电子元器件的微剂量效应研究进展

闫逸华 范如玉, 郭晓强 林东生 郭红霞 张凤祁 陈 伟

1（清华大学工程物理系 北京 100084）

2（西北核技术研究所 西安 710024）

微剂量学起源于20世纪40年代对生命细胞辐射效应的研究[1–4]，考察微小剂量在细胞尺度内的能量沉积分布及其对人体的危害，当时发展起来的LET值概念(Linear Energy Transfer：传能线密度)，就是最接近微剂量学基本概念的物理量。

电子元器件的微剂量效应研究则起步较晚，由于受体特征差异，效应的概念内涵和损伤表征均有所不同。20世纪90年代初，由研究者在SRAM器件的重离子辐照实验中发现“固定位”(stuck bit)错误时首次提出[5]，认为这是由单个高LET值重离子在其径迹周围沉积的局域总剂量所引起的微剂量失效。不同于单粒子翻转引起的软错误，单元存储状态在辐照后无法改变，而是固定在一个高(低)电平上，发生了永久性失效。

微剂量效应对辐射场环境和器件的结构特征具有强烈的依赖性，发生概率虽低，但风险高。由于设备条件的限制，地面模拟源并不能与空间的高能粒子相当，也不可能对所有类型的器件开展考核实验，这就限制了对微剂量效应的研究。在进行机理分析时，一些常用的平均值概念(如LET值)也将受到限制，必须结合器件特征并同时考虑粒子径迹上能量沉积的随机性分布，因而增加了理论工作的难度。所以，国内外针对微剂量效应的研究仍较零散，有待进一步的机理分析和规律总结。

本文介绍高能粒子所致电子元器件微剂量效应的研究现状，以及几种典型器件的失效现象和机理分析，并结合半导体工艺发展趋势，探讨微剂量在未来器件中的影响，评估其对电子元器件的危害。

1 国内外研究现状

国外的微剂量效应实验研究开展较早。1991年，Koga等[5]在商用 SRAM 器件的重离子辐照试验中，首次发现单个重离子引起的局部总剂量失效，后在4T DRAM和1T/1C SDRAM单元中也观察到微剂量失效[6,7]。2001年，Giorgio等[8]在浮栅型存储器的辐射效应研究中，发现重离子辐照会引起浮栅存储单元阈值电压的显著漂移，也会导致器件的读写功能失效或工作电流异常等现象。2007年，Shanefelt等[9]在沟槽型功率MOSFET的重离子、质子以及中子辐照实验中，发现微剂量效应的危害性远大于等水平的总剂量效应。

我国对微剂量效应的研究开展较晚，相关研究结果较少。北京大学微电子系进行过相关的数值模拟，针对小尺寸MOS器件提出采用优化的STI隔离区沟道侧壁倾角结构，以抑制单粒子辐照在MOS器件中引起的微剂量效应[10]。西北核技术研究所对沟槽型功率场效应管开展实验研究，进行了微剂量效应的现象捕捉和特性分析[11]。

综合现有研究结果，不少广泛应用的主流存储元件均受到了微剂量效应的影响，包括各种易失性存储器(SRAM[5,12–15]，DRAM[6,16]，SDRAM[7,17])及非易失性存储器(Flash ROM[8,18])。近些年来在新型功率器件的考核试验中也发现，极低通量水平的重离子就会导致器件亚阈特性的显著退化，其影响远高于相应剂量水平下的总剂量效应[9,19,20]。这说明现行的总剂量考核方法不足以反映微剂量效应在某些器件中的危害，因此对微剂量失效机理开展研究，对器件的抗辐射性能考核具有重要意义[20]。

2 微剂量效应的主要失效机制

单个高能粒子在其径迹周围的局域空间内所沉积的剂量称为微剂量，研究表明，器件微剂量效应主要存在两种失效机制，局域总剂量效应和强库仑斥力作用，其中第一种更为普遍。

其一，当晶体管的特征尺寸与宇宙射线产生的电离径迹直径可相比拟时，单个粒子射入器件后，通过直接或间接电离的方式，在氧化层中产生的陷阱电荷以及在 Si/SiO2界面处产生的界面态缺陷足以引起器件的局部总剂量失效，从而造成器件的永久性损伤，其作用机理与总剂量效应类似(图1)[21]。

图1 SiO2中局域总剂量所引起的失效机制示意图[21]Fig.1 Sketch of the failure mechanism induced by the localized total dose in SiO2[21].

其二，若重离子的LET值足够高，入射绝缘体材料后会导致径迹周围的原子发生高度电离，电离原子间的库仑排斥力过大，最终导致化学键断裂，电离原子在斥力作用下发生分离运动，使绝缘材料特性受到影响，从而导致器件性能的下降(图2)[22]。

微剂量效应兼具总剂量效应的失效永久性与单粒子效应的随机性。与单粒子效应的辐射感生载流子直接参与输运不同，微剂量效应损伤是通过辐射感生缺陷间接影响载流子输运；与总剂量的均匀剂量分布不同，微剂量在空间分布上具有局域性特点。

常见的单粒子现象（单粒子翻转、单粒子闩锁、单粒子瞬态、单粒子功能中断及单粒子栅穿等)，均为入射粒子在体硅中电离产生的电子-空穴对直接参与载流子输运而直接或间接引起的失效，而微剂量效应关心的，则是单个高LET值的重离子作用于氧化层 SiO2后，电离产生的电子-空穴对被陷阱俘获，从而在其径迹周围的局域空间内沉积了极高剂量，并最终导致器件特性发生永久性退化。单粒子效应所引起的软错误可通过重新加电等方式得以恢复，而微剂量所引起的硬错误却不可恢复。此外，累积电离辐射所导致的总剂量在整个器件内均匀分布，而单个粒子沉积的微剂量仅分布在其径迹周围，其发生也具有随机性。微剂量在器件和电路中最终引起的失效现象取决于受损单元在电路中的作用：存储单元受损会导致数据错误；逻辑单元受损则会引起器件的功能错误；功率器件受损后I-V特性会发生退化。

图2 绝缘体中强库仑排斥力效应所引起的失效机制示意图[22]Fig.2 Sketch of the failure mechanism induced by the coulomb repulsive force effect in the insulator[22].

3 微剂量效应在典型器件中的失效表征

微剂量效应会导致MOSFET亚阈特性的变化，在具有特殊结构的沟槽型功率器件中尤为显著[9,20]。存储单元中的MOSFET若受微剂量影响而漏电增大，会导致“固定位”错误的发生，即某些位的状态无法改变，而是固定在了“0”或“1”的电平状态上，这也是微剂量失效的标志性现象。“固定位”失效发现于商用SRAM的重离子辐照试验中[5,15]，后在DRAM[5]以及Flash ROM中也都有发现[23–25]。由于器件结构不同，失效判据也略有不同。在MOS结构为主的易失性存储器中，主要是由局域总剂量引起的漏电增长所致；而在非易失性存储器件中，则主要是强库仑斥力在绝缘材料中引起的结构退化，从而导致的绝缘特性下降引起。

以当时工艺水平下的 4T SRAM 单元为例(图3)，如果 N1管的漏电流大于可能流过电阻R1的最大电流，则节点 A将再不能被充电至高电位，N3不能被打开，这个位的状态不再发生改变，从而发生“固定位”错误。由于DRAM单元通过在被晶体管隔离的电容上存储电荷实现数据存储，而微剂量效应会导致门控晶体管漏电增大，加速电荷流失，当数据保留时间小于外电路的刷新时间后就会发生数据丢失。错误检测与纠正电路(EDAC)通常可以修正单粒子引起的扰动，却无法修正“固定位”错误。与DRAM失效判据类似，SDRAM中也观察到了固定位失效[7,17]，但机理解释尚存争议。

图3 带有负载电阻的4T SRAM示意图Fig.3 Sketch of a 4T SRAM cell.

不同于SRAM和DRAM等非易失性存储器，以Flash ROM为代表的非易失性存储器，通过在被绝缘介质隔离的浮栅上注入电子实现数据存储。其中绝缘介质即隧穿氧化层的性能是影响浮栅电荷保留时间的主要因素，通常情况下其数据保留时间可达数十年。而在高 LET重离子辐照的 NAND型Flash ROM中发现，辐照后重写正常的单元，放置数天后电荷就会流失(图 4)[23–25]。此外，由于生产工艺的原因，浮栅存储器外围电路中的 MOS器件通常具有较厚的栅氧，因而具有较高的辐射敏感性[26]。微剂量效应也会对浮栅存储器的外围控制电路(如页面缓存器、地址译码器或者电荷泵电路)产生影响，从而导致整个芯片的功能发生异常，如整页的读写出错、工作电流的异常、甚至读/写/擦除功能的丧失等[26–30]。

图4 NAND Flash经重离子辐照并重写后，阵列阈值电压分布随时间的变化图[31]Fig.4 Variation of threshold voltage distribution in NAND flash ROM programmed after hit by high-LET heavy ions[31].

沟槽型功率MOSFET是在VDMOS的基础上发展起来的一种具有垂直结构的新型功率器件，对微剂量效应极为敏感[9,20]，且重离子辐照下器件漏电水平远大于相应剂量水平的总剂量效应(图5)，这是首次在实验上发现微剂量效应的危害要大于总剂量。Kuboyama等[19]发现，在重离子辐照下器件阈值电压会发生阶跃变化，即作用于敏感面积上的单个离子足以导致器件亚阈电压的显著退化。已知重离子和质子的净电荷产量低于γ射线，如果其他条件相同，60Co γ射线的影响应大于质子和重离子，而实验结果则相反。在等效总剂量均为10 Gy (SiO2)时，γ射线和电子引起的漏电流比质子小～20倍，比铜离子小～65倍[20]。说明单纯利用γ射线或电子束对电子进行抗辐射性能考核，会低估器件在重离子和质子环境中的退化，须考虑微剂量效应影响[20]。

图5 沟槽型功率MOSFET受γ射线辐照(a)和33 MeV的Au离子辐照(b)前后的结果对比[9]Fig.5 Pre and post-irradiation I-V curves for trench power MOSFET irradiated with 60Co γ-rays (a) and 333-MeV gold ions (b)[9].

4 微剂量效应的主要影响因素

4.1 与重离子属性的关系

由微剂量效应的两种作用机制及在典型器件中的失效表征可知。微剂量失效的发生不仅与器件的工艺和结构特征有关，也与离子的属性和入射位置等密切相关。存储器中固定位的失效截面比SEU小几个数量级，且只在离子的LET值较高时才会发生(SRAM 中：LET>30 MeV·cm2/mg[5]，DRAM：80 MeV·cm2/mg[5]， Flash ROM：77.3 MeV·cm2/mg[25])。说明当离子LET值足够高时，单个离子在栅氧中沉积的局域总剂量才足以引起 MOSFET关态漏电流的显著增长；或导致径迹周围的原子发生高度电离，电离原子在较大库仑排斥力作用下发生分离运动，引起化学键断裂从而导致材料的绝缘特性下降[22]。

此外，在SRAM器件的辐照实验中发现，即使离子的LET值相当，但能量不同时，固定位失效的位数也有很大不同；而在沟槽型功率MOSFET的重离子辐照实验中发现，失效截面仅用 1/As(As：灵敏面积)来表达是不够的，必须同时考虑其径迹结构的宽度和入射角度等因素[19]。Loquet等[32]在仿真中发现，器件漏电水平会因陷阱电荷的空间分布的峰值和展宽差异而不同。假设界面态电荷由呈矩形分布但幅值不同的Ninv和Nuni组成(图6)。当Ninv确定时，漏电流会随着Nuni增长而逐渐增长；当Nuni确定时，漏电流随着Ninv的增长则迅速达到饱和；而单纯的Ninv或Nuni均不足以引起漏电的显著变化。

图6 界面陷阱电荷密度的近似矩形模拟[32]Fig.6 Square-shaped interface trapped charges distributions profile used to study track structure effects[32].

上述结果说明，单个粒子沉积的微剂量引起漏电的显著变化需兼具两个条件：首先，粒子径迹宽度足够大，能够在沟道区产生覆盖面较宽的界面态电荷，从而增加沟道的导电率，即使其幅值较低（如Nuni）；此外，能够在某局部区域产生幅值较高的界面态电荷区，引起沟道区的强反型从而为沟道导通提供载流子源，即使其覆盖面很窄(如Ninv)。二者兼具才能导致有源区(源端和漏端)的导通。因而微剂量失效对离子属性及其产生的径迹特征具有强烈的依赖性，只有综合考虑离子LET值、能量E及入射角度等因素，才能对其失效截面给出合理地解释。

4.2 与器件工艺特征的关系

由于微剂量效应的作用敏感区为氧化层区，随着半导体工艺的不断发展，尤其是氧化层厚度的不断减小，基于不同作用机制的微剂量失效的影响趋势也各有差异。

首先，由于基于局域总剂量效应的微剂量失效与氧化层厚度及沟道区或隔离区的掺杂浓度有很大关系，与总剂量效应类似，由俘获陷阱电荷造成的阈值电压的漂移值会随着栅氧厚度的平方而减小；同时由于沟道区或隔离区的掺杂浓度不断增大，使得俘获陷阱电荷能够引起局域强反型并导致有效漏电的难度增大。虽然微剂量失效的出现是由于器件特征尺寸的减小，但在当前工艺水平下，随着器件特征尺寸的继续减小，基于局域总剂量效应的微剂量失效的影响反而减弱。

其次，因基于强库仑斥力机理的微剂量失效会导致氧化层的结构应变及绝缘性下降，其危害会随氧化层厚度变薄而加剧。如浮栅型存储单元通过在浮栅上存储电荷实现数据的存储，而隧穿氧化层绝缘性能的下降则会直接导致数据保留时间的减少。

5 存在问题与发展趋势

总体而言，微剂量效应的研究还较零散，对单个离子作用的微观机制的研究有待深入，对微剂量失效表征的判断尚存争议，且缺乏相关的测试方法和考核标准。

首先，器件结构特征对微剂量效应的敏感性具有较大影响，但缺乏针对不同类型器件的系统性研究，失效敏感位置的判断也有争议。早期研究认为：“粘位”失效由单个重离子打击栅氧后，引起阈值电压漂移及漏电增大而导致的。Oldham[14]预言，由于VTH的漂移会随栅氧厚度的平方而不断减小，当SRAM器件的栅氧厚度减小到7 nm后，微剂量引起的“粘位”现象将会消失，但实际情况并非如此。Loquet等[32,33]的模拟计算表明，即使多个离子同时轰击栅氧，漏电水平仍不足以导致“粘位”的发生，而轰击鸟嘴区却可引起较大漏电。因此，应针对典型器件开展考核实验，获取微剂量失效截面，并结合仿真计算，探索失效敏感区及其与器件特征尺寸的关系。

其次，微剂量失效通常伴随微损伤失效，但实验中颇难区分二者。Swift等[6]在单管DRAM的重离子辐照中发现，器件错误分为两种：一种与单粒子总剂量失效一致，另一种则明显不一致，不依赖于 LET值，且退火后也不消失。Edmonds等[7]在1T/1C SDRAM中发现重离子辐照引起的“粘位”失效现象，认为是由微剂量效应引起，但七年后推翻这一结论，认为其无法解释实验中所观察到的极小的反应截面，而只有微损伤机理才符合这一结果[17]。所以，对两种微观机制的深入研究和失效表征的区分，尚有待进一步研究。

最后，因微剂量失效对离子属性及其产生的径迹特征具有强烈的依赖性，只有综合考察离子的属性、能量和LET值等因素，研究其径迹结构及沉积电荷的空间分布，才能更好地计算失效截面，合理解释微剂量效应，但这方面的理论研究尚有很大不足。此外，对于某些特殊结构器件，如沟道垂直表面的沟槽型功率MOSFET，单纯的总剂量考核并不足以体现空中高能粒子所产生的微剂量效应的影响，但目前尚无针对性的测试方法和考核标准。综上所述，微剂量的失效表征与器件的工艺特征和粒子属性密切相关，主要有局域总剂量效应和强库仑斥力两种作用机制。随着器件特征尺寸的不断减小，前者的影响会逐渐减弱而后者则会增强。研究微剂量效应对栅氧和隔离区的漏电流影响，对考察通用MOS存储器的微剂量效应具有重要的指导意义。虽然主流存储元件的栅氧厚度在不断减小，但有些功能电路为满足耐高压和大电流的需求，采用的MOS器件仍保留了较厚的栅氧，如浮栅存储器内为其读写/擦除操作提供高电压的电荷泵电路，以及其外围电路的页面缓存器等，如果栅氧厚度是主要影响因素，则微剂量效应对这些模块的影响必不可忽视。在主流存储元件中其隔离区尺寸一般较大，所以如果微剂量效应主要是由隔离区氧化层引起的，其对通用存储器件的影响仍有待考察。从整体而言，针对微剂量的实验研究比较零散，相关的仿真计算也很少，缺乏对不同器件失效机理共性原因的提炼和总结。所以，需结合器件特征，开展广泛的实验和理论研究，探索微剂量效应的失效机理，寻找敏感结构特征，从而对生产应用给出有意义的参考依据。

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