屏蔽材料封装CMOS器件的电子辐照损伤

　　CMOS器件自问世以来,由于低功耗、高速率和易集成等优点,在航天领域得到了广泛的应用。但是由于空间辐射环境,如宇宙射线、范·艾伦辐射带(Van Allen Belt)、太阳电磁辐射等对CMOS器件的辐射损伤,导致CMOS器件可靠性降低,进而对卫星等航天器的使用寿命造成很大的限制。如何提高CMOS器件的抗辐射水平,已成为当今微电子领域,特别是航天领域非常关注的课题。

　　近年来,国内外一些研究所和高科技公司提出了一种针对空间电子辐射,提高微电子器件抗辐射水平的方法[1,2]。这种方法采用对已封装微电子器件外加一层抗辐射屏蔽材料封装的方法,试图通过屏蔽材料对空间高能电子的阻挡,降低高能电子对微电子器件的影响,提高器件抗电子辐射水平。研究人员对屏蔽材料的屏蔽效果,从屏蔽材料本身[2-4]及被封装的电子器件功能[5]等方面进行了研究。但对屏蔽材料封装微电子器件的电子辐照损伤并没有做参数及损伤机理层面上的研究。

　　在有、无屏蔽材料封装的条件下,本文研究了电子辐照前后的CMOS器件敏感参数如静态功耗电流、I-V特性曲线以及器件的功能。通过比较,探讨了屏蔽材料封装的CMOS器件电子辐照损伤存在的原因及损伤机理,并指出采用CMOS器件考察屏蔽封装材料时应重点参考的参数。

　　1　实验方法

　　本实验辐照源采用中科院新疆理化技术研究所的ELV-8型2MeV电子加速器,CMOS器件采用HD74HC04,器件所用抗辐射屏蔽材料封装由西安771所提供。有、无屏蔽材料封装的器件所加偏置为Vin=Vcc=5V,所有输出端悬空。第一组实验采用电子能量1.5MeV,通量为1.5×1010e/cm2·s的电子束辐照,分别在辐照累积注量0e/cm2、5.0×1012e/cm2和1.0×1013e/cm2时,对器件的静态功耗电流、I-V特性曲线以及器件功能进行测试。

　　测量静态功耗电流的方法是所有输入端接低电位,所有输出端悬空,Vcc=5V,测量Icc;测量I-V特性曲线的方法是所有输入端接低电位,只对其中一个输入端进行0—5V的电压扫描,Vcc=5V,测量Icc。

　　2　实验结果与分析

　　2·1　有、无屏蔽材料封装CMOS器件的电子辐照损伤

　　2.1.1静态功耗电流

　　图1给出了在有、无屏蔽材料封装的条件下,CMOS器件静态功耗电流随电子辐照注量的变化。由图1得出,有屏蔽材料封装的CMOS器件在受电子辐照时,静态功耗电流缓慢变大;而无屏蔽材料封装的CMOS器件,其静态功耗电流在辐照注量达到5.0×1012前迅速变大,继续辐照,静态功耗电流缓慢变大。影响CMOS器件静态功耗电流的主要因素是电离辐射引起的场氧漏电流[6]。无屏蔽材料封装的器件,由于直接处在电子束辐照下,其场氧漏电流迅速增加,辐照到一定阈值后,器件场氧区积累的大量电荷对场氧区电荷的继续累积产生了排斥作用。所以静态功耗电流在开始辐照时迅速变大,后面变大得较慢。对于有屏蔽材料封装的器件,由于屏蔽材料的阻挡,到达器件的电子能量及通量均有所减弱,因此电子辐照在器件中产生的场氧漏电流就比较小。在电子辐照注量累积到1.0×1013e/cm2时,有屏蔽材料封装CMOS器件的静态功耗电流比无屏蔽材料封装CMOS器件小约两个数量级。