半导体器件单粒子效应及标准研究

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1、万方数据摘要简要介绍半导体器件的单粒子效应及其机理。重点分析当前国外主要的单粒子效应试验方法标准，针对标准中辐照源及重离子射程的关键问题进行研究，并对如何制定我国的单粒子试验方法标准提出了建议。关键词半导体器件效应单粒子标准Abstract：Thispaperbrieflyintroducessingleeventeffect(SEE)insemiconductoranditsmechanism,especiallyanalyzesthemainSEEtestmethodstandardsoftheworM．Severalcriffcalprobfems加thesestandar

2、dsarestudiedandthesuggestionofdevelopingSEEtestmethodstandardsofourcountryisputforward．Keywords：semiconductordevice；effect；singleevent；standard半导体器件单粒子效应及椽灌研究ResearchonSingleEventEffectinSemiconductorDevicesandItsStandards中国电子技术标准化研究所周俊王宝友引II言I--'1，20世纪50年代初期，随着半导体技术的发展，在各种辐射环境下半导体器件辐射效应的研究广泛

3、开展。辐射效应主要针对工作于核爆、空间、反应堆和加速器等辐射环境中的材料、元器件、集成电路和电子系统，进行损伤机理、模拟试验和加固技术等方面的研究，由此推动新材料、抗辐照器件和电路的研究和发展，最终能在生产线上制造出在上述辐射环境下工作的器件和电路，以替代在实际辐射环魔下不能正常工作的电子系统【"。20世纪90年代以来．国内外关于器件的辐射效应的研究主要集中于新型抗辐射器件Si／SiO，界面辐射产生的俘获电荷和界面态理论、亚微米器件SoS和SOl抗辐射隔离技术、电子系统的辐射加固保证技术．双极器件和双极线性集成电路低荆量率辐射的增强损伤．空间和近地的单粒子效应等。近年来，随着国内

4、外航天事业的发展，半导体器件的单粒子效应研究与考核成为研究的热门课题．27∞∞年第6期信息技术5标准化hnp：#wwwJts．cesi．cn万方数据1单粒子效应机理20世纪70年代末发现了单粒子效应的问题，起因是卫星不明原因的失效啪。空间辐射环境中的重离子、高能质子等粒子射人电子系统中的半导体器件，例如击中随机存储器存储单元的位线时，会使存储单元的状态发生变化，这种变化可以是。1。到。0”或者。0。到“1。，也可能是器件的局部烧毁或者栅穿。随着集成电路工艺的发展，单位面积上存储单元的密度越来越大。即单个存储单元的体积越来越小，由单个粒子引起的问题也越来越突出，从而导致由这些器件制

5、成的仪器、设备或系统的误动作，诱发异常和故障，严重影响系统的可靠性和寿命。带电粒子引起存储单元逻辑错误的能力是粒子线性能量传输(LET)的函数【3l，LET是带电粒子沿径迹单位长度沉积的能量。当带电粒子人射存储器芯片，粒子与存储单元耗尽区内硅或其他材料原子作用，会将部分能量传递给被作用的原子，若淀积能量足够高时，会引起耗尽区电离，释放电子空穴对。如果累积电荷超过了栅的阈电荷，就会使得存储单元的逻辑状态发生改变，即单粒子翻转(SEU)；或者导致体硅CMOS电路的寄生可控硅结构导通，产生单粒子锁定(SEL)；对于功率MOSFETs，则会导致漏源间的局部烧毁或者栅穿，发生单粒子烧毁(S

6、EB)或栅穿(SEGR)，使得器件发生永久性失效。表1为单粒子效应的主要分类及概念【4】。表1单粒子效应的分类与概念分类概客单粒子翻转单个高能粒子作用于半导体器件，引发器件的逻辑状态发生变化的一种辐射效应单粒子锁定单个高能粒子作用于体硅CMOS电路，导致寄生可控硅结构导通，造成器件低电阻、大电流状态的一种辐射效应人射高能粒子产生的瞬态电流导致晶体管或寄生的双极晶体管导通。在电场的作用下，晶体管集电结电流不断单粒子烧毁增大，发生二次击穿，导致器件烧毁，主要发生于功率MOSFETs和双极晶体管中在适当的偏压下，带电粒子产生的电荷在栅氧化物内产生很强的电场．导致局部电介质被击穿，即栅介

7、质击穿，单粒子栅穿主要发生于功率MOSFETs、EEPROM以及非挥发性SRAM的写人和擦除过程中2国外单粒子效应试验方法标准国外单粒子效应试验方法标准主要涉及美国国防部、电子器件工程联合委员会(JEDEC)、欧洲航天局(ESA)美国材料与试验协会(ASTM)、美国电子工业协会(IEIA)、等组织的标准，如表2所示。表2半导体器件单粒子效应相关的国外标准标准代号标准名称TestmethodforsemiconductordevicesMethod1080：Singleeventb