地球较近的称为内

带，距离地球较远的称为外带，它们共同组成了范艾伦辐射带，下面将分别介绍

内带与外带。

图1地球辐射带结构示意图

1.1.1内辐射带（InnerBelt）

内辐射带简称内带，高度在1～2个地球半径之间,范围限于磁纬度±40°之间。

内带中含有大量的高能质子和电子，当无太阳质子事件且地磁扰动不大时，内辐

射带中高能质子和电子的空间分布和强度相当稳定，称之为稳定的内辐射带。

它

并不是永远不变的，还受地磁场长期变化的影响，而使辐射带的空间分布和强度

的发生变化，空间分布的长期变化与南大西洋负磁异常区的变化趋势基本一致，

强度的变化则要进行大量的探测。

内带中对卫星和宇航员的威胁主要来自高能的

质子。

1.1.2外辐射带（OuterBelt）

外带不同于内带，其带电粒子数具有较大的变化区间，其差别最大可以达到

100倍。

外带距离地球相对于内带远一些，高度大约在3～4个地球半径之间，

起始高度为13000～19000公里，跨度约为6000公里，范围可延伸到磁纬度50°～

60°。

外带相对比较稀薄，并且外带中的带电粒子的能量要比内带小，但是已经

远远超过外大气层中粒子的热运动能。

然而，不同于内带，外带中对卫星和宇航

员的威胁主要来自高能的电子，而并非质子。

1.2宇宙线辐射环境

宇宙线辐射环境是由银河宇宙线（GCR）和太阳宇宙线（SCR）所组成，他

们分别是来自太阳系以外银河深处的高能带电粒子和伴随太阳耀斑事件发射的

高能带电粒子流。

1.2.1银河宇宙线

它的主要组成元素是氢和氦，动能在2.4×109电子伏以上的粒子中，氢和氦

分别占94%和5.5%，其他元素只占0.5%。

然而，银河宇宙线的化学组成与太阳

的化学组成非常相似。

但是，例外的是轻元素（Li、Be、B）和化学元素周期表中

在Fe以前的元素丰度特别高，这是银河宇宙线中的元素（C、N、O）和Fe与星际

气体相互作用,发生核反应的结果。

1.2.2太阳宇宙线

由太阳耀斑爆发而向外发射的宇宙线的主要成分为高能质子，同时还包括少

量的α粒子、重离子和电子。

太阳宇宙线有明显的方向性，即各向异性。

在事件

开始阶段，各向异性很大，能够达到20～25%，方向明显地沿日地联线偏西的行

星际螺旋线方向，这说明粒子最初是沿螺旋磁力线到达观测点的。

太阳宇宙线经

过行星际磁场和等离子体的调制，在地球附近粒子密度分布趋于均匀，因此沿螺

旋线的各向异性也变小。

值得注意的是，各向异性逐渐转到日地联线即太阳风的

方向。

这说明除了沿磁力线的扩散外，还有随太阳风对流的输运过程。

1.3核爆辐射环境

核爆炸所形成的人造辐射带对空间自然辐射带的增强效应主要是由核爆炸

放射性碎片发生β衰变时产生的高能电子被地磁捕获所引起的。

核爆炸产生的辐

射环境与爆炸方式（高空，低空，地面，水面，地下）以及核武器的具体设计有

很大差别。

这里对高空核爆产生的辐射环境的特点作一简要介绍。

高空（高度﹥

1000km）核爆炸生成的辐射环境可以分为瞬时辐射环境和持续辐射环境。

瞬时

辐射环境的作用时间一般不会超过10～15秒，主要有X射线、γ射线的电离辐

射剂量和辐射剂量率及其在电子系统引起的瞬态效应、中子及其位移效应[31]。

高空核爆炸瞬时毁伤因素消失以后，含有裂变碎片的爆炸产物以碎片云的形态迅

速膨胀和上升，其中的剩余核辐射就是持续辐射环境中的辐射源，持续辐射主要

是由于裂变产物放射性以及被地磁场捕获并在其中运动的带电粒子流（主要是电

子流）。

放射性污染释放的β和γ射线都会长时间作用于目标，构成潜在的威胁。

1.4存在电离总剂量辐射的环境

综上所述，无论是空间辐射环境还是人造辐射环境，其最基本原理都是辐射

粒子或光子与靶原子相互作用。

能够引发电离总剂量的辐射粒子主要有：

带电粒

子（质子、电子和重离子等）和光子（X射线和γ射线），含有上述粒子的辐射

环境有范.艾伦辐射带、银河宇宙线、太阳宇宙线及核武器爆炸产生的辐射环境。

二、总剂量辐射损伤的产生机理

当航天器和武器型号中所使用的电子元器件工作在电离总剂量辐射环境中

时，会遭遇高能粒子及光子的轰击，其工作参数及使用寿命不可避免地会受到影

响和危害，严重时可引起航天系统失效，甚至导致不可想象的航天事故。

电离总

剂量辐射对半导体元器件的影响主要体现在隔离二氧化硅层中，如：

MOS结构

的栅氧化物、隔离氧化物和SOI器件的BOX埋氧层等等，图2为电离总剂量辐

射在MOS结构的LOCOS结构和STI结构中产生的辐射感生电荷示意图。

图2辐射在LOCOS和STI中产生的辐射感生电荷

下面介绍半导体元器件的二氧化硅层中的总剂量辐射损伤产生机理。

辐射产

生的电子会在几皮秒的时间内被扫出氧化层并被栅电极收集，而空穴会在栅极电

场的作用下向Si/SiO2界面处缓慢运动，如图3所示。

然而，有些电子还没有来

得及被扫出电场就已经又和空穴复合了。

没有发生复合反应的那部分电子空穴对

被称为净电荷量。

没有被复合的空穴会在氧化层中以局域态的形式向界面处做阶

跃运动。

当空穴运动到界面附近时，一部分会被界面处的空穴陷阱俘获，形成带

正电的氧化物陷阱电荷（Not）。

曾有人认为在空穴向界面处做“阶跃运动”或被界

面处的空穴陷阱俘获时可能会释放H+离子（质子）。

H+离子在正电场的作用下也

会向界面处运动，并与那里未成形的悬挂键发生反应，从而形成界面陷阱电荷

（Nit）（界面态）。

对于P沟道晶体管，界面陷阱电荷（Nit）呈正电性，对于N

沟道晶体管，界面陷阱电荷（Nit）是呈负点性的。

上述两种辐射感生电荷是所有

电离总剂量辐射损伤的根源。

图3栅极加正电压的MOS结构能带图，展示了辐射诱生电荷的形成过程

三、电离总剂量辐射对器件的影响

总剂量辐射损伤会在电子元器件的二氧化硅层中产生固定氧化物电荷和界

面陷阱电荷，这两种辐射诱生电荷会对器件的参数及功能产生影响，如：

MOS

晶体管的阈值电压漂移、关态漏电流增加、噪声增加和电子迁移率降低等等。

而

对于CMOS电路来讲，则会有输出电压下降、静态功耗降低和传输延迟时间增

加等影响。

下面针对具体器件介绍电离总剂量辐射损伤对半导体器件性能的影

响。

3.1总剂量辐射对NMOS晶体管关态漏电流的影响

图4是0.18um的NMOS晶体管的转移特性曲线随总剂量的变化关系曲线，

试验样品来自中科院上海微系统所。

由图可知，NMOS晶体管的关态漏电流随

总剂量增加而增大，这是因为总剂量辐射在NMOS晶体管的二氧化硅层中产生

辐射感生电荷，如图2所示，从而导致晶体管在关闭状态下就存在寄生的漏电流。

图40.18um工艺NMOS晶体管的漏电流随总剂量变化关系

3.2总剂量辐射对VDMOS晶体管1/f噪声的影响

总剂量辐射也会影响电子器件的噪声参数。

通常器件的噪声是由三部分组

成，即由白噪声、1/f噪声和g-r噪声。

器件的噪声功率谱密度可以写成：

其中A、B/fγ和C/[1+（f/f0）a]分别为白噪声、1/f噪声和g-r噪声。

总剂量辐射主

要会影响器件的1/f噪声。

图5为VDMOS器件的1/f噪声幅值与频率指数因子γ随总剂量辐射的变化关

系曲线。

由图可知总剂量辐照后VDMOS器件的1/f噪声参数发生了变化。

若要分

析这种变化关系，应先从1/f噪声定义入手，业界认为，载流子与二氧化硅界面

上或者界面附近的缺陷陷阱交换电荷引起载流子数量涨落和沟道迁移率涨落是

产生1/f噪声的原因[1]。

图5VDMOS器件的1/f噪声参数随总剂量辐射的变化关系

3.3总剂量辐射对SRAM静态功耗电流的影响

上述损伤都是针对单个晶体管器件而言的，那么，总剂量辐射对那些由晶体

管组成的集成电路的工作参数及功能有何影响呢?

下面将以静态随机存储器为

例，具体介绍下总剂量辐射对集成电路的性能的影响。

图6为SRAM的静态功耗电流IDD随总剂量的变化关系曲线，试验样品采用

IDT公司生产的IDT71V124SA，两条曲线分别代表采用在线测试系统和离线测试

系统所得数据。

观察图6可知，SRAM静态功耗电流在辐照初期并没有太大变化。

但是，当总剂量增加到600Gy左右时，随着总剂量的继续增加，静态功耗电流呈

指数增加。

这种功耗电流的增加将对器件的使用及系统的正常工作带来严重威

胁。

图6静态随随机存储器的静态功耗电流随总剂量的变化关系曲线

3.4总剂量辐射对SRAM功能的影响

总剂量辐射损伤除了会影响SRAM的电参数之外，还会导致SRAM出现功能

失效及存储单元翻转。

表1给出了静态随机存储器在不同的测试图形条件下功能

测试结果随总剂量的变化关系。

由表1可知，当总剂量达到1000Gy时，SRAM出

现了功能失效，即无法完成正常的写读操作。

表1IDT71V124SA的功能测试结果

测试图形辐照前400Gy700Gy1000Gy

Galrow通过通过通过失败

Galcol通过通过通过失败

March_6N通过通过通过失败

Checkerboard通过通过通过失败

Solid通过通过通过失败

四、针对辐射损伤所采取的辐射加固方法

通过第三章介绍可以知道总剂量辐射损伤会对半导体元器件的性能参数产

生致命的影响，在高精度和高稳定性的航天系统和武器系统中决不允许出现上述

或者类似情况。

因此，航天及战略武器用电子元器件通常会采取相应措施来减小

或避免总剂量辐射对器件性能的影响，即对器件及系统进行抗总剂量辐射加固。

目前存在的器件级加固方法主要有两种，即工艺加固和结构加固。

下面针对结构

加固做进一步介绍。

前面说过，辐射感生的固定氧化物电荷和界面陷阱电荷是导致所有总剂量辐

射效应的根源，而在多种效应中属辐射导致的寄生漏电流对器件的性能影响最为

显著。

CMOS结构作为大部分数字集成电路的组成单元，其总剂量辐射损伤具有

一定的代表性。

总剂量辐射在CMOS结构中产生的漏电流有两种，它们分别为

边缘漏电流（图7中的路径1）和场氧漏电流（图7中的路径2）。

图7总剂量辐射在CMOS结构中产生的漏电路径

针对上述两种辐射诱生漏电流，可通过不同结构设计方法来消除其影响，目

前常用的方法有：

环形栅结构、H形栅结构、P+保护环等方法。

下面将对这几种

抗总剂量辐射加固方法进行详细介绍。

4.1环形栅结构

如图7可知，MOS结构的栅极通常为长条形式，通常称为“条形栅”。

随着

半导体工艺技术进入深亚微米、乃至超深亚微米范围，MOS结构的栅氧化层厚

度也随之减小。

当栅氧化层厚度减小到一定程度时，总剂量辐射已无法在其中产

生大量的辐射感生电荷，加上沟道电子可以通过遂穿效应进入氧化层中和部分辐

射感生电荷，最终使总剂量辐射对薄栅氧层的影响可以被忽略。

但是，厚度相对

较厚的隔离氧化层中仍然可以在辐射作用下产生大量的辐射感生电荷，如图8所

示。

栅极边缘处的辐射感生电荷会使附近半导体出现反型，从而形成漏电路径，

如图9所示，这个寄生电流称为边缘漏电流。

图8沿栅宽方向MOS结构横截面

图9总剂量辐射诱生CMOS边缘漏电模型

图10给出了NMOS晶体管的转移特性曲线随总剂量的变化关系曲线。

由图可

知，当总剂量达到250krad时，NMOS晶体管开始出现边缘漏电流，并且随着总

剂量的增加，器件的漏电流也呈增加趋势。

图10辐射诱生CMOS边缘漏电试验结果（0.35umCMOS体硅工艺）

由图8可知，边缘漏电流是由条形栅边缘处存在厚度较大的“鸟嘴”区，因

此，若要想减小边缘漏电流的影响，可以通过消除栅极的边缘部分来实现。

然而，

环形栅可以很完美的解决边缘漏电的问题。

图11是条形栅与环形栅的对比图。

图11条形栅与环形栅的对比图

由图11可知，环形栅中心通常为漏极，外圈通常为源极。

决定这种结构的原

因有以下两点：

一是环形栅里面的有效面积比外面环的有效面积小，这样可以减

少漏极与沉底之间的寄生电容和漏极与源极之间的交叠电容。

二是在电路中共源

极的管子比较多，将源极放在外面可以与其他的管子公用，相当于节省芯片面积。

图12环形栅MOS结构截面图

观察图12发现，从源极到漏极之间唯一的氧化层就是厚度很小的薄栅氧层无

其他的隔离氧化物，并且薄栅氧层具有较好的抗总剂量能力，因此环形栅这种器

件结构可以很有效的抑制总剂量辐射引起的边缘漏电效应。

图13为台积电0.25um工艺环栅结构总剂量辐照前后的转移特性曲线对比图。

由图可知，辐照总剂量达到2Mrad时，MOS结构还未出现边缘漏电现象。

这是因

为环形栅结构去掉了栅极边缘处的厚栅氧层部分，消除边缘漏电流。

图13环栅MOS结构的转移特性随总剂量的变化关系

但是环形栅也存在一定的缺点，环形栅结构占用芯片面积大，并且，晶体管

工作需要一定的宽长比，采用环栅结构就无法使用工艺的最小尺寸。

4.2H形栅结构

观察图7和图14可以发现，总剂量辐射不仅可以在CMOS结构中产生边缘漏

电流，而且还会产生很大一部分的场氧漏电流，如图14中红色箭头部分所示。

场

氧漏电流主要是由总剂量辐射在厚度较大的隔离氧化物中产生大量的辐射感生

电荷，从而导致隔离氧化物下面的载流子出现反型，形成漏电所产生的，漏电路

径是由NMOS管的源极和漏极到PMOS管的N型沉底。

图14总剂量辐射诱生CMOS场氧漏电模型

场氧漏电也是辐射感生漏电流的重要组成部分，因此，为了降低辐射对器件

漏电流的影响还应该考虑通过工艺结构来控制场氧漏电的形成。

主要有3中办法

来控制CMOS结构中的辐射诱生漏电流，它们分别为H型栅结构、P+保护环和厚

场氧旁附加薄场氧层。

图15是常规情况下总剂量辐射在CMOS结构中形成的场氧

漏电路径。

由图可知，在没有任何保护措施的情况下，辐射导致场氧层下面的界

面反型，形成了一条由NMOS的源极和漏极到PMOS的N型沉底的漏电路径。

因

此，若要想消除总剂量辐射所产生的场氧漏电，就必须将场氧层下面的漏电路径

“截断”。

图15总剂量辐射在CMOS结构中形成的场氧漏电流

H型栅结构是将NMOS晶体管的源极和漏极的三面全部包围起来，如图16所

示。

由于H型栅在“条型栅”边缘处也存在一段的很薄的栅氧层，因此，H型栅

也可以消除边缘电流的影响。

同时，H型栅在厚度较大的隔离氧化物与NMOS晶

体管的有源区之间提供了一段厚度很小的栅氧化层，如图17所示，这个薄栅氧层

提供了一个很好的隔离作用，将总剂量辐射在后场氧下面形成的漏电路径“夹

断”，但是这个夹断只是相对的，并非真正意义上的夹断。

因为，当栅极不加偏

置时，场氧漏电是被夹断的，但是当栅极加正压时还是会存在一定的场氧漏电流

的。

图16H型栅的NMOS结构图

图17H型栅CMOS结构的截面图

4.3P+保护环

除了采用H型栅结构来消除辐射诱生的场氧漏电流以外，还可以通过在

NMOS周围制作一个P+保护环来实现场氧漏电路径的夹断，含有P+保护环的

CMOS结构截面图如图18所示。

对比图17与图18可知，P+保护环是在厚度较大的

隔离场氧层中制作一层P+区。

通过这种方式也可以达到夹断场氧漏电路径的效

果，因为P+区的正电荷会抵消总剂量辐射在隔离氧化物中产生的辐射诱生电荷，

从而是P+区的界面无法反型，即夹断了辐射诱生的场氧漏电流。

图18制作P+保护环的CMOS结构截面图

4.4厚场氧旁附加薄场氧层

另一种减小场氧漏电流的方法是在厚的场氧旁增加一段薄的场氧。

因为薄的

场氧阈值电压偏移比较低，可以在一定程度上防IE寄生晶体管的开启。

如图19

所示：

图19在厚场氧层周围做薄场氧层与未做场氧层对比图

参考文献

[1]DANELMF．MicrostructuresofdefectscausingnoiseinMOS

devices[J]．TheInternationalSocietyforOpticalEngineering，2003，

5112：

259-270．

[2]沈鸣杰CMOS工艺集成电路抗辐射加固设计研究.硕士论文

[3]田海燕，胡永强.抗辐射版图研究.期刊

[4]唐晨，孙伟锋，陆生礼.P+保护环抗栓锁效应.期刊

[5]JamesR.S,MartyR.S，DanielM.F，RadiationEffectsinMOS

Oxides.期刊