微電子產(chǎn)品可靠性

1二兩種不同任務(wù)條件下的再構(gòu)造景象

1，高溫少循環(huán)(例如：合金、燒結(jié)、熱壓等工藝過程)再構(gòu)造⑴再構(gòu)造外表出現(xiàn)的小丘、晶須和空洞往往覆蓋了整個晶粒或分布在晶間三相點(diǎn)處;⑵小丘和空洞產(chǎn)生的緣由—緊縮和膨脹應(yīng)力下，Al原子的分散蠕變;2SiO2上小晶粒(<1μm)Al膜高溫少循環(huán)外表再構(gòu)造的SEM照片左圖為熱處置前,右圖為熱處置后(?T=400℃,10次循環(huán)每次15分鐘)32，低溫多循環(huán)再構(gòu)造―電極溫度低、變化大，變化次數(shù)多。

⑴特點(diǎn)：金屬化外表粗糙不平，出現(xiàn)皺紋；⑵皺紋產(chǎn)生緣由：緊縮疲勞引起的塑性形變；⑶后果：使Al膜的晶粒長大，變胖，長出晶瘤，經(jīng)常是短間距的金屬化器件極間瞬時短路的主要緣由之一。4大晶粒(8μ)的1mil寬Al膜在低溫(?T=70℃)36000次電脈沖作用下外表再構(gòu)造的SEM照片5三，防止外表再構(gòu)造的措施

1,提高蒸發(fā)時的襯底溫度以增大晶粒直徑，可以減弱以致完全防止高溫少循環(huán)再構(gòu)造；2,薄膜合金化，可以添加膜的降服強(qiáng)度，滯緩金屬的流動；3,鋁膜上覆蓋PECVDSiO2，可大大減小鋁與SiO2(或Si)之間膨脹系數(shù)之差和鋁的線膨脹系數(shù)，這對防止兩種再構(gòu)造都很有效。6小結(jié):半導(dǎo)體器件金屬電極系統(tǒng)的主要失效機(jī)理⒈蒸發(fā)自掩蔽效應(yīng)呵斥氧化層臺階處金屬膜的斷路；⒉因電遷移呵斥金屬電極系統(tǒng)外表出現(xiàn)小丘、空洞、晶須呵斥開路或短路。⒊金屬與硅的共熔,導(dǎo)致硅外表出現(xiàn)腐蝕坑,使eb結(jié)特性變軟,甚至穿通；⒋溫度循環(huán)過程中,金屬膜外表再構(gòu)造呵斥外表粗糙化,出現(xiàn)小丘,在變薄處加速了電遷移景象的發(fā)生；⒌高溫下,電極金屬與SiO2相互作用,使金屬膜變薄，SiO2遭到侵蝕,呵斥極間短路或開路；⒍潮濕氣氛下,電極系統(tǒng)的電化學(xué)腐蝕景象呵斥極間開路；7靜電效應(yīng)3.3靜電效應(yīng)3.3.1靜電的產(chǎn)生靜電的產(chǎn)生主要有兩種方式，即摩擦產(chǎn)生靜電和感應(yīng)產(chǎn)生靜電。靜電產(chǎn)生的兩種方式8一，產(chǎn)生靜電的過程1,摩擦產(chǎn)生靜電因兩種物質(zhì)摩擦或接觸后又快速分別而產(chǎn)生靜電的過程稱為摩擦生電；兩種資料外表單位體積所含可動電荷密度不等，或者說兩種不等電子化學(xué)勢或費(fèi)米能級的資料相接觸，那么電子從化學(xué)勢高的資料運(yùn)動到低的資料，接觸處便構(gòu)成了電偶層，普通接觸電勢差為0.01V～0.1V。當(dāng)兩種不同資料的物體接觸后又迅速分開時，電子來不及跑回原資料，那么電子化學(xué)勢高的資料將荷正電，反之荷負(fù)電，這即靜電產(chǎn)生的緣由。92,假設(shè)接觸物體理想地分別，即無任何電子在分別瞬間越過接觸面而復(fù)合，那么在分開過程中Q＝CV＝常數(shù)假設(shè)電偶層厚度為10-8cm〔1〕，接觸電勢為0.01V時，那么分別1cm，靜電勢可達(dá)106V；實踐上靜電勢遠(yuǎn)小于此值，由于兩物體分開時，總有些電子要越過接觸面而復(fù)合，所以殘存的電荷量取決于分開速度。10二摩擦生電的電勢1,兩種物體摩擦?xí)r，接觸點(diǎn)添加，接觸面積大，接觸和分別幾乎同時進(jìn)展，分別速度快，殘存的電荷量多，所以，產(chǎn)生的電勢高。2,兩種不同組合的資料，摩擦后產(chǎn)生靜電勢的高低是不同的，各種資料，按其相互摩擦后產(chǎn)生的電勢高低可以排成次序:摩擦生電主要發(fā)生在絕緣體之間，由于絕緣體不能把所產(chǎn)生的電荷迅速分布到物體整個外表，或迅速傳給它所接觸的物體，所以能產(chǎn)生相當(dāng)高的靜電勢；11

常見資料磨擦生電順序表排在前面的資料與排在后面的資料相互摩擦?xí)r，前者帶正電，后者帶負(fù)電；同種資料與不同資料相互摩擦?xí)r，所帶電荷的極性能夠不同，如玻璃棒與棉相摩擦，玻棒帶正電，棉帶負(fù)電；而棉和硅片相摩擦，那么棉帶正電，硅片帶負(fù)電。122感應(yīng)產(chǎn)生靜電當(dāng)一個導(dǎo)體接近帶電體時，會遭到該帶電體構(gòu)成的靜電場的作用，在接近帶電體的導(dǎo)體外表感應(yīng)出異種電荷，遠(yuǎn)離帶電體的外表出現(xiàn)同種電荷。雖然這時導(dǎo)體所帶凈電荷量仍為零，但出現(xiàn)了部分帶電區(qū)域，這一過程稱為感應(yīng)生電；顯然，非導(dǎo)體不能經(jīng)過感應(yīng)產(chǎn)生靜電。靜電的產(chǎn)生及其大小與環(huán)境濕度和空氣中的離子濃度親密相關(guān)：在相對濕度高的場所靜電勢較低；在相對濕度低的場所靜電勢就高?？諝饧冋娴膱鏊鶅?nèi)，由于離子濃度低，所以靜電更易產(chǎn)生。13一，構(gòu)成對半導(dǎo)體器件損傷的各種靜電源對半導(dǎo)體電路產(chǎn)生影響的靜電源主要有絕緣體、人造資料和人體，其中人體是最重要的靜電源。1人體是最重要的靜電源人體接觸面廣，活動范圍大，很容易與帶有靜電荷的物體接觸或摩擦而帶電；同時也有許多時機(jī)將人體本身所帶的電荷轉(zhuǎn)移到電路上或者經(jīng)過電路放電；人體與地之間的電容較小，少量的靜電荷轉(zhuǎn)移到人體上，可導(dǎo)致很高的靜電勢(∵Q=CV)；人體的電阻較低，處于靜電場中容易感應(yīng)起電；3.3.2靜電源14在各種活動中人體的靜電勢人體靜電與人體所接觸的環(huán)境及活動方式有關(guān)15操作者手上的靜電勢可見，人體靜電與人的操作速度有關(guān)，操作速度越快，人體靜電勢越高；16質(zhì)地不同任務(wù)服和內(nèi)衣摩擦?xí)r人體的靜電勢(KV)可見，人體靜電與所著衣物和鞋帽的資料有關(guān)，普通化纖和塑料制品較之棉制品更容易產(chǎn)生靜電。172，電子元器件操作環(huán)境的靜電源183，器件本身也是一個靜電源

雙列直插式陶瓷封裝器件本身帶的靜電4，帶靜電塵埃的污染193.3.3靜電放電〔ESD〕(a)靜電荷的產(chǎn)生一，靜電放電過程用RC回路模擬圖a，想象一電源對100pf電容充電到1000V，其所含電量Q＝CV=10-7C,存儲能量:E＝?CV2＝50μ20圖b，斷開電源后，由于介質(zhì)漏電及向空氣中放電，將使靜電荷逐漸減少到完全消逝。假設(shè)Ra與Rg并聯(lián)后在1013數(shù)量級，那么放電時間:RC＝103S＝17min,不易對器件呵斥靜電損傷。(b)靜電荷的存儲和走漏21圖c，假設(shè)C經(jīng)過100?電阻放電，放電時間常數(shù)τ＝10ns，那么在5倍的時間常數(shù)，即50ns內(nèi)99.3%的電量要泄放掉，其峰值電流Ip可達(dá)10A,在電阻上瞬時功率為:(c)經(jīng)過電阻R放電假設(shè)R=100Ω,Ip=10A,那么Pav=1000w在五倍時間常數(shù)內(nèi)的平均功率為:223.3.4靜電損傷模型一，靜電損傷的失效機(jī)理—取決于放電瞬間器件接地情況：1,熱效應(yīng)：器件某一引出端對地短路，那么在放電瞬間產(chǎn)生電流脈沖，大電流產(chǎn)生的焦耳熱導(dǎo)致器件部分金屬化熔化或芯片出現(xiàn)熱斑以致誘發(fā)二次擊穿等。2,電效應(yīng)：器件與地不接觸，沒有直接對地的放電通路,而是將存儲電荷傳到器件，放電瞬間產(chǎn)生過電壓,導(dǎo)致介質(zhì)擊穿。23二，導(dǎo)致半導(dǎo)體器件靜電損傷的幾種靜電源1,與帶電人體或其他物體接觸，將存儲于人體或其他物體的電荷傳送給器件，或者經(jīng)過器件到地放電。2,器件本身作為電容器的一個極板而存儲電荷，當(dāng)某一電極與地接觸時，放電脈沖可以引起器件失效。3,器件處在某一靜電場中，有時在器件內(nèi)部〔如跨越SiO2層〕所感應(yīng)的靜電勢差可以引起器件的擊穿。24三,幾種靜電放電模型1,荷電人體的靜電放電模型帶有靜電勢Vp的人體可用集總元件電容Cp,電阻R串聯(lián)表示。于是人體帶電量可表示為:Qp=CpVp式中，Cp取決于人體與地的接近程度，普通為50-250pf；R為人體與被放電器件間的接觸電阻,為102-105?，取決于接觸壓力和人體皮膚的濕度;靜電勢Vp普通為102-104V，與人體相互摩擦生電的資料種類及空氣濕度有關(guān)。25

ⅰ峰值電流：ⅱ時間常數(shù)：ⅲ放電電流：⑴過電流的熱效應(yīng)模型帶電人體的等效電路人體經(jīng)過pn結(jié)放電等效電路假設(shè)忽略pn結(jié)的電容效應(yīng)，可得放電的：26

Ⅵ,器件內(nèi)功率密度:式中,PaV為器件平均功耗;Aeff為器件放電時的有效放電面積。Ⅴ,在五倍放電時間內(nèi)器件的平均功耗:Ⅳ,器件所接受的瞬間功率:27普通，Aeff小于整個PN結(jié)面積，對于雙極型Si平面晶體管ESD電流往往是eb結(jié)反向電流，這時,Aeff=LeffXjc式中,Leff為發(fā)射區(qū)有效長度，Xjc為基區(qū)結(jié)深。這時，ESD通路電阻ESD電流在有效Aeff范圍放電面積內(nèi)必然產(chǎn)生焦耳熱,引起結(jié)溫升,構(gòu)成不穩(wěn)定的熱斑,甚至熱奔。式中，RDB為外基區(qū)方塊電阻，dE為發(fā)射區(qū)至基區(qū)引線孔之間的間隔。28器件在單脈沖功率沖擊下失效的閾值功率密度Wunsch和Bell從一維線性熱流實際出發(fā)，得到如下半閱歷公式：2930思緒：求Vp

先求RDpav=480t-1/2t=5τpτp=(Rp+RD+RC)CpPav~pavPav=pav·AeffIp~PavVp~Ip313233343536(2)過電壓的場擊穿模型I,器件不接地，那么荷帶靜電的人體不是經(jīng)過器件對地放電產(chǎn)生過電流，而是人體將電荷傳給器件，使其產(chǎn)生過電壓，導(dǎo)致介質(zhì)擊穿或極間外表擊穿，致使器件損傷。對于MOS器件及某些帶有MOS電容內(nèi)補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)算放大器，這種損傷尤為突出。37ii,最簡單的維護(hù)網(wǎng)絡(luò)為柵源襯底相連的場效應(yīng)晶體管。a.FET的輸入維護(hù)表示圖;b.維護(hù)器件PD-柵、源、襯底相連的FET表示圖；c.帶有維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的MOSFET的ESD的場模型等效電路。38Iii,當(dāng)輸入信號電平低于其閾值電壓，該維護(hù)網(wǎng)絡(luò)視為開路，MOS器件正常任務(wù)，這時人體ESD的場模型等效電路簡化為：人體對MOS器件放電的場模型等效電路39采用拉普拉斯變換法，得到器件兩端電壓〔VD<Vpr)〔3.46)式中,MOSFET的輸入電阻Ri很大,可視為開路,即Ri→4041圖中，CD為器件管殼對地電容，VD和RD分別為器件的結(jié)壓降和串聯(lián)電阻，RC為接觸電阻，V為管殼所帶的靜電勢，這時

時間常數(shù):峰值電流:荷電器件ESD模型放電電流:2荷電器件的靜電放電模型雙極型器件放電等效電路:4243443場感應(yīng)靜電放電模型I,對于一個無任何外引線的MOS電容，其置于一個靜電場中時，氧化層介質(zhì)有感應(yīng)電場,但由于SiO2或Si的介電常數(shù)比空氣大，其內(nèi)電場強(qiáng)度勢必比器件外部空氣中的場強(qiáng)低,普通SiO2不會發(fā)生擊穿。ii,由于MOS器件有柵電極和柵極的內(nèi)外引線，在靜電場中相當(dāng)于一根天線，其大大加強(qiáng)了氧化層中的電場，這個加強(qiáng)了的電場就能夠使柵氧化層擊穿，使器件失效。453.3.3靜電損傷的失效方式其一是突發(fā)性的完全失效其二是潛在性失效一突發(fā)性完全失效1,突發(fā)性完全失效是器件的一個或多個參數(shù)忽然發(fā)生了飛躍式的變化，完全失去預(yù)定功能作用的一種失效。2,失效緣由：ESD引起的過電流產(chǎn)生的熱效應(yīng),也可以是過電壓產(chǎn)生的場效應(yīng)。4647⑵ESD引起過電流損傷的規(guī)律。n溝MOS管ESD損傷表示圖Ⅰ,pn結(jié)窗口邊緣Si-SiO2界面處或接觸窗口邊緣處易發(fā)生；48II,對于肖特基勢壘二極管和淺結(jié)的微波二極管靜電損傷都集中在勢壘區(qū)邊緣Si－SiO2界面處;TTL晶體管ESD后損傷部位表示圖49III,對于某些金屬化覆蓋的薄氧化層〔<3000A)器件，其突發(fā)性完全失效往往表現(xiàn)為過電壓引起的薄氧化層的擊穿。損傷主要集中在柵－漏交疊處柵氧化層的邊緣。金屬化與源、漏分散區(qū)邊緣重疊，電場集中;該處也是薄—厚氧化層〔二次不同生長速率氧化〕交接的臺階處，應(yīng)力集中，擊穿強(qiáng)度降低,極易發(fā)生ESD損傷。50IV,對于鋁柵器件，擊穿后，Al－SiO2發(fā)生放熱界面反響，Al很快浸透SiO2，呵斥柵漏嚴(yán)重漏電，甚至短路。

CMOS硅柵器件的二種ESD失效方式對n溝器件出現(xiàn)嚴(yán)重漏電或短路;對p溝器件柵－漏呈現(xiàn)二極管特性。V,多晶硅柵器件，ESD損傷后也往往是柵漏交疊處氧化層邊緣擊穿。51二、潛在性失效當(dāng)帶電體的靜電勢或其儲存的能量較低,或ESD回路有限流電阻存在，一次ESD后缺乏以引起器件突發(fā)性的完全失效，但實驗發(fā)現(xiàn)靜電損傷是有累積性的，它不僅影響廢品率，也影響整機(jī)壽命。950V反復(fù)的ESD引起的器件蛻變523.3.4靜電敏感性一、半導(dǎo)體器件對ESD的敏感性本質(zhì)上就是器件抗過電應(yīng)力〔electricaloverstress)的才干，普通用ESD損傷閾值電壓表征。1、ESD損傷閾值電壓定義：導(dǎo)致器件突發(fā)性完全失效的最低的靜電放電的單脈沖電壓。這種定義在實際上是嚴(yán)厲的，但是不易丈量;不嚴(yán)厲的定義為“導(dǎo)致器件失效的ESD電壓〞，根據(jù)這個定義，在實踐測定中，再詳細(xì)規(guī)定器件的失效判據(jù)，反復(fù)脈沖次數(shù)等，于是出現(xiàn)了多種不同的測定和實驗方法。532、綜合多方面的研討結(jié)果得到不同器件的ESD敏感性范圍54二、ESD敏感程度的分類I類:甚敏感的〔verysensitive)0-100V無維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的MOS器件、帶有無維護(hù)電容器的運(yùn)算放大器、結(jié)型場效應(yīng)晶體管、薄膜電阻、無維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的微處置器及其他LSI等；II類：敏感的〔sensitive)1000-4000V肖特基二極管、精細(xì)電阻網(wǎng)絡(luò)、ECL電路、某些TTL電路、某些運(yùn)算放大器以及對1000－4000V無維護(hù)的LSI等；

55III類:中等敏感的〔moderatelysensitive)4000-15000V小功率斬波電阻器、片狀電阻器、額定值小于5W的硅功率晶體管、一切其他LSI和壓電晶體等。這三類敏感程度分法無一一致規(guī)范，共同點(diǎn)是無任何維護(hù)的MOS器件對ESD最為敏感，而加維護(hù)網(wǎng)絡(luò)后便可由I類降為II類，即器件的靜電敏感性可因維護(hù)網(wǎng)絡(luò)而鈍化。56對ESD敏感的元器件失效機(jī)理和失效方式57583.3.5靜電維護(hù)MOS器件等效為一個電容器一、MOS器件的柵維護(hù)根本方法：在柵極外引線與柵極氧化膜之間加一輸入維護(hù)網(wǎng)絡(luò)；設(shè)計要求：具備低的觸發(fā)電壓——保證根本的器件在被維護(hù)器件到達(dá)二次擊穿前開啟；具有一定的鉗位才干——使壓焊點(diǎn)的ESD電壓低于被維護(hù)器件和維護(hù)器件的二次擊穿電壓；592維護(hù)網(wǎng)絡(luò)種類〔1〕二極管維護(hù)當(dāng)V0低于二極管的擊穿電壓時，二極管反偏，對MOS器件任務(wù)沒影響；當(dāng)V0大于二極管的擊穿電壓時，二極管反向擊穿，擊穿后的動態(tài)電阻RD極小，呈理想的吸放回路；當(dāng)RD＝0時，Vmos＝擊穿電壓BVD,與輸入電壓V0無關(guān)；實踐上RD總是存在的，這時，V0≧BDV式中，Rs為靜電源內(nèi)阻,BDV為二極管擊穿電壓60利用二極管的反向擊穿特性，使來自靜電源的過電壓〔V0〕箝位。(a).等效電路(b).Vmos與V0的關(guān)系61〔2〕分散電阻維護(hù)法在輸入端和柵氧化膜之間加一2-5K的分散電阻，提供一分布網(wǎng)絡(luò)<分布電阻－二極管網(wǎng)絡(luò)>圖中rs′為單位長度的串聯(lián)電阻，rd為單位長度的動態(tài)電阻分散電阻維護(hù)(a)等效電路；(b)Vmos與V0的關(guān)系62這時，加于MOS器件上的電壓為：V0≧BDV式中是分布電阻網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗，xr是電阻長度。由上分析可得：Vomax=y(Vmosmax-BDV〕+BDV即可以維護(hù)的最大靜電勢和MOS器件所能接受的最大柵壓與維護(hù)器件擊穿電壓的差值近似成正比；比例常數(shù)y與維護(hù)方法有關(guān)，普通采用分散電阻維護(hù)時其值最大，故維護(hù)方法最正確；分散電阻法的缺陷是不能用于某些高電容輸入的MOS器件中去，其會影響器件的頻率特性。63〔3〕場效應(yīng)晶體管維護(hù)輸入維護(hù)網(wǎng)絡(luò)采用MOS晶體管本身利用源-漏穿通電壓維護(hù)。40-50V高閾值電壓的P溝MOS器件，當(dāng)靜電壓到達(dá)或超越此值時，維護(hù)的MOS器件導(dǎo)通；柵-源短路的MOS器件維護(hù)方法，利用漏極外表的擊穿特性箝位靜電勢和泄放電能；64上述三種維護(hù)方式中，以分散電阻效果最好；因此，實踐運(yùn)用中往往是二極管或MOS晶體管與分散電阻的結(jié)合；為對正、負(fù)極性的靜電勢均有防護(hù)作用，有時也采用“背-背〞的二極管或“背-背〞分散電阻。65二、雙極型器件的靜電防護(hù)〔1〕分立器件普通不加維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，僅在設(shè)計時在滿足電性能目的要求的前提下增大設(shè)計圖形的尺寸。〔2〕雙極型電路設(shè)計原那么與分立器件一樣，在芯片內(nèi)部也可加一些防電壓浪涌的維護(hù)二極管。VESD與發(fā)射區(qū)面積的關(guān)系VESD與發(fā)射區(qū)周長的關(guān)系66三、其他的防靜電措施1.對各種能夠產(chǎn)生靜電的物體和人提供放電通路;2.去除能夠產(chǎn)生靜電的資料;3.器件存貯時要堅持一定的溫度和濕度：T:5-30攝氏度，相對濕度：40-60%;4.MOS器件最好用金屬鋁箔將外引線短路，包裝用金屬盒或半導(dǎo)體塑料盒;5.從整機(jī)運(yùn)用環(huán)境分析，消除能夠引起ESD損傷的靜電源;6.優(yōu)化電路設(shè)計，合理選擇器件類型;7.合理選用器件任務(wù)形狀;8.在不影響電路性能前提下，可外接電阻或RC網(wǎng)絡(luò)以提高VESD。67四.可靠性設(shè)計和工藝控制建議1.輸入維護(hù)電路盡能夠接近壓點(diǎn)，這樣可防止ESD產(chǎn)生電弧，有利于提高電路抗ESD損傷才干；2.輸入維護(hù)電路中的金屬布線寬度應(yīng)足夠大,間距不能太窄；3.維護(hù)電路中的電阻應(yīng)防止90?拐彎，以減小拐彎處的部分電場強(qiáng)度；4.維護(hù)電路中NMOS管和PMOS管作二極管運(yùn)用時，應(yīng)適當(dāng)增大結(jié)面積；5.工藝上，在氧化層和金屬化層的生長過程中，需特別留意對應(yīng)力的控制和處置，以減少芯片中剩余的應(yīng)力；6.保證柵氧化層的生長質(zhì)量，盡量降低鈉離子沾污，以保證柵氧化層的完好性，提高其擊穿電壓，到達(dá)抗靜電效果；683.4輻射效應(yīng)對資料和器件的影響輻射主要來源有兩類：一類是核爆炸產(chǎn)生的快中子流，γ射線〔光子〕、β射線〔高速電子〕等；另一類是由宇宙空間輻射來的高能帶電粒子—宇宙射線。693.4.1輻射效應(yīng)定義：資料或器件在遭到核輻射后，性能發(fā)生變化的景象稱為輻射效應(yīng)。輻射效應(yīng)—位移效應(yīng)、電離效應(yīng)和單粒子效應(yīng)一、位移輻射效應(yīng)1、定義：輻射粒子與晶體中的原子發(fā)生碰撞，使晶格中的原子位移變成間隙原子，而在原來位置上留下空位，從而構(gòu)成空位-間隙原子對〔Frenkel缺陷〕，這種景象稱為位移輻射效應(yīng)。2、輻射呵斥的位移損傷缺陷以中子輻射影響最大。70中子因不帶電，不受原子核電場的影響，穿透力很強(qiáng)；連同帶電粒子和γ射線與原子核之間發(fā)生的彈性碰撞，把部分能量傳送給原子，使之獲得足夠的能量分開原來的位置，產(chǎn)生位移效應(yīng)。在此過程中，中子本身亦遭到散射，速度和方向都有改動，散射后的中子和反沖原子在運(yùn)動中，還能夠級聯(lián)式地和臨近原子碰撞，引起一連串的位移，直到一切有關(guān)原子的能量小于位移閾值為止。這種位移通?？缮婕暗綆资踔翈装賯€原子，呵斥復(fù)雜的缺陷群。中子能量越大，構(gòu)成的缺陷和缺陷群的密度也越大。713、危害：破壞了資料的晶格構(gòu)造及其周期勢場，在禁帶中引入許多新的電子能級。其可以作為復(fù)合中心、少子圈套(俘獲中心)或散射中心，從而對半導(dǎo)體資料產(chǎn)生很大影響：〔1〕散射中心使載流子遷移率下降；〔2〕少子圈套或復(fù)合中心的存在，使少子壽命下降；〔3〕空位—間隙原子對在禁帶中構(gòu)成的電子能級可充任多子的復(fù)合中心，使多子減少——載流子去除效應(yīng)；〔4〕呵斥半導(dǎo)體器件特性退化乃至失效。例如,使雙極型晶體管電流放大系數(shù)下降；飽和壓降上升以及截止頻率下降等。72二、電離輻射效應(yīng)1定義：當(dāng)輻射粒子與晶體中的電子相互作用時，把能量傳給電子，使電子脫離原來運(yùn)動的軌道，成為自在電子，而原子那么變?yōu)閹д姷碾x子，這一過程稱為電離輻射效應(yīng)。2電離輻射效應(yīng)的本質(zhì)是產(chǎn)生電子—空穴對，有時甚至還產(chǎn)生二次電子和三次電子使資料的電導(dǎo)率升高。733影響硅器件性能的幾個機(jī)理：〔1〕氧化層中被俘獲正電荷的積累；〔2〕Si-SiO2界面，外表態(tài)密度的添加；〔3〕隨著電子-空穴對的產(chǎn)生，在反偏PN結(jié)附近產(chǎn)生伴隨的瞬光陰電流——光電效應(yīng)。光電效應(yīng)是指能量小于0.1Mev的電磁輻射與原子作用時，將其全部能量轉(zhuǎn)移給束縛電子，使其脫離軌道，成為自在電子的過程。包括將體內(nèi)電子從價帶激發(fā)到導(dǎo)帶的內(nèi)光電效應(yīng)(產(chǎn)生電子－空穴對)和把電子激發(fā)到晶體外部的外光電效應(yīng)。744主要影響〔1〕前二個機(jī)理導(dǎo)致MOS器件產(chǎn)生永久性輻射效應(yīng)—開啟電壓、跨導(dǎo)等發(fā)生變化；〔2〕產(chǎn)生的光電流，除非它足夠大，以致于燒斷引線而呵斥永久性失效，否那么，這種光電流的影響將隨著輻射的消逝而自行消逝，這種效應(yīng)稱為暫時性輻射效應(yīng)。75三單粒子效應(yīng)α射線、高能中子束和宇宙射線中的高能重粒子作用產(chǎn)生的結(jié)果—單粒子效應(yīng)使DRAM的存儲單元產(chǎn)生可以恢復(fù)的失效〔或誤差〕—軟誤差76四輻射強(qiáng)度的單位及相關(guān)參數(shù)1輻射吸收劑量輻射吸收計量是指在輻射環(huán)境下，資料單位質(zhì)量所吸收的能量，單位為Gy(戈瑞)國際單位制(SI)：表達(dá)式為m2?s-2與SI單位并用的另一單位：rad(拉德)，其中1rad＝吸收能量100erg(爾格)/g(克)1Gy＝100rad資料不同吸收計量也不同，所以吸收計量需注明是什么資料，例如Gy(Si)或rad(Si);772中子輻射積分通量n它闡明了資料及器件遭到位移效應(yīng)影響的大小,由單位面積照射的中子數(shù)表示為中子/cm－2;3劑量率它闡明了單位時間內(nèi)資料或器件從高能輻射環(huán)境中吸收的能量，其單位為Gy?S-1或rad?S-1;4總劑量率γ它是資料或器件從高能輻射環(huán)境中吸收的能量,單位為Gy(Si)或rad(Si);787980由表可見，各種半導(dǎo)體器件受核輻射損傷的效應(yīng)大致規(guī)律。輻射強(qiáng)度量的概念：１普通晶體管的中子損傷容限約為1013cm-2,相當(dāng)于百萬噸TNT當(dāng)量級在100Km高空核爆炸距爆心30Km處的中子注量;2而射線呵斥的損傷容限為104-105Gy,相當(dāng)于百萬噸TNT當(dāng)量級在100Km高空核爆炸距爆心1Km之內(nèi)的破壞半徑;比較兩者呵斥的后果,核爆炸呵斥的永久損傷主要思索中子效應(yīng)。813.4.2雙極型半導(dǎo)體器件的輻射效應(yīng)一、二極管的輻射效應(yīng)1、電離輻射效應(yīng)〔1〕輻射均能在資料中引發(fā)電離效應(yīng)，所產(chǎn)生的電子-空穴對在濃度梯度和電場的作用下，在器件和電路中構(gòu)成光電流?！?〕由輻射感生的載流子數(shù)量(光電流大小),與輻射類型無關(guān),僅取決于電離過程中的能量吸收率。Si中輻射感生載流子的產(chǎn)生率：式中,g0為載流子生成常數(shù),對Si:g0=4×1013cm-3rad-1;為能量吸收率，或稱劑量率，單位是rad?S-1。82(3)二極管的光電流是在電離脈沖作用下，PN結(jié)空間電荷區(qū)的感生載流子和結(jié)兩側(cè)幾個分散長度內(nèi)的載流子在強(qiáng)電場作用下被PN結(jié)搜集而構(gòu)成的。二極管的光電流與輻射劑量及二極管的體積有關(guān)；輻射的結(jié)果，二極管的總劑量效應(yīng)表現(xiàn)為：反向漏電流增大；正向壓降和外表形狀變化；大多數(shù)二極管總劑量效應(yīng)的閾值為104rad(Si),實踐可以允許到105－106rad(Si)；隧道二極管那么可達(dá)106rad(Si)；83正向電阻增大—載流子去除效應(yīng)和遷移率減小；反偏時，擊穿電壓升高—電阻率增大；反偏時，漏電流增大—復(fù)合速率的提高及外表損傷。發(fā)生這些變化的中子通量在1012－1014中子/cm2中子輻照對二極管V-I特性的影響2中子位移損傷效應(yīng)〔1〕在中子輻照下，PN結(jié)二極管的I-V特性發(fā)生變化84〔2〕穩(wěn)壓管具有較強(qiáng)的抗輻射才干摻雜濃度高，故載流子去除效應(yīng)很?。惠p摻雜區(qū)少子壽命較其他二極管短?！?〕變?nèi)荻O管由于載流子去除效應(yīng)和少數(shù)載流子壽命的下降，使它介質(zhì)損耗因子增大，電容量減小；其中子通量閾值略高于1013中子/cm2。〔4〕隧道二極管由于其摻雜濃度大于1019以上，費(fèi)米能級進(jìn)入導(dǎo)帶和價帶，能帶簡并。它的抗輻射才干要比普通二極管高一個數(shù)量級，總劑量閾值可達(dá)108rad(Si)以上；中子通量閾值為51014中子/cm2。85永久性中子損傷使隧道二極管I-V特性曲線的負(fù)阻性能變壞；峰值電流減小，谷值電流增大。中子輻照對隧道二極管特性的影響86二、晶體管的輻射效應(yīng)1、電離輻射效應(yīng)〔1〕電離輻射在晶體管內(nèi)引起可觀的光電流在電離輻照下，一次光電流可在晶體管發(fā)射區(qū)、eb結(jié)空間電荷區(qū)、基區(qū)、bc結(jié)空間電荷區(qū)和集電區(qū)等五個區(qū)域產(chǎn)生；每部分光電流的大小都正比于產(chǎn)生區(qū)的體積；大的光電流可以使晶體管的任務(wù)形狀發(fā)生變化：使集電極電流Ic超出線性放大區(qū)；嚴(yán)重時可使電流過載乃至晶體管燒毀；使數(shù)字電路呵斥邏輯錯誤或電路閉鎖。87〔2〕電離輻射使晶體管電流增益下降、漏電流增大：★凡此種種都使晶體管外表形狀、載流子外表復(fù)合速度和外表導(dǎo)電性能發(fā)生變化,嚴(yán)重時使P型基區(qū)外表反型,構(gòu)成導(dǎo)電溝道等。可見,電離輻射必然導(dǎo)致電流增益hFE下降和漏電流增大。目前普通的總劑量閾值為105－106rad(Si)；在電離輻照下，管殼內(nèi)部氣體電離，引起管芯氧化層外表可動正離子積累；輻照使氧化層本身電離，產(chǎn)生電子—空穴對，遷移率大的電子被電場掃出氧化層，留下來的空穴被晶格俘獲，在Si-SiO2界面附近建立正空間電荷；引入新的界面態(tài)。882、中子位移損傷效應(yīng)晶體管的輻射損傷主要是由位移損傷效應(yīng)引起的；〔1〕在半導(dǎo)體內(nèi)呵斥的位移損傷使少子壽命下降，基區(qū)復(fù)合電流增大，從而導(dǎo)致晶體管電流增益hFE的降低；普通晶體管,在中子通量為1012中子/厘米2時hFE開場迅速下降；達(dá)1015中子/厘米2時,晶體管將失去電流放大才干；89〔2〕使飽和壓降Vces增大；飽和壓降與中子通量的關(guān)系90

〔4〕使晶體管上升時間增大，存儲時間及下降時間減少；中子損傷是永久性的，經(jīng)適當(dāng)?shù)耐嘶鹂墒蛊骷?shù)恢復(fù)。漏電流與中子通量的關(guān)系〔3〕使漏電流增大；91923.4.3雙極型集成電路的輻射效應(yīng)1.在輻照下，由于載流子的去除效應(yīng)，分散電阻隨著中子通量的增大而增大；2.在中子輻照下，由于載流子的去除效應(yīng)和少子壽命的下降，介質(zhì)的損耗因子增大，電容量下降；3.輻照可以添加發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)