空間環境輻射試驗

應用於衛星或空間飛行器等電子系統中的半導體器件，將會不可避免地受到空間輻射環境的影響。

空間輻射環境主要來源有 3 個：①地磁場俘獲帶（也稱範·艾倫輻射帶（Van Allen Belt）），主要由電子和質子組成；②太陽宇宙射線，主要由質子（90%～95%）和氦粒子組成；③銀河宇宙射線，主要由質子（85%）、氦粒子（1%）和高能重粒子（1%）組成。

複雜的空間輻射環境將會對應用於航天電子系統中的半導體器件產生輻射效應，從而引起半導體器件的性能退化甚至是功能失效，最終將嚴重影響太空飛行器的可靠性及在軌壽命。

太空輻射環境對半導體器件的輻射破壞主要有 3 種方式：①電離總劑量輻射效應（Total Ionizing Dose，TID）；②單粒子效應（Single Event Effects，SEES）；③位移損傷（Displacement Damage，DD）。其中，質子主要產生總劑量電離損傷、單粒子效應和位移損傷，電子主要產生總劑量電離損傷，而高能粒子主要產生單粒子效應。另外，電離總劑量輻射效應和單粒子效應統稱為電離效應。

半導體器件作為太空飛行器的基本組成單位，其抗空間輻射能力的強弱在很大程度上決定了在軌太空飛行器的使用壽命和可靠性。因此，在惡劣的空間輻射環境下，為保證太空飛行器的安全可靠性和確保飛行任務的順利實現，必須選用達到相應輻射等級的半導體器件。空間環境輻射試驗技術是在地面檢驗半導體器件抗空間輻射能力極其重要的手段，對於保證太空飛行器的安全及可靠性具有極其重要的意義。

一、概述

輻射粒子穿進物質，與物質中的電子相互作用，把自身的能量傳給電子，如果電子由此獲得的能量大於它的結合能（有效的激發要求入射輻照粒子的能量高於材料禁帶寬度的 3倍），電子就脫離原子核對它的束縛成為自由電子，而原子則變成了帶電離子（也可視為原子獲得了一個空穴，從而形成電子-空穴對）。這一過程稱為電離輻射效應。快中子流、高能電子、γ射線和X射線等均可引起電離效應，γ射線和X射線等光子流更容易引起材料電離，γ射線的電離效應最為顯著。

帶能量的光子（γ射線及 X 射線）同固體相互作用時，電離損傷是主要的損傷機理。當光子入射材料時，依據光子能量不同，與靶原子可以產生三種相互作用的物理過程：①光電效應；②康普頓散射效應；③電子對效應。

低能光子和物質發生作用主要是通過光電效應。入射光子的能量完全被吸收，同時激發一個電子到一個高能態，就產生了一個自由的光電子和一個帶正電的原子核。

對於高能光子，康普頓散射佔主導地位。在這個過程中，一個光子和原子碰撞時，光子把一部分能量傳給目標原子的一個電子，使這個電子有足夠的能量離開原來的原子。康普頓散射的結果是產生了一個低能光子，同時也產生了一個自由電子和一個電離原子核。

電子空穴對效應通常是對極高能量的光子而言的，在此過程中，入射光子和目標原子碰撞後產生一個正負電子對，正電子和電子有相同的特性（電荷量和大小），不同之處僅在於它帶正電。入射光子在這個過程中完全被湮沒。

光子3 種效應隨物質的原子序數Z和光子能量變化的相對重要性如圖1 所示。圖中實線為相鄰效應的等作用截面線，虛線表示光子與矽（Z=1）相互作用的情況。可以看出，對於矽材料在能量小於 50keV 時，光電效應起主要作用，當能量大於 20MeV 後，電子對生效應起主要作用，在中間的能量範圍，則以康普頓散射效應為主。

圖1 光子3種效應隨原子序數Z和光子能量變化的相對重要性

實驗室使用的鈷 60γ射線源釋放的γ射線的能量有兩種：1.17MeV 和 1.33MeV。因此，γ射線與物質的作用主要是康普頓散射，產生康普頓電子。

X射線的能量一般比較低，通常為幾keV到近百keV，因此，X射線與物質的作用主要是光電效應。

1.電離總劑量輻射效應

電離總劑量輻射效應是指電離輻射的累積導致器件的參數發生退化的現象。

半導體器件主要分為MOS器件、雙極器件兩類。對於MOS器件，無論是矽柵器件還是金屬柵器件，在柵和襯底之間有一層SiO2介質，其與襯底Si將構成Si-SiO2系統；而雙極器件均採用SiO2鈍化層（氧化層）保護器件表面，其鈍化層與襯底Si也將構成Si-SiO2系統。電離總劑量輻射效應的基本機理是電離輻射在 Si-SiO2系統中產生氧化物陷阱電荷（Not）和界面態（Nit），輻射產生的氧化物陷阱電荷（Not）和界面態（Nit）使器件的性能參數發生退化。輻射在 Si-SiO2 系統中產生氧化物陷阱電荷（Not）和界面態（Nit）的基本過程如圖2所示。

圖2 輻照下Si-SiQ2系統中的反應過程和主要缺陷

在輻射過程中，SiO2吸收射線能量而被電離，產生大量的電子-空穴對（過程 1）。大部分電子-空穴對在約 10^-12s 即皮秒（ps）的時間內發生複合（過程 2）。逃離初始複合的電子-空穴對在氧化物中電場的作用下分離（過程 3）。電子由於遷移率遠高於空穴，其會在很短的時間內被掃出氧化物層。剩餘的空穴將會緩慢地向界面處運輸（過程 4）。當空穴緩慢運動到界面附近時將會被界面的氧空穴缺陷（空穴陷阱）俘獲，形成氧化物陷阱電荷（過程 5），帶正電荷。此外，另一個主要的反應過程是界面陷阱（輻射感生界面態）的形成。當空穴以「跳躍」輸運到界面附近時，會發生一系列的反應，生成輻射感生界面態（過程 9），而且輻射感生界面態的形成與SiO2鈍化層（氧化層）中的H離子也有很大的關係。

1）氧化物陷阱電荷（Not）的特性

如上所述，氧化物陷阱電荷（Not）是由於空穴在界面處被空穴陷阱俘獲所形成的，帶正電荷。

在電離輻射過程中，氧化物陷阱電荷（Not）將會快速地大量產生，但是輻射產生的氧化物陷阱電荷（Not）並非永久保持著，而是會經歷一個與時間相關的退火過程。

氧化物陷阱電荷（Not）的退火過程，實際上就是氧化物陷阱電荷（Not）消失的過程。氧化物陷阱電荷（Not）的退火過程主要分為隧道退火和熱退火。隧道退火指的是由於襯底 Si中的自由電子的隧穿效應，進入 SiO2 中與氧化物陷阱電荷（Not）複合的過程，此過程與界面勢有關，也即與外加偏置有關。熱退火指的是空穴受熱激發到價帶而脫離陷阱的過程，此過程與溫度有很大的關係。

研究表明，室溫下氧化物陷阱電荷（Not）就會發生緩慢的退火效應，當溫度達到 100℃時，氧化物陷阱電荷（Not）將會發生大量退火。

在電離輻射的過程中，氧化物陷阱電荷（Not）的產生和退火是兩個相對獨立而又同時存在的過程。電離輻射結束後，氧化物陷阱電荷（Not）也會繼續退火。

2）界面態（Nit）的特性

輻射感生界面態的過程，就是 Si-SiO2 界面處存在大量弱鍵在輻射作用下斷裂成懸掛鍵的過程。界面態（Nit）可以分為施主型和受主型兩類。輻射感生界面態（Nit）所帶電荷的極性與襯底Si的摻雜有關。

輻射感生界面態（Nit）的產生和氧化物陷阱電荷（Not）不一樣，輻射感生界面態（Nit）的產生與時間有很大的關係，而且在電離輻射結束後也依然會產生。而且常溫下，輻射感生界面態（Nit）的生成速率非常緩慢。

另外，輻射感生界面態（Nit）的退火和氧化物陷阱電荷（Not）也不一樣。研究表明，輻射感生界面態（Nit）在常溫下並不發生退火效應，當溫度高於 125℃時，輻射感生界面態（Nit）才會開始發生退火效應。

2.電離總劑量基本單位

1）總劑量（吸收劑量）

總劑量（吸收劑量）定義為單位質量材料所吸收的任何電離輻射的平均能量，也稱為吸收劑量。

吸收劑量的 SI 單位（國際單位制）為 1J/kg，其專用名為「戈瑞」，符號為「Gy」，其中1Gy=1J/kg。即1Gy等於1kg受照射物質吸收1J的輻射能量。

吸收劑量另外一個常用單位為拉德（rad），其與戈瑞（Gy）之間的換算關係如下：1rad=0.01Gy

必須指出的是，這裡定義的吸收劑量適用於任何電離輻射及收照射的任何物質。但是不同種類的物質，其吸收輻射能量的能力是不同的，因此，凡是提到吸收劑量，必須指明是什麼物質的吸收劑量，一般的表示方法為 rad（物質名稱）。如 rad（Si）表示 Si 材料吸收的輻射能量大小；rad（H2O）表示水吸收的輻射能量大小。

2）吸收劑量率（劑量率）

吸收劑量率指的是材料吸收輻射能量的速率，也就是單位時間內吸收的輻射能量的大小。

吸收劑量率的SI單位為Gy/s，常用單位為rad/s。

同吸收劑量一樣，凡是提到吸收劑量率必須指明是什麼物質的吸收劑量率。

3.電離總劑量輻照源及試驗設備

半導體器件對輻射非常敏感，為保證電子設備在特定的輻射環境下能正常工作，必須對它們的輻射效應及輻射加固進行研究。利用衛星搭載飛行試驗的空間輻射進行電子元器件的輻射效應和加固技術研究具有真實性和綜合性，但受條件的限制，在試驗規模和測試的安排上等都有較大的困難，且試驗次數有限。因此，利用實驗室模擬輻射環境對電子元器件進行各種輻射試驗研究便成為最方便和直觀的方法。

對於半導體器件的電離總劑量輻照試驗，目前實驗室最常用的模擬源為 60Co-γ射線源，另外還有X射線源和電子加速器。

X 射線與γ射線對電子元器件的輻射損傷機理是相同的。但是由於 X 射線輻照存在很強的劑量增強效應和初始電子空穴複合因素，再加上 X 射線輻照裝置的能譜、劑量測量都比較困難，因此，在進行總劑量輻照試驗時，通常不會採用 X 射線源，而是大多採用 60Co-γ射線源。而且由於 60Co-γ射線源的能譜比 X 射線更好地匹配於空間輻射的能譜，因此，在進行空間環境總劑量效應試驗中，是以 60Co-γ射線源為主。

1）60Co-γ射線源

60Co-γ射線源是一種穩態輻射源。60Co 是鈷元素的同位素，其半衰期為 5.27 年。60Co 源在衰變的過程中會放出兩束γ射線，其能量分別為 1.17MeV 和 1.33MeV，因此又叫 60Co-γ射線源。由於散射的緣故，60Co-γ射線源的射線能譜中除上述兩種γ射線外，還包含大量的低能成分。這些低能成分同 X 射線一樣，均會引起劑量增強效應，因此，電離總劑量試驗過程中，需要對低能散射部分進行屏蔽。

γ射線具有極強的穿透性、射程大的優點，這將有利於對比較厚的物體進行總劑量試驗。

60Co-γ射線源按照排列方式來分，主要可分為棒源、花籃源和板狀源三類。如圖 3～圖5所示是3種形狀的鈷源的示意圖。

圖3 花籃源（環狀源）

圖4 板狀源

圖6 棒源

棒源指的是由單根源棒組成的鈷源；花籃源是由多根源棒排列成花籃狀的鈷源；而板狀源指的是將多根源棒按一定的間隔距離進行排列組成的鈷源。棒源和花籃源具有劑量分布均勻性好的特點，因此，通常稱棒源和花籃源為點源，相對的稱板狀源為面源。

表 1所示為國內主要的半導體器件電離總劑量輻照試驗用 60Co-γ射線源。

表1 國內主要的半導體器件電離總劑量輻照試驗用 60Co-γ射線源

2）劑量測試系統

所謂劑量測試系統，指的是電離總劑量輻照試驗過程中對輻照劑量率和輻照總劑量進行測量的裝置和方法。劑量測試系統的準確性和有效性是電離總劑量輻照試驗的基礎。

理論上來說，受輻射物質中所引起的效應與吸收的輻射劑量，如電離、發熱、發光等各種物理變化、氧化還原、裂解、聚合等許多化學變化或由此引起的物理性質的變化，都可以作為輻射劑量測量的依據。目前主要的吸收劑量的測量方法有量熱法、電離室法、化學法等。

量熱法是一種直接測定吸收劑量的絕對方法。其基本原理是，被輻照的物質所吸收的輻射能量全部用來使被輻照物質的溫度升高，這樣就可以通過測量被輻照物質溫度的變化來確定所吸收的劑量。熱釋光劑量計就是採用量熱法的一種劑量計，其材料為CaF2。

電離室是由處於不同電位的電極和限定在電極之間的氣體（一般為空氣）組成，通過收集因輻射在氣體中產生的電子或離子運動而產生的電信號來定量測量電離輻射的探測器。圖7所示為電離室劑量儀實物。

圖7 電離室劑量儀

化學法是利用輻射在體系中引起的化學變化與體系吸收的輻射能量之間的定量關係來測定吸收劑量的方法，如硫酸亞鐵劑量計。硫酸亞鐵劑量計又名 Fricke 劑量計，它是一種使用廣泛、精度高、穩定性好的一種化學劑量計。

正如前面所述，凡是提到吸收劑量，就必須指明是何種物質的吸收劑量。因此，用劑量計測得的劑量只代表該劑量計的吸收劑量。例如，Fricke 劑量計測得的吸收劑量是硫酸亞鐵的吸收劑量；空氣電離室測得的吸收劑量是空氣的吸收劑量；熱釋光（CaF2）劑量計測得的吸收劑量是CaF2的吸收劑量。

對半導體器件來說，吸收劑量通常是以Si吸收的劑量來表徵，因此，進行試驗時，均需將上述劑量計測得的吸收劑量轉化為Si的吸收劑量。

二、宇航用半導體器件電離總劑量試驗標準

1.國外相關標準分析

在半導體器件總劑量輻照試驗方面，國外主要總劑量輻照試驗標準如表2所示。

 表2 國外總劑量輻照試驗標準及方法

表 3 總結了ESA/SCC22900 和 MIL-STD-883H 方法 1019.8 的不同之處。可以看出，ESA/SCC22900 和MIL-STD-883G 方法 1019.7 在試驗的適用範圍、輻射源的選擇、輻射總劑量的要求、輻射劑量率、退火條件及輻射過程中的溫度和測試溫度存在差別，而在輻射劑量率的選擇上，兩標準的規定相差幾十倍。

表3 元器件總劑量輻射試驗標準（國外）分析

ESA/SCC22900和MIL-STD-883方法1019.7不僅在劑量率的選擇上存在差異，在試驗程序上也存在不同，如圖8和圖9所示。根據ESA/SCC22900的規定，當MOS工藝的器件進行總劑量輻照試驗時，應選擇 1～10rad（Si）/s 的標準劑量率，輻射至規定的總劑量，不需進行50%額外劑量的輻射，具體試驗程序如圖8所示。根據MIL-STD-883方法1019.7的規定，當MOS工藝的器件進行TID試驗時，應選定標準劑量率為50～300rad（Si）/s，輻射至規定的劑量，如果器件無功能失效，則應繼續輻射 50%額外劑量後進行高溫退火，具體試驗程序如圖9所示。

圖8 ESA/SCC22900規定的總劑量輻照試驗程序

圖9 MIL-STD-883G方法1019.7規定的總劑量輻照試驗程序

2.國內相關標準調研分析

在半導體器件總劑量輻照試驗方面，國內主要總劑量輻照試驗標準如表4所示。

表4 國內總劑量輻照試驗標準及方法

GJB 548B（等同MIL883）方法1019、GJB128A方法1019是現行的集成電路及分立器件總劑量輻照試驗方法。QJ 10004 宇航用半導體器件總劑量試驗方法是國內最新推出的針對宇航用半導體器件的總劑量輻照試驗和程序。表4總結了GJB 548B方法1019、GJB 128A方法1019和QJ 10004的不同之處。可以看出，GJB 548B方法1019、GJB 128A方法1019和QJ 10004在試驗的退火條件、試驗時序及輻射過程中的溫度和測試溫度等存在差別。

表4 元器件總劑量輻射試驗標準分析

三、宇航用半導體器件電離總劑量試驗方法

1.空間低劑量率輻射環境

在地面上對半導體器件進行總劑量試驗的最終目的是為了得到半導體器件在空間輻射環境中的抗輻射能力。因此，有必要詳細了解空間輻射環境。

空間輻射環境是一種低劑量率輻射環境。在太空輻射環境中，器件在低地球軌道（LEO）的真實的輻射環境的劑量率為 10-6～10-5rad（Si）/s，在地球同步軌道（GEO）的真實輻射環境的劑量率為10-5～10-3rad（Si）/s。表5所示是幾種典型軌道的電離輻射積累劑量。

表5 幾種典型軌道的電離輻射積累劑量

由上述可以看出，實際的空間輻射環境是一種低劑量率輻射環境。劑量率對半導體器件的總劑量輻射損傷有很大的影響，其中 MOS 器件表現為時間相關效應（Time Dependence Effects，TDE，也稱時變效應）；雙極器件表現為低劑量率損傷增強效應（Enhanced Low Dose Rate Sensitity，ELDRS）。

所謂時間相關效應（TDE），指的是在輻照結束後，高劑量率經過與低劑量率輻照等時的退火後，由於界面態的後生長及氧化物陷阱電荷的退火，使得在退火結束時損傷程度與低劑量率的損傷程度相當。TDE效應示意圖如圖10所示。對MOS器件及採用CMOS工藝製造的器件，劑量率對器件的輻照損傷均表現為TDE效應。

圖10 TDE效應示意圖

與 MOS 器件不同，對於大多數雙極電晶體及雙極器件而言，不同的劑量率輻照結果不是 TDE 效應，而是一種低劑量輻照損傷增強效應（Enhanced Low Dose Rate Sensitivity，ELDRS）。ELDRS 效應的表現形式為低劑量率輻射損傷比高劑量率輻射損傷更為顯著，而且這種損傷並不能通過與低劑量率輻照等時間相同的環境溫度下退火加以消除（若能加以消除，則為TDE效應）。

大部分雙極器件和線性集成電路都具備明顯的ELDRS效應。

因此，低劑量率空間輻射環境給半導體元器件抗輻射能力實驗室測試評估方法帶來了巨大的挑戰。若採用實際的空間低劑量率對半導體器件的抗空間輻射能力進行評估，那麼所花費的費用、時間將是巨大的，而且由於國內實驗源的能力的限制，無法進行大批量的試驗；若採用高劑量率（50～300rad（Si）/s）進行試驗，一方面由於 ELDRS 效應的存在，無法模擬雙極器件的低劑量率輻照損傷；另一方面，雖然對於 MOS 器件高劑量率輻照加長時間（與低劑量率輻照等時）的室溫退火可以模擬低劑量率輻照損傷，但是其退火時間還是太長，耗費的人力物力還是太大。因此，需要一種加速評估方法來快速評估器件的低劑量率輻射損傷。

目前，對於 MOS 器件的低劑量率輻射損傷的加速評估方法如下：高劑量率輻照—過輻照—高溫退火。國內對存儲器的加速試驗方法的研究表明，這種加速評估方法是嚴格考核存儲器空間低劑量率輻射環境下TID效應的必要試驗步驟。

對於雙極器件，目前幾種主要的加速評估方法如下：①高溫高劑量率輻照法；②常溫變劑量率輻照法；③變溫輻照法；④氫氣浸泡輻照法等。

2.MOS器件的加速評估方法

在GJB 548B—2005、QJ 10004—2008及MIL-STD-883H中給出了MOS器件的總劑量輻照試驗流程（加速評估方法），具體流程如圖11所示。

圖11 MOS器件總劑量輻照流程

第一步：輻照劑量率選用高劑量率50～300rad（Si）/s。

第二步：輻照到規定的總劑量。

第三步：進行電參數測試，若合格，則進行第五步；不合格，則進行第四步。

第四步：進行 7 天的室溫退火後，進行電參數測試，若合格，則進行第五步，不合格，則判為不合格。

第五步：進行50%的過輻照。

第六步：進行TA=100℃的168小時的高溫退火。

第七步：進行電參數測試。

MOS器件的劑量率效應是時間相關效應，即高劑量率輻照加與低劑量率輻照等時的室溫退火可以等效低劑量率的輻照損傷。也就是說時間相關效應是由於劑量率不同，所需輻照時間的長短不同，使輻照期間產生的氧化物電荷和界面態的數量存在差異。而且在高劑量率輻照後保持與輻照相同的偏置條件經過與低劑量率輻照到相同總劑量所需的時間的退火後，將會消除這種差異，最終高劑量率輻照損傷與低劑量率輻照上接近。

由於溫度的升高將會加速氧化物陷阱電荷的退火，而且溫度的升高將會使界面態的生長速度增加。因此，可以利用提高溫度來使高劑量率輻照後的室溫退火加速，進行 TA=100℃的168 小時的高溫退火。由於第六步是為了加速高劑量率輻照後室溫退火的過程，因此，第六步經常被稱為MOS器件加速退火試驗。

但是如果輻照到規定劑量直接進行加速退火試驗，由於氧化物陷阱電荷對溫度極度敏感，將會使加速退火試驗後的氧化物陷阱電荷的數量要小於室溫退火數量。為了補償高溫加速退火試驗中額外發生退火的氧化物陷阱電荷的數目，需要在進行高溫加速退火之前進行50%的過輻照，以進行補償。

第三步中輻照到規定總劑量進行測試，若測試不合格，可以經過一段時間的室溫退火後再行測試。這主要是因為高劑量率輻照後產生的氧化物陷阱電荷要明顯高於低劑量率輻照，為了防止多出這部分的氧化物陷阱電荷引起的誤判，允許經過室溫退火後再進行測試。

3.雙極器件的加速評估方法

與MOS器件不同，雙極器件的劑量率效應表現為低劑量率損傷增強效應（ELDRS），也就是說高劑量率輻照後的室溫退火無法消除與低劑量率的差異，ELDRS 效應的機理和 TDE效應的機理存在很大的區別。因此，GJB 548B、QJ 10004及MIL-STD-883H中給出的MOS器件的總劑量輻照試驗流程（加速評估方法）將不適用於雙極器件。

目前幾種主要雙極器件的加速評估方法如下：①高溫高劑量率輻照法；②常溫變劑量率輻照法；③變溫輻照法；④氫氣浸泡輻照法等。上述四種雙極器件的加速評估方法僅適用於某些特定的器件，並不具備普遍適用性。

因此，對於雙極器件的總劑量輻照試驗，一般採用低劑量率的方式進行輻照試驗。

4.宇航用半導體器件評估試驗方法

宇航用半導體器件評估試驗方法主要包含如下內容：①劑量率和試驗流程的選擇；②偏置條件的確定；③電參數測試的要求；④其他通用要求。

1）劑量率和試驗流程的選擇

由前文的介紹可以看出，劑量率對 MOS 器件和雙極器件的影響完全不同，MOS 器件表現為 TDE 效應，大部分雙極器件表現為 ELDRS 效應；MOS 器件可以採用通用的加速評估方法來模擬宇航低劑量率輻射環境的輻照損傷，而大部分雙極器件只能採用低劑量率輻照的方式來評估低劑量率輻照損傷。也就是說，器件的類型和工藝決定輻照劑量率和試驗流程的選擇。

劑量率的選擇如表6 所示。對同一批器件進行多次輻照試驗和電參數測試時，輻照劑量率可以不同，但劑量率的變化不應超過10%。

表6 劑量率選擇

宇航用半導體器件的試驗流程分為兩種：MOS 器件的試驗流程（見圖 11）和雙極器件的試驗流程（見圖12）。

圖12 雙極器件試驗流程

必須指出，劑量率的選擇在一定程度上決定著試驗流程的選擇。表7所示為幾種半導體器件進行電離總劑量輻照試驗時的劑量率及試驗流程的選擇。

表7 劑量率及試驗流程的選擇

2）偏置條件的確定

總劑量輻照過程中器件的偏置條件是影響器件總劑量輻照損傷關鍵因素之一。器件的偏置條件決定了氧化層中的電場的強度和方向，氧化層中的電場的強度和方向影響著輻射感生電子-空穴對的分離（或初始複合率）和運動方向及速度（遷移率），從而影響著氧化物陷阱電荷和界面態的產生，最終影響器件的電離總劑量輻照損傷的大小。

總劑量試驗標準中對輻照過程器件的偏置條件的規定如下：「輻照過程中器件加最劣偏置條件，或施加代表器件實際工作狀態的偏置條件。」對大規模集成電路來說，確定器件的總劑量輻照最劣偏置條件往往是非常困難的，而且結構不同的器件的最劣偏置也不同。因此，在進行總劑量輻照時，需要進行大量的摸底試驗或仿真分析試驗以確定器件的最劣偏置條件。

另外，選擇的負載應使器件結溫上升少，以防止輻射退火效應的發生。

3）輻照後電參數測試

輻射產生的氧化物陷阱電荷在室溫下就會發生退火效應，因此，為了減小退火效應對試驗結果的影響，輻照後器件的電參數測試時間間隔一般遵守如下規定：

（1）輻照結束到開始電參數測試的時間間隔不得超過 1h；如果使用劑量率條件 C，時間間隔不得超過72h。

（2）上一次輻照結束到下一次輻照開始之間的時間間隔不得超過 2h；如果使用劑量率條件C，時間間隔不得超過120h。

為了減小退火效應的影響，這些時間間隔應該儘量短，且在試驗過程中，電參數的測試順序應保持不變。

另外，如果輻照後的電參數測試採用移位測試的方式進行，那麼將器件從輻射源移至測試地點進行測試以及測試完畢返回輻射源繼續進行輻照的過程中，應將器件的所有引腳短接，使輻射後的退火效應減至最小。

4）其他通用要求

（1）輻射源均勻性要求。器件被輻射的範圍內測得的輻射場不均勻性應低於 10%，且整個輻照試驗期間，輻射源的射線場強度大小（或劑量率）的變化不超過±5%。

另外，器件與輻射源之間位置的變化，以及輻射吸收和散射材料的存在將會影響輻射場的均勻性和強度。

（2）試驗環境溫度要求。溫度對半導體器件的電離總劑量輻照損傷有很大的影響，因此，在進行輻照試驗時，器件附近測得的環境溫度應在（24±6）℃範圍內。

（3）鉛鋁屏蔽盒要求。在輻照試驗室中，一般都會有低能散射（低能射線）的存在，而且低能散射將會引起劑量增強效應，這將對評估結果造成影響。

因此，輻照試驗過程中，器件應該放在鉛鋁屏蔽盒中，以較小由低能散射輻射引起的劑量增強效應。這種鉛鋁屏蔽盒外層要求至少為 1.5mm 厚的鉛，內層屏蔽層至少為 0.7mm 厚的鋁。

如果能證明低能散射輻射足夠小，不會因劑量增強效應引起劑量測定的誤差，也可以不使用鉛鋁屏蔽盒。

四、宇航用半導體器件電離總劑量試驗案例

1.某型DDS器件的電離總劑量輻照試驗

某型 DDS 器件（直接數字頻率合成器），採用外延矽 0.13μm CMOS 工藝，6 層金屬布線，器件內核工作電壓為 1.2V，外部 I/O 工作電壓為 3.3V，其引腳排列圖如圖 13 所示。因此，該器件採用MOS器件的試驗流程進行試驗，具體試驗內容如下。

圖13 某型DDS器件引腳排列圖

1）輻射源選擇

輻照源為鈷60γ射線源。輻照場在試驗樣品輻照面積內的不均勻性小於10%。本試驗的總劑量輻照源為中國科學院上海應用物理研究所的鈷 60 γ射線源，或其他滿足要求的輻照源。

2）試驗環境要求

若無其他規定，所有試驗應該在下列環境中進行：環境溫度為 15℃～35℃；相對溼度為20%RH～80%RH。

3）試驗樣品選擇及處置

樣本數為2隻/每晶圓。另外抽取一隻樣品不輻照作為對比樣品，對比樣品和輻照樣品一起每次進行電測試。

4）劑量率及總劑量

劑量率為0.5Gy（Si）/s（±10%），規定總劑量為1000Gy（Si）。

5）電測要求

總劑量輻照試驗前後的測試採用移位測試。在電參數測量時，先用對比樣品進行測量系統檢查，測試數據和被試樣品的測試數據一起保存。輻照前、後的電參數測試應在同一測試系統上進行，測試項目的順序和測試條件應保持不變，電參數測試的時間間隔遵守如下規定：

（1）輻照結束到開始電參數測試的時間間隔不得超過1h。

（2）上一次輻照結束到下一次輻照開始之間的時間間隔不得超過2 h。

如果輻照後的電參數測試採用移位測試的方式進行，那麼將器件從輻射源移至測試地點進行測試，以及測試完畢返回輻射源繼續進行輻照的過程中，應將器件的所有引腳短接。

6）偏置條件

試驗過程中施加靜態偏執條件，要求如下：

（1）器件的偏置電壓端施加手冊規定的電壓；

（2）對於高電平有效的輸入端，通過電阻上拉至電源電壓；

（3）對於低電平有效的輸入端，通過電阻下拉至地。

具體偏置條件如表8所示。

表8 具體偏置條件

7）試驗流程

試驗流程採用MOS器件試驗流程進行，具體如下：

第一步：利用 UltraFLEX 型大規模數字集成電路測試系統對 3 只（其中一隻對比備份樣品）進行電參數測試，測試結果符合詳細規範要求。

第二步：試驗現場布置，根據選擇的劑量率，將輻照試驗板放置在制定的位置，並驗證通信正常。

第三步：開始輻照試驗，試驗過程中每隔10krad（Si）記錄電源電流一次。

第四步：當輻照總劑量達到 100krad（Si）時，輻照結束。將器件的引腳短接在一起，運輸至電參數測試場所進行電參數測試。

第五步：進行電參數測試，測試結果符合詳細規範要求。

第六步：測試完畢後，將器件的引腳短接在一起，運輸至輻照地點，進行 50%過輻照追加試驗。

第七步：輻照結束，維持輻照偏置條件進行TA=（100±5）℃ 168小時退火試驗。

第八步：高溫退火結束，進行最終點參數測試，測試結果符合詳細規範要求。

2.某型DC/DC的電離總劑量輻照試驗案例

DC/DC 屬於混合電路，其內部既有 MOS 器件也有雙極器件，在進行電離總劑量輻照試驗時，不能採用 MOS 器件的試驗流程，而是應該採用雙極器件的試驗流程。具體試驗內容如下：

1）劑量率和總劑量

考慮到現實的試驗周期及試驗經費的原因，劑量率條件選擇條件 B，劑量率為0.001Gy（Si）/s（±10%），規定總劑量為1000Gy（Si）。

2）電參數測試要求

總劑量輻照試驗前後的測試採用移位測試。在電參數測量時，先用對比樣品進行測量系統檢查，測試數據和被試樣品的測試數據一起保存。輻照前、後的電參數測試應在同一測試系統上進行，且測試項目的順序和測試條件應保持不變，且電參數測試的時間間隔遵守如下規定：

（1）輻照結束到開始電參數測試的時間間隔不得超過1h；

（2）上一次輻照結束到下一次輻照開始之間的時間間隔不得超過2h。

如果輻照後的電參數測試採用移位測試的方式進行，那麼將器件從輻射源移至測試地點進行測試，以及測試完畢返回輻射源繼續進行輻照的過程中，應將器件的所有引腳短接。

3）試驗流程

試驗流程採用雙極器件的試驗流程進行，具體如下：

第一步：進行電參數測試，測試結果符合詳細規範要求。

第二步：試驗現場布置，根據選擇的劑量率，將輻照試驗板放置在制定的位置，並驗證通信正常。

第三步：開始輻照試驗，試驗過程中每隔10krad（Si）記錄電源電流一次。

第四步：當輻照總劑量達到100krad（Si）時，輻照結束。將器件的引腳短接在一起，運輸至電參數測試場所進行電參數測試。