電子元器件的微劑量效應研究進展

閆逸華 范如玉, 郭曉強 林東生 郭紅霞 張鳳祁 陳 偉

1（清華大學工程物理系 北京 100084）

2（西北核技術研究所 西安 710024）

微劑量學起源于20世紀40年代對生命細胞輻射效應的研究[1–4]，考察微小劑量在細胞尺度內的能量沉積分布及其對人體的危害，當時發展起來的LET值概念(Linear Energy Transfer：傳能線密度)，就是最接近微劑量學基本概念的物理量。

電子元器件的微劑量效應研究則起步較晚，由于受體特征差異，效應的概念內涵和損傷表征均有所不同。20世紀90年代初，由研究者在SRAM器件的重離子輻照實驗中發現“固定位”(stuck bit)錯誤時首次提出[5]，認為這是由單個高LET值重離子在其徑跡周圍沉積的局域總劑量所引起的微劑量失效。不同于單粒子翻轉引起的軟錯誤，單元存儲狀態在輻照后無法改變，而是固定在一個高(低)電平上，發生了永久性失效。

微劑量效應對輻射場環境和器件的結構特征具有強烈的依賴性，發生概率雖低，但風險高。由于設備條件的限制，地面模擬源并不能與空間的高能粒子相當，也不可能對所有類型的器件開展考核實驗，這就限制了對微劑量效應的研究。在進行機理分析時，一些常用的平均值概念(如LET值)也將受到限制，必須結合器件特征并同時考慮粒子徑跡上能量沉積的隨機性分布，因而增加了理論工作的難度。所以，國內外針對微劑量效應的研究仍較零散，有待進一步的機理分析和規律總結。

本文介紹高能粒子所致電子元器件微劑量效應的研究現狀，以及幾種典型器件的失效現象和機理分析，并結合半導體工藝發展趨勢，探討微劑量在未來器件中的影響，評估其對電子元器件的危害。

1 國內外研究現狀

國外的微劑量效應實驗研究開展較早。1991年，Koga等[5]在商用 SRAM 器件的重離子輻照試驗中，首次發現單個重離子引起的局部總劑量失效，后在4T DRAM和1T/1C SDRAM單元中也觀察到微劑量失效[6,7]。2001年，Giorgio等[8]在浮柵型存儲器的輻射效應研究中，發現重離子輻照會引起浮柵存儲單元閾值電壓的顯著漂移，也會導致器件的讀寫功能失效或工作電流異常等現象。2007年，Shanefelt等[9]在溝槽型功率MOSFET的重離子、質子以及中子輻照實驗中，發現微劑量效應的危害性遠大于等水平的總劑量效應。

我國對微劑量效應的研究開展較晚，相關研究結果較少。北京大學微電子系進行過相關的數值模擬，針對小尺寸MOS器件提出采用優化的STI隔離區溝道側壁傾角結構，以抑制單粒子輻照在MOS器件中引起的微劑量效應[10]。西北核技術研究所對溝槽型功率場效應管開展實驗研究，進行了微劑量效應的現象捕捉和特性分析[11]。

綜合現有研究結果，不少廣泛應用的主流存儲元件均受到了微劑量效應的影響，包括各種易失性存儲器(SRAM[5,12–15]，DRAM[6,16]，SDRAM[7,17])及非易失性存儲器(Flash ROM[8,18])。近些年來在新型功率器件的考核試驗中也發現，極低通量水平的重離子就會導致器件亞閾特性的顯著退化，其影響遠高于相應劑量水平下的總劑量效應[9,19,20]。這說明現行的總劑量考核方法不足以反映微劑量效應在某些器件中的危害，因此對微劑量失效機理開展研究，對器件的抗輻射性能考核具有重要意義[20]。

2 微劑量效應的主要失效機制

單個高能粒子在其徑跡周圍的局域空間內所沉積的劑量稱為微劑量，研究表明，器件微劑量效應主要存在兩種失效機制，局域總劑量效應和強庫侖斥力作用，其中第一種更為普遍。

其一，當晶體管的特征尺寸與宇宙射線產生的電離徑跡直徑可相比擬時，單個粒子射入器件后，通過直接或間接電離的方式，在氧化層中產生的陷阱電荷以及在 Si/SiO2界面處產生的界面態缺陷足以引起器件的局部總劑量失效，從而造成器件的永久性損傷，其作用機理與總劑量效應類似(圖1)[21]。

圖1 SiO2中局域總劑量所引起的失效機制示意圖[21]Fig.1 Sketch of the failure mechanism induced by the localized total dose in SiO2[21].

其二，若重離子的LET值足夠高，入射絕緣體材料后會導致徑跡周圍的原子發生高度電離，電離原子間的庫侖排斥力過大，最終導致化學鍵斷裂，電離原子在斥力作用下發生分離運動，使絕緣材料特性受到影響，從而導致器件性能的下降(圖2)[22]。

微劑量效應兼具總劑量效應的失效永久性與單粒子效應的隨機性。與單粒子效應的輻射感生載流子直接參與輸運不同，微劑量效應損傷是通過輻射感生缺陷間接影響載流子輸運；與總劑量的均勻劑量分布不同，微劑量在空間分布上具有局域性特點。

常見的單粒子現象（單粒子翻轉、單粒子閂鎖、單粒子瞬態、單粒子功能中斷及單粒子柵穿等)，均為入射粒子在體硅中電離產生的電子-空穴對直接參與載流子輸運而直接或間接引起的失效，而微劑量效應關心的，則是單個高LET值的重離子作用于氧化層 SiO2后，電離產生的電子-空穴對被陷阱俘獲，從而在其徑跡周圍的局域空間內沉積了極高劑量，并最終導致器件特性發生永久性退化。單粒子效應所引起的軟錯誤可通過重新加電等方式得以恢復，而微劑量所引起的硬錯誤卻不可恢復。此外，累積電離輻射所導致的總劑量在整個器件內均勻分布，而單個粒子沉積的微劑量僅分布在其徑跡周圍，其發生也具有隨機性。微劑量在器件和電路中最終引起的失效現象取決于受損單元在電路中的作用：存儲單元受損會導致數據錯誤；邏輯單元受損則會引起器件的功能錯誤；功率器件受損后I-V特性會發生退化。

圖2 絕緣體中強庫侖排斥力效應所引起的失效機制示意圖[22]Fig.2 Sketch of the failure mechanism induced by the coulomb repulsive force effect in the insulator[22].

3 微劑量效應在典型器件中的失效表征

微劑量效應會導致MOSFET亞閾特性的變化，在具有特殊結構的溝槽型功率器件中尤為顯著[9,20]。存儲單元中的MOSFET若受微劑量影響而漏電增大，會導致“固定位”錯誤的發生，即某些位的狀態無法改變，而是固定在了“0”或“1”的電平狀態上，這也是微劑量失效的標志性現象。“固定位”失效發現于商用SRAM的重離子輻照試驗中[5,15]，后在DRAM[5]以及Flash ROM中也都有發現[23–25]。由于器件結構不同，失效判據也略有不同。在MOS結構為主的易失性存儲器中，主要是由局域總劑量引起的漏電增長所致；而在非易失性存儲器件中，則主要是強庫侖斥力在絕緣材料中引起的結構退化，從而導致的絕緣特性下降引起。

以當時工藝水平下的 4T SRAM 單元為例(圖3)，如果 N1管的漏電流大于可能流過電阻R1的最大電流，則節點 A將再不能被充電至高電位，N3不能被打開，這個位的狀態不再發生改變，從而發生“固定位”錯誤。由于DRAM單元通過在被晶體管隔離的電容上存儲電荷實現數據存儲，而微劑量效應會導致門控晶體管漏電增大，加速電荷流失，當數據保留時間小于外電路的刷新時間后就會發生數據丟失。錯誤檢測與糾正電路(EDAC)通常可以修正單粒子引起的擾動，卻無法修正“固定位”錯誤。與DRAM失效判據類似，SDRAM中也觀察到了固定位失效[7,17]，但機理解釋尚存爭議。

圖3 帶有負載電阻的4T SRAM示意圖Fig.3 Sketch of a 4T SRAM cell.

不同于SRAM和DRAM等非易失性存儲器，以Flash ROM為代表的非易失性存儲器，通過在被絕緣介質隔離的浮柵上注入電子實現數據存儲。其中絕緣介質即隧穿氧化層的性能是影響浮柵電荷保留時間的主要因素，通常情況下其數據保留時間可達數十年。而在高 LET重離子輻照的 NAND型Flash ROM中發現，輻照后重寫正常的單元，放置數天后電荷就會流失(圖 4)[23–25]。此外，由于生產工藝的原因，浮柵存儲器外圍電路中的 MOS器件通常具有較厚的柵氧，因而具有較高的輻射敏感性[26]。微劑量效應也會對浮柵存儲器的外圍控制電路(如頁面緩存器、地址譯碼器或者電荷泵電路)產生影響，從而導致整個芯片的功能發生異常，如整頁的讀寫出錯、工作電流的異常、甚至讀/寫/擦除功能的喪失等[26–30]。

圖4 NAND Flash經重離子輻照并重寫后，陣列閾值電壓分布隨時間的變化圖[31]Fig.4 Variation of threshold voltage distribution in NAND flash ROM programmed after hit by high-LET heavy ions[31].

溝槽型功率MOSFET是在VDMOS的基礎上發展起來的一種具有垂直結構的新型功率器件，對微劑量效應極為敏感[9,20]，且重離子輻照下器件漏電水平遠大于相應劑量水平的總劑量效應(圖5)，這是首次在實驗上發現微劑量效應的危害要大于總劑量。Kuboyama等[19]發現，在重離子輻照下器件閾值電壓會發生階躍變化，即作用于敏感面積上的單個離子足以導致器件亞閾電壓的顯著退化。已知重離子和質子的凈電荷產量低于γ射線，如果其他條件相同，60Co γ射線的影響應大于質子和重離子，而實驗結果則相反。在等效總劑量均為10 Gy (SiO2)時，γ射線和電子引起的漏電流比質子小～20倍，比銅離子小～65倍[20]。說明單純利用γ射線或電子束對電子進行抗輻射性能考核，會低估器件在重離子和質子環境中的退化，須考慮微劑量效應影響[20]。

圖5 溝槽型功率MOSFET受γ射線輻照(a)和33 MeV的Au離子輻照(b)前后的結果對比[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 微劑量效應的主要影響因素

4.1 與重離子屬性的關系

由微劑量效應的兩種作用機制及在典型器件中的失效表征可知。微劑量失效的發生不僅與器件的工藝和結構特征有關，也與離子的屬性和入射位置等密切相關。存儲器中固定位的失效截面比SEU小幾個數量級，且只在離子的LET值較高時才會發生(SRAM 中：LET>30 MeV·cm2/mg[5]，DRAM：80 MeV·cm2/mg[5]， Flash ROM：77.3 MeV·cm2/mg[25])。說明當離子LET值足夠高時，單個離子在柵氧中沉積的局域總劑量才足以引起 MOSFET關態漏電流的顯著增長；或導致徑跡周圍的原子發生高度電離，電離原子在較大庫侖排斥力作用下發生分離運動，引起化學鍵斷裂從而導致材料的絕緣特性下降[22]。

此外，在SRAM器件的輻照實驗中發現，即使離子的LET值相當，但能量不同時，固定位失效的位數也有很大不同；而在溝槽型功率MOSFET的重離子輻照實驗中發現，失效截面僅用 1/As(As：靈敏面積)來表達是不夠的，必須同時考慮其徑跡結構的寬度和入射角度等因素[19]。Loquet等[32]在仿真中發現，器件漏電水平會因陷阱電荷的空間分布的峰值和展寬差異而不同。假設界面態電荷由呈矩形分布但幅值不同的Ninv和Nuni組成(圖6)。當Ninv確定時，漏電流會隨著Nuni增長而逐漸增長；當Nuni確定時，漏電流隨著Ninv的增長則迅速達到飽和；而單純的Ninv或Nuni均不足以引起漏電的顯著變化。

圖6 界面陷阱電荷密度的近似矩形模擬[32]Fig.6 Square-shaped interface trapped charges distributions profile used to study track structure effects[32].

上述結果說明，單個粒子沉積的微劑量引起漏電的顯著變化需兼具兩個條件：首先，粒子徑跡寬度足夠大，能夠在溝道區產生覆蓋面較寬的界面態電荷，從而增加溝道的導電率，即使其幅值較低（如Nuni）；此外，能夠在某局部區域產生幅值較高的界面態電荷區，引起溝道區的強反型從而為溝道導通提供載流子源，即使其覆蓋面很窄(如Ninv)。二者兼具才能導致有源區(源端和漏端)的導通。因而微劑量失效對離子屬性及其產生的徑跡特征具有強烈的依賴性，只有綜合考慮離子LET值、能量E及入射角度等因素，才能對其失效截面給出合理地解釋。

4.2 與器件工藝特征的關系

由于微劑量效應的作用敏感區為氧化層區，隨著半導體工藝的不斷發展，尤其是氧化層厚度的不斷減小，基于不同作用機制的微劑量失效的影響趨勢也各有差異。

首先，由于基于局域總劑量效應的微劑量失效與氧化層厚度及溝道區或隔離區的摻雜濃度有很大關系，與總劑量效應類似，由俘獲陷阱電荷造成的閾值電壓的漂移值會隨著柵氧厚度的平方而減小；同時由于溝道區或隔離區的摻雜濃度不斷增大，使得俘獲陷阱電荷能夠引起局域強反型并導致有效漏電的難度增大。雖然微劑量失效的出現是由于器件特征尺寸的減小，但在當前工藝水平下，隨著器件特征尺寸的繼續減小，基于局域總劑量效應的微劑量失效的影響反而減弱。

其次，因基于強庫侖斥力機理的微劑量失效會導致氧化層的結構應變及絕緣性下降，其危害會隨氧化層厚度變薄而加劇。如浮柵型存儲單元通過在浮柵上存儲電荷實現數據的存儲，而隧穿氧化層絕緣性能的下降則會直接導致數據保留時間的減少。

5 存在問題與發展趨勢

總體而言，微劑量效應的研究還較零散，對單個離子作用的微觀機制的研究有待深入，對微劑量失效表征的判斷尚存爭議，且缺乏相關的測試方法和考核標準。

首先，器件結構特征對微劑量效應的敏感性具有較大影響，但缺乏針對不同類型器件的系統性研究，失效敏感位置的判斷也有爭議。早期研究認為：“粘位”失效由單個重離子打擊柵氧后，引起閾值電壓漂移及漏電增大而導致的。Oldham[14]預言，由于VTH的漂移會隨柵氧厚度的平方而不斷減小，當SRAM器件的柵氧厚度減小到7 nm后，微劑量引起的“粘位”現象將會消失，但實際情況并非如此。Loquet等[32,33]的模擬計算表明，即使多個離子同時轟擊柵氧，漏電水平仍不足以導致“粘位”的發生，而轟擊鳥嘴區卻可引起較大漏電。因此，應針對典型器件開展考核實驗，獲取微劑量失效截面，并結合仿真計算，探索失效敏感區及其與器件特征尺寸的關系。

其次，微劑量失效通常伴隨微損傷失效，但實驗中頗難區分二者。Swift等[6]在單管DRAM的重離子輻照中發現，器件錯誤分為兩種：一種與單粒子總劑量失效一致，另一種則明顯不一致，不依賴于 LET值，且退火后也不消失。Edmonds等[7]在1T/1C SDRAM中發現重離子輻照引起的“粘位”失效現象，認為是由微劑量效應引起，但七年后推翻這一結論，認為其無法解釋實驗中所觀察到的極小的反應截面，而只有微損傷機理才符合這一結果[17]。所以，對兩種微觀機制的深入研究和失效表征的區分，尚有待進一步研究。

最后，因微劑量失效對離子屬性及其產生的徑跡特征具有強烈的依賴性，只有綜合考察離子的屬性、能量和LET值等因素，研究其徑跡結構及沉積電荷的空間分布，才能更好地計算失效截面，合理解釋微劑量效應，但這方面的理論研究尚有很大不足。此外，對于某些特殊結構器件，如溝道垂直表面的溝槽型功率MOSFET，單純的總劑量考核并不足以體現空中高能粒子所產生的微劑量效應的影響，但目前尚無針對性的測試方法和考核標準。綜上所述，微劑量的失效表征與器件的工藝特征和粒子屬性密切相關，主要有局域總劑量效應和強庫侖斥力兩種作用機制。隨著器件特征尺寸的不斷減小，前者的影響會逐漸減弱而后者則會增強。研究微劑量效應對柵氧和隔離區的漏電流影響，對考察通用MOS存儲器的微劑量效應具有重要的指導意義。雖然主流存儲元件的柵氧厚度在不斷減小，但有些功能電路為滿足耐高壓和大電流的需求，采用的MOS器件仍保留了較厚的柵氧，如浮柵存儲器內為其讀寫/擦除操作提供高電壓的電荷泵電路，以及其外圍電路的頁面緩存器等，如果柵氧厚度是主要影響因素，則微劑量效應對這些模塊的影響必不可忽視。在主流存儲元件中其隔離區尺寸一般較大，所以如果微劑量效應主要是由隔離區氧化層引起的，其對通用存儲器件的影響仍有待考察。從整體而言，針對微劑量的實驗研究比較零散，相關的仿真計算也很少，缺乏對不同器件失效機理共性原因的提煉和總結。所以，需結合器件特征，開展廣泛的實驗和理論研究，探索微劑量效應的失效機理，尋找敏感結構特征，從而對生產應用給出有意義的參考依據。

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