国产双极工艺线性电路低剂量率辐照效应评估方法

李鹏伟，吕 贺，张洪伟，孙 明，刘 凡，孙 静

（1. 中国航天宇航元器件工程中心；2. 国防科技工业抗辐照应用技术创新中心：北京 100029；3. 哈尔滨工业大学 材料学院，哈尔滨 150006；4. 中国电子科技集团公司第 24 研究所，重庆 400060；5. 中国科学院 新疆理化技术研究所，乌鲁木齐 830011）

0 引言

随着国家元器件自主可控战略的实施，越来越多的国产元器件将应用于卫星型号任务中。但受制于国内元器件设计、抗辐射加固设计和芯片工艺技术等原因，新研制的国产元器件的空间应用成熟度较低[1]。元器件在空间应用中的抗辐射能力是一项关键指标，因此，对国产元器件的抗辐射能力进行准确评估十分重要。

自从1991年Enlow等[2]发现了采用双极工艺的器件具有低剂量率辐射损伤增强效应（enhanced low dose rate radiation sensitivity, ELDRS）以后，相关研究日益受到国内外关注[3-6]。低剂量率辐射损伤增强效应是指相同累积辐射剂量下，低剂量率辐射条件下引起的损伤远远大于高剂量率下的。当前的元器件鉴定考核试验中多选用较高辐照剂量率的试验条件，而空间辐射环境中的真实剂量率范围在 5×10-4～1×10-2rad(Si)/s之间[7]，因此，存在因剂量率选取不当而过高评估元器件抗电离总剂量辐射能力的问题。

本文以国产化元器件为研究对象，开展了国产双极工艺电路的0.01 rad(Si)/s剂量率辐照试验，并通过对比0.1 rad(Si)/s剂量率辐照试验结果，引入辐射损伤增强因子和参数判据相结合的评价方法，分析评估了各型号器件的ELDRS特性及抗电离总剂量辐射能力水平。

1 试验描述

1.1 试验样品

本次试验共选取9款型号规格的器件（详见表1）作为试验样品，涵盖4种类别的制作工艺，包括SOI的互补双极工艺、双极工艺、双极FET和双极CMOS工艺；从单管特性来看，包括NPN、VPNP、LPNP、SPNP、PJFET、NMOS、PMOS、寄生 NPN 等8种基本单管工艺及其组合；从电路结构特性来看，包括运放类及其相关器件5款，电压基准源类2款，脉宽调制器和模/数转换器各1款。

辐照试验样品选用同批次筛选合格后的产品，每款样品在不同剂量率下的试验样品数量为11只，其中5只加偏置进行辐照，5只不加偏置进行辐照，1只不进行辐照（作为试验对比器件）。

表1 试验样品型号规格Table 1 Type specifications of test articles

1.2 辐照试验条件

选取0.01和0.1 rad(Si)/s剂量率辐照条件进行辐照试验。其中，0.01 rad(Si)/s低剂量率辐照试验采用中国科学院新疆理化技术研究所的小60Co-γ射线源开展，剂量率场范围 0.5 m×5 m（高×宽），辐照剂量率不均匀度小于3%；0.1 rad(Si)/s剂量率辐照试验采用北京大学60Co-γ射线源开展，剂量率场范围0.5 m×5 m（高×宽），辐照剂量率不均匀度小于5%。

分别选取器件在50、100 krad(Si)辐照累积剂量点的敏感电参数测试结果进行对比分析。

2 试验结果及分析

2.1 辐照试验结果

以辐照至规定的累积剂量点为参考，对发生参数超差的型号进行测试结果汇总（见表2），所选取的测试数据为本组（10只）样本中变化较大的样品的数据。可以看出，运放类器件在辐照至100 krad(Si)后，电参数退化较大的主要为偏置电流（IIB），且不同种类器件偏置电流变化值不同，XX193的偏置电流变化达到228 nA，退化较严重；其他型号规格器件的敏感参数也有超出判据范围，但变化值不明显。

通过对低剂量率辐照试验数据的分析和处理，依据各产品详细规范中的判据规定，可以得出各型器件抗低剂量率辐照电离总剂量的能力如表3所示，结合表2中参数超差情况得到：在低剂量率辐照条件下，XX119等3款器件的抗辐射能力达到100 krad(Si)；XX215等 3款器件的抗辐射能力低于 20 krad(Si)，其中 XX584 仅为 5 krad(Si)。

表2 器件敏感电参数在 0.01 rad(Si)/s 剂量率辐照下的测试结果Table 2 Test results of sensitivity parameters under 0.01 rad(Si)/s dose rate irradiation

表3 0.01 rad(Si)/s 剂量率辐照下的器件抗辐射能力Table 3 The radiation hardness of components under 0.01 rad(Si)/s dose rate irradiation

2.2 不同剂量率条件下试验结果比较

通过开展不同剂量率（0.01和0.1 rad(Si)/s）条件下的辐照试验，评估了不同型号规格器件的抗总剂量辐射能力（详见表4）。

表4 不同剂量率条件下的器件抗辐照能力Table 4 The radiation hardness of components under different dose rate irradiation

从表4可以看出：XX574、XX8041、XX584、XX811等器件在低剂量率辐照条件下的抗辐射能力较低，而 XX193、XX117、XX215等器件在 2种剂量率辐照条件下的抗辐射能力一致，需要进一步分析前者是否具有ELDRS特性。在较低剂量率辐照下，双极工艺器件表现出不加偏置条件下的样品电参数退化比加偏置条件下的更恶劣，如XX811、XX584、XX193；而采用 BiCMOS 工艺的 XX574、采用 CBIP工艺的 XX8041、采用 BiFET工艺的XX215等表现出相反的趋势，即加偏置条件下的器件参数退化得更恶劣。

2.3 抗辐射能力分析与讨论

双极工艺（或含）器件的抗辐射能力评估准确性是衡量试验方法选取的关键指标之一，其中需要考虑高/低剂量率选取，试验样品的特性以及应用条件的裕度。评价双极工艺器件的抗电离总剂量辐射能力则需要确定3个判据：1）既定的辐照累积剂量点；2）被辐照样品是否具有ELDRS特性；3）被辐照样品的应用判据范围。

为评估双极工艺电路是否具有ELDRS特性，引入“辐射损伤增强因子”的概念，即2种不同剂量率条件下，在辐照至规定累积剂量时，器件电参数退化量的比值

式中：Γ0.01/0.1为 0.01 rad(Si)/s剂量率与 0.1 rad(Si)/s剂量率相比的辐射损伤增强因子；ST-0.01和ST-0.1分别为在剂量率为 0.01 rad(Si)/s和 0.1 rad(Si)/s条件下辐照至累积剂量时的器件电参数测试值；S0为辐照前该电参数的初测试值。Γ0.01/0.1值越大，则表明器件的ELDRS特性越明显。

结合0.1 rad(Si)/s剂量率条件下的鉴定检验试验数据结果，以及50和100 krad(Si)累积剂量下的器件电参数测试数据，按照辐射损伤增强因子的定义分析各型号器件的ELDRS特性，其中对应50 krad(Si)累积剂量的结果如表5所示：在相同累积剂量条件下，XX1845、XX117、XX215、XX8041等器件的Γ0.01/0.1值均在3以内；而XX193、XX119等器件的Γ0.01/0.1值较高，其中XX119的高达到114，表明低剂量率辐照损伤引起的退化程度更严重，器件的ELDRS特性十分明显。

表5 器件在 50 krad(Si)累积剂量下的辐射损伤增强因子Table 5 Radiation damage enhancement factors of devices under 50 krad(Si) total dose irradiation

根据表5数据分析：XX1845、XX117、XX215、XX8041等器件的ELDRS特性不明显；XX193的Γ0.01/0.1为10.81，低剂量率条件下偏置电流（IIB）退化至约-370 nA，超出了判据的下限（-170 nA）要求，而高剂量率条件下的参数退化在合格范围之内，可见该器件具有ELDRS特性，且抗电离总剂量辐射能力低于 50 krad(Si)；XX119 的Γ0.01/0.1为114.64，比较大，但其在低剂量率辐照下的偏置电流退化不明显，退化值远远小于参数判据限值，可见该器件的抗电离总剂量辐射能力达到50 krad(Si)。

从上面分析可以看出，按照工程应用需求对器件抗电离总剂量辐射的能力进行评价，主要依据辐照后器件电参数是否在产品详细规范中规定判据范围之内；而对于双极工艺电路是否具有ELDRS特性则主要依据其退化参数在低剂量率辐照后引起的损伤是否更严重——辐射损伤增强因子越大，表明器件的ELDRS特性越明显。ELDRS的物理机制比较复杂，目前的研究对其尚无统一的认识，其根本原因在于没有完全掌握辐射产物的形成过程及其与剂量率、氧化层电场、缺陷能级及分布等因素间的相互关系[8-9]。因此，在对新研制器件进行工程应用评估时需要先确认其是否具有ELDRS特性，对于该特性不明显的器件，在确保工艺条件稳定的前提下，可不进行低剂量率辐照评估试验；而对于具有该特性的器件，不仅要加强工艺技术提升，同时还要逐批开展低剂量率辐照评估试验，以确保能够避免器件空间应用中的风险。

3 结论及建议

通过开展国产双极工艺电路低剂量率辐照对比试验，分析试验数据并结合器件的低剂量率辐射敏感特性及工程应用判据，得出结论如下：

1）低剂量率辐射损伤增强效应对于XX193、XX811、XX119、XX1845、XX117、XX580、XX215等器件不明显；而对于XX193、XX119和XX574等器件明显。

2）就抗电离总剂量辐射的能力而言，XX1845、XX117、XX580 等器件的指标大于 100 krad(Si)；XX119、XX811、XX193等器件的指标在 50～100 krad(Si)之间；XX574、XX215、XX8041 等器件的指标在 20～50 krad(Si)之间；XX584的指标低于 5 krad(Si)。

综上，建议：针对低剂量率辐射损伤增强效应不明显的器件，在具有相同的工艺和抗辐射加固结构条件下，明确工艺设计稳定后，可不再进行低剂量率辐照试验；针对不同型号规格产品的相同工艺，开展工艺要素及其边界范畴梳理，对于符合要素边界范畴的型号规格，可不再进行低剂量率辐照试验。针对低剂量率辐射损伤增强效应明显的器件，需要加强工艺改进，并逐批开展低剂量率辐照评估试验，同时针对工艺设计不稳定、设计更改等情况，均须对器件进行低剂量率辐照评估试验。

下一步将针对产品抗辐射能力与低剂量率辐射损伤增强效应之间的关系开展理论方法研究。