使用分子氢作为放射加速总剂量硬度保证试验双极线性电路的方法

1、使用分子氢作为放射加速总剂量硬度保证试验双极线性电路的方法Philippe C. Adell, Ronald L. Pease, Hugh J. Barnaby, Bernard Rax, Xiao J. Chen, and Steven S. McClure摘要：高剂量率的氢分子压力照射作为一种快速的双极线性电路的总剂量测试方法被提出。该方法在工艺、电路技术及在生活中其他五个方面同样行之有效：比较器（美国半导体的LM193），电压稳压器（Intersil的HSYE-117 RH），电压基准（凌力尔特的LT1019），JFET输入运算放大器（ADI的OP）和温度传感器（ADI公司的AD590）

2、。这种测试技术可以快速建立部件在空间低剂量率响应的上限并帮助部分选择过程，在设计阶段使命。对保证辐射硬度的影响进行了讨论。1.引言增强型低剂量率的灵敏度（ELDRS）双极线性电路一直是重要的研究课题，因为它是首次报道的1 - 4。虽然早期的测试结果和建模似乎表明现象ELDRS的处理的结果，和厚度的基氧化物后来的研究表明，占主导地位的因素会影响剂量率的灵敏度和总剂量响应的是最后的钝化5 - 7，包装和包装后的热治疗方法8和氢的量，可能会被困包中的9 - 11。某些类型的最终钝化步骤到基氧化物，可能会引入大量的氢气，如低温氮化物过程中使用的氨和硅烷。热治疗既可以驱动氢到基氧化物和改变结合的手段到氧

3、化物中。此外，外部氢源迅速漫过干预钝化层基氧化物9，如氮化物，除非有一个屏障10。手稿收到2009年7月17日2009年9月10日修订。当前版本2009年12月9日公布。这项工作是由国防部分支持威胁降低局计划和美国NASA电子零件程序。B. RAX和SS麦克卢尔PC Adell的喷气推进实验室，加州理工学院帕萨迪纳，CA91109 USA（电子邮件：philippe.c.adell ）。RL皮斯RLP研究，洛斯卢纳斯，NM87031 USA（电子邮件：）。HJ巴纳和陈XJ，亚利桑那州坦佩的亚利桑那州立大学，85287美国（电子邮

4、件：）。本文的一个或多个数字的颜色版本都可以在线找到。数字对象标识符10.1109/TNS.2009.。皮斯等人最近的研究。 12，13报道，氢是一个主要因素，确定总的剂量和剂量率线性双极电路的特点。实验两个晶体管结构和线性电路进行作为一个功能来衡量他们的响应外部引进的氢的浓度表示：1）增加了降解低剂量率；2）增加过渡之间的高，低剂量的辐射剂量率响应。这种转变并不需要进行量化，但这是一个很好的签名的总剂量的一个特定的行为的一部分。这些结果表明，一个新的加速硬度保证测试方法是可能的，从而部分测试暴露在高剂量率，同时丰

5、富的环境。这种方法获得的数据可以迅速建立一个上限在空间低剂量率响应。最近报告的数据12，13，在图中绘制。 1，展示这样的做法的可信度。正如图中所示，辐照双极晶体管和电路，在高剂量率为100（分压为1个大气压）显示着结果低剂量率风险与不施加大于氢。如果这些结果是在其他部分重现类型，那么加速试验的一般方法，使用氢压力可能会得到发展，并帮助部分选择设计用于空间的系统。这可能是迈进了一大步部分资格过程中具有空间飞行任务成本效益的方法。虽然它似乎有些保守，这种方法可能是一个非常强大的辐射硬度保证工具。直到现在，一些加速试验方法已被提出：1）高温照射（ETI）最初提出的弗利特伍德等。14研究了由其他15

6、 - 182）替代高剂量率辐射高温退火最初由弗赖塔格和布朗19提出，（Pershenkov）等并进一步提出20研究。3）开关剂量率实验是由Boch等人提出的 21，22。在ETI技术照射通常的温度下进行100摄氏度汇率（Si）的1弧度/ s或更低的剂量。在替代高剂量率照射和高温退火的方法，弗赖塔格和布朗发现，对于两种类型的运算放大器下列程序工作：在高剂量率照射1/2的规格剂量，随后升高的温度下退火3小时，在100，然后通过一个额外的照射在高剂量率的1/2的规格剂量，其次是另一个升高的温度下退火4.4小时19在100摄氏度。在高辐射剂量率切换技术包括总剂量的增加值，然后切换到低剂量率续照射剂量率

7、21，22。该低剂量率的结果，然后沿剂量轴调换构建低剂量率响应。虽然这要花费很多更多的测试样本，使用这种方法，总照射时间减少所使用的步数.所有这些技术是有用的，但它们都具有其的局限性。为每一个调查的部件类型的数技术是有限的，至少对于前两种技术，有没有一套通用的变量。因此，一个表征将需要建立的参数和程序每个工艺技术，并部分类型束缚了低剂量率响应。此外，在ETI的技术的情况下总剂量是有限的，因为在升高的温度下照射退火，结果一个较长时间的竞争额外的退化。因此，这种方法相结合overtest通常会无法正常工作。尽管如此，加速硬度保证方法的发展是非常理想的，因为成本和时间的限制，与低剂量率测试。在这项工

8、作中，我们探讨在何种程度上氢分子可以更普遍地用于加速降解更高速率的实验室源，以结合或诱导也许预测低剂量率线性双极电路的响应。氢为基础的加速测试的论据是LM193响应提供考试作为一个案例研究的方法和理论依据通过检查一个当时的详细模型。的影响过程变量（即，技术依赖）和其效果剂量率响应（在低剂量率和过渡饱和剂量率之间的高，低剂量率降解）定性研究使用2-D有限元仿真：、COMSOL多物理。测试方法进行了验证提供了实验证据其他四个ELDRS敏感的候选人通常空间：从凌力尔特的LT1019的参考电压，117 HSYE Intersil的线性稳压器温度传感器AD590和OP42 JFET输入运算ADI公司的放

9、大器。这五个部分的类型代表制造商的工艺技术和广泛的电路设计。影响辐射硬度保证的方法进行了讨论。图1。门控横向比较照射后界面陷阱（Nit）PNP晶体管（glpnp）照射到30 KRAD（SI）在空气中照射20毫弧度（矽）/秒在100弧度/秒（Si）的100氢分子（左）和Ib的国家LM193半导体至10 KRAD（SI），（SI）在2毫弧度/秒在空气中照射100拉德（矽）/秒在100的氢分子（右）。2.氢辅助机制剂量率的影响A. 物理机制电离辐射主要降低双极型晶体管通过增加密度氧化物陷阱电荷（Not）和Si-SiO2界面陷阱的（Nit）。大多数上了年纪的双极型线性电路技术（今天仍然被广泛使用），表

10、现出ELDRS，使用横向和衬底PNP晶体管。正是这些晶体管通常占据了低剂量降解率，以及它们的降解主要是由。该方法有关界面陷阱形成双极晶体管和电路退化已被广泛研究，以及据了解23 - 26。因此，努力模型剂量率影响更侧重于识别过程辐射诱发的界面陷阱的形成27 - 32。人们普遍接受的界面陷阱时形成的悬键，氢钝化的Si-H，氧化硅界面反应运送质子40。众所周知的反应中， Si+H+Si+H2 （1）描述了这一过程，其中Si+代表生成的界面缺陷。Nit创建依赖于存在的游离界面附近的氢离子。大多数理论主张来源质子是氢含缺陷（DH中心）氧化物H+释放后，与辐射的反应引起的孔（P+）。虽然有几个模型描述，

11、氧化物质子释放30，31，33，最简单的模型22下列反应式来描述，P+DHD+H+ (2)根据（2），解放的质子和一代界面陷阱是依赖于密度DH中心和产生孔的概率生存和运输足够接近固定的缺陷作出反应。 H+剂量率和氢分子的综合影响一代可以总结，有一些近似，由下面的方程：（3）中，NH+质子的浓度，NSiH浓度的钝化悬挂债券，是浓度ofDHcenters（功能），孔密度氧化物中（剂量率的函数）。的参数和的反应速率常数与质子流。解（3），同时与公知的方程描述，使质子的界面处发生反应的密度作为一个功能来计算的剂量率和氢分子浓度。图图2绘出了的计算结果。正如图中清楚地显示，同比增长的百分比加速通过转移的

12、响应曲线的签名的剂量率向上和向右。虽然上述模型提供了一个合理的假设和分析的证据表明，可以使用氢加速线性器件的总剂量降解，iscritical实验证明建议的效果。在2008年，皮斯等。电离辐射的实验结果在LM193线性双极双比较器12。该数据，绘制在图3，代表的平均增幅输入偏置电流，IB，与剂量率（每三或四部分数据点）后总剂量暴露10 KRAD（SI）。四个曲线代表剂量率的响应特性1）unmodifiedCOTS氮化物对玻璃最终钝化的部分与（氮化物），2）剥离部件与氮化物，（对玻璃原封不动）照射0（空气）在一个自然的空气环境，3）部分浸泡在1.0（1），4）浸泡在100的部分（100）。一个数据

13、点在1毫弧度（矽）/秒的零件通过对玻璃的氮化物已经被添加并显示了预测的饱和度低剂量率。提出的数据，因为他们是在图。 3在性质上相似的模型的结果示于图。 2如何氢分子，并提供一个极好的例证可用于加速的剂量率响应特性。未修改的包装部分的偏置电流代表了一种典型剂量率分布。在较高的利率风险，COTS部分是相当低的（规格限制内部分）。 （SI）剂量率接近100毫弧度/秒，被称为过渡剂量率，过量的电流急剧增加。近2毫弧度（矽）/秒时，降解似乎是饱和的。此类型的练级剂量率的行为是符合大多数ELDRS特征27，34，35。图2。质子反应界面功能剂量率在30 KRAD，由（3）定义的基础上的不同的氢水平的模型。

14、图3。输入偏置电流与剂量率增加照射10 KRAD对玻璃和不同H2百分比LM193S p-glass氮化物没有的。在1弧度/秒的1H2低估的低剂量率响应，而100H2界限。辐照在露天进行，在氢加压玻璃管中示出了在过渡向上移位和饱和剂量利率。这些变化归因于扩散从外部气体气氛到双极基地氧化物13，27。根据18，氢分子，后氧化物中达到平衡浓度，与过程相关的缺陷（D），以形成含有氢缺陷中心（DH）。加快在DH中心的增加通过增加质子的释放速率，（2），加速退化部分降解。3.加速试验验证实验数据均于本节介绍喷气推进实验室（JPL）的设施。低剂量率（LDR）和高剂量率（HDR）照射进行使用谢泼德81钴60的

15、范围内辐照。与浓度的辐照（1-100）内的部分都进行玻璃密封管中，抽真空，然后充入到适当的分压。每个管中的真空度之前，是浸泡。中的所有部分的玻璃管的最低气体环境中浸泡照射48小时前。所有的DC规格参数分别测定在各剂量的步骤中使用LTS2020或ETS300线性电路测试仪。为了验证方法的技术和电路之间设计，来自不同制造商的一些部分进行了评价：LT1019的参考电压从凌力尔特，HSYE-117 RH，AD590 Intersil的线性稳压器温度传感器和OP42 JFET输入运算ADI公司的放大器。额外的模拟结果实验提供了一个定性的解释观察到的结果，部件之间的不同行为。仔细看看的载波漂移/扩散的机制

16、质子释放和形成前和重组演示过程变量（技术依赖）可能会影响作为氢的函数的剂量率响应;从而影响选择适当的剂量率和浓度为建议的方法。A.实验验证四名候选人（LT1019HSYE117RH，AD590和OP42）图4。作为一个函数的总剂量为LT1019参考电压的变化四个照射条件：HDR（50弧度/秒），LDR（10毫弧度/秒）和（50弧度/秒1，10100氢气）。图5。在漏失电压与总剂量的变化的HSYE-117线性电压调节器三种不同的封装（TO39，TO-220和FP-SCC）。十二个部分分别照射在LDR（0.05弧度/秒）。另外两个部分（TO-220）的盖体处于关闭状态照射在HDR（50弧度/秒）1

17、00氢气。图6。AD590的温度误差为总剂量的函数的降解。照射在两个公正两组三个扁平封装和三片罐高，低剂量率（分别为25弧度/ s和0.01弧度/秒）。 RGA扁平设备照射后，以评估的氢的量。三个附加部分（罐）照射在HDR的盖子关闭（1弧度/秒）与100氢气。如图图4示出了实验获得的数据从辐照从凌力尔特的LT1019的参考电压进行。参考电压的变化的函数的总在五个不同的照射条件：HDR绘制剂量（50弧度/秒），LDR（10毫弧度/秒）和HDR（50弧度/秒）与1，10和100。辐照所有线索进行公正接地。每个数据点是2-3个样品的平均值。在30 KRAD，HDR-100的数据点和之间的比率LDR数

18、据点是1.9。 HDR-10的数据之间的比率点和数据点的LDR大约是1，表明10可能是一个更合适的测试选择超过100，因为它是那么保守了。图5照射得到的实验数据是一个阴谋上执行的HSYE-117线性电压调节器，从Intersil的。在100 mA负载电流的漏失电压绘制作为的函数的总剂量照射两个条件：1）十二个部分三种不同的封装（TO-390，TO-220与1.66和1.9的扁平-SCC）的相关照射的剂量率为0.05弧度/秒，2）两额外的TO-220份（除去盖关闭和氮化物）照射剂量率为100，在50弧度/秒。一旦再次，HDR-100的数据绑定LDR反应剂量步骤。这也适用于对其他易受影响的参数，表

19、现出增强退化低剂量率，如参考电压，并调整电流。有趣的结果是，不像其他部分，响应之间的差异2和100氢气的数据是饱和。一个事实，即Intersil公司采用了硬化（RSG）的过程有更好的氧化性能（可能更低钝化界面债券限制创建或更少的缺陷中心氧化物中释放质子的存在下）可能解释结果。另外，这些结果可能表明，剂量率用于theseexperiments的有点高，和将低剂量率（即1弧度/秒），都表现出了。AD590的温度传感器已被证明是时表现ELDRS的照射在一个扁平并与所有导致短路12。额外的测试已经AD590s在两个罐（否）和扁平封装上执行。最初，12个屏蔽空间限定AD590s照射高（50弧度/秒）和低

20、（10毫弧度/秒）剂量率所有导线接地。三扁平封装（0.4 -1）和三片罐（0）照射30 KRAD。该在图的结果。6扁平封装显著降低LDR和HDR比罐照射时不偏不倚，因为包中引入的氢的量。该的加速试验结果进行了比较，并显示出类似的所观察到的其它设备的发展趋势。事实上，AD590罐（0）进行了同样地降解当电路小片的剂量暴露到100的扁平封装率1弧度/秒。与LT1019和HSYE-117，不同HDR暴露在降低至1弧度/秒的绑定的LDR响应。再次，HDR-100的数据边界低剂量率响应所有剂量步骤。需要注意的是前面照射浸泡后，用100的部分失败（虚线图6）比扁平封装。最后，在OP42上进行照射的一组JF

21、ET输入运算放大器从模拟设备。照射条件36中使用的那些类似，37，这是一个电压跟随器的配置与电源上销。偏颇的照射下的偏移电压是关键参数看，因为这是唯一的参数，显示的ELDRS效果和偏置电压下只27。四个样品浸泡于100，照射剂量率的1弧度/秒。如该图所示。 7氢化设备显示ELDRS，效果相比的HDR响应。 LDR曲线0.04弧度/秒还示出ELDRS的效果。在这种情况下的边界因素之间的LDR曲线和HDR-曲线1。再次使用氢气期间照射在HDR的压力可以使部分降解同样地照射在LDR。我们应该指出，如果需要额外的测试以找出这些OP42设备的行为同样的方式相比，数据36，37。如果低剂量率（）设备显示一

22、个较大ELDRS的效果，那么额外的数据与照射在一个较低的剂量率（），将需要势必LDR响应。 （请注意，这个运算放大器JFET输入晶体管和进行该照射下偏置，两个不同条件下相比，其他的双极型器件的评价本研究）。图7。ADI公司OP42失调电压与总剂量的变化。对HDR的结果示在50弧度/秒的照射和1弧度/秒，100氢气以及一个LDR结果在0.04弧度/秒。参考：1 E. W. Enlow et al., IEEE Trans. Nuc. Sci. NS-38, no. 6, pp. 13421351,1991.2 S. McClure et al., IEEE Trans. Nuc. Sci. NS

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