1.1 引言

随着空间技术、核科学和微电子技术的快速发展，微处理器、混频器等器件越来越多地被应用到航空、航天及战略武器的电子系统中，经受着恶劣空间辐射或核辐射环境的严峻考验^[1-4]。辐射环境下的高能粒子、射线与电子设备中的半导体器件相互作用产生辐射效应，可能会导致电子设备发生逻辑功能错误或性能退化，甚至永久性损毁^[5]。辐射效应按损伤机理可分为离化效应和位移效应。离化效应包括剂量率效应（Dose Rate Effect，DRE）、总剂量效应（Total Ionizing Dose Effect，TID）和单粒子效应（Single Event Effect，SEE）；位移效应表现为中子辐射效应。

DRE 是指大剂量率辐射在半导体器件内沉积大量的能量，产生大量的电子-空穴对，导致器件中的 PN 结产生光电流，进而引起存储器件或电路翻转、闩锁甚至永久性失效^[6]。

TID 是指半导体器件中的氧化物在高能粒子和射线的作用下被激发电离，产生电子-空穴对，由于氧化物中电子的迁移率远大于空穴中电子的迁移率，只有少量电子-空穴对会复合，其余大部分电子在强电场力的作用下被扫出氧化层，而空穴则通过局域态跳跃输运的方式向 Si/SiO₂界面处移动。在这个过程中，一部分空穴会被氧化层陷阱俘获，形成带正电的氧化层陷阱电荷，使得器件中出现寄生结构，影响器件的电学特性，当氧化层陷阱电荷积累到一定程度时，还会使器件永久失效^[7-9]。

SEE是指单个高能粒子入射半导体器件的敏感区，累积能量，使得微电子器件、设备、子系统或系统的状态或性能发生可观测或可测量改变的现象^[4，10-11]。SEE 分为两大类^[12-14]：软错误和硬错误，单粒子效应分类及其定义^[15-16]见表 1.1。软错误主要导致电路状态的逻辑翻转或存储数据的随机改变，不会损坏器件本身，如 SEU、SET、MBU、SEFI、SED、SHE 等；硬错误会对器件造成永久性损坏。一个错误必然导致一个或多个缺陷；当一个缺陷被激活时，便产生一个故障；若故障没有及时地排除，则会发生失效。因此，缺陷是错误的表现，故障是缺陷的激活，失效是故障的执行^[4]。

1991—1992 年，IBM 防御机构和波音公司利用军用飞机联合开展了高空大气中子诱发器件 SEE 的飞行试验研究。不同飞机在不同高度的航线上，测量和记录由大量64K静态随机存储器（Static Random Access Memory，SRAM）组成的计算机系统的工作情况，飞机飞行中SRAM 的翻转记录数据如表1.2 所示^[17]。结果证实，在大气环境下工作的SRAM确实会发生SEU。

据美国国家地球物理数据中心（National Geophysical Data Center，NGDC）统计，在 1971—1986 年发射的 39 颗卫星中，由辐射引起的故障多达 1129 次，占总故障次数的71%，表1.3中给出了美国卫星失效机理统计数据。据统计，在我国发射的 6 颗卫星中，也有 40%的故障是由空间辐射效应引起的^{[2，4，12，18]}。2011 年，俄罗斯福布斯-土壤火星探测器携带我国的首个火星探测器“萤火一号”执行任务。由于空间辐射粒子诱发错误，导致探测计划失败，严重打击了俄罗斯的宇航计划。由此可见，辐射效应严重威胁着器件及电路的可靠性，特别是在航空、航天、核设施等辐射环境恶劣的应用中，可能会导致灾难性事故发生。

集成电路（Integrated Circuits，ICs）的辐射效应研究在军事应用中有着重要的保障作用。1984—1990 年，美国辐射效应研究经费超过 3 亿美元。海湾战争后，美国每年投入约30亿美元的经费进行辐射效应研究。我国从20 世纪80 年代开始辐射效应研究，经过三十多年的努力，已在微电子电路辐射效应、工艺加固及电路设计加固、辐射测试与试验等方面取得了一定的成果，并且已有相当一部分成果在实际中得到应用^[18-19]。

为了保证空间计划实施的安全性及战略武器的先进性，美国始终将微电子器件的辐射效应研究放在重要位置。2012 年，美国国防威胁压制局（DefenseThreat Reduction Agency，DTRA）发布了一份信息征询书，寻求先进的辐射测试、建模和模拟技术，以评估高频半导体器件在辐射效应下的模拟和射频性能。同时，DTRA 也关注 90nm 以下半导体器件的抗辐射建模、仿真和加固技术，这些器件包括硅锗双极型互补金属氧化物晶体管、硅锗异质结双极型晶体管、绝缘体上硅（Silicon On Insulator，SOI）器件、氮化镓异质结场效应晶体管等。由此可见，针对纳电子器件及电路的辐射效应研究已引起该领域的高度关注。随着技术节点不断缩减，TID和SEE成为微纳电子器件和IC最主要的辐射效应。

进入纳米尺度后，器件的尺寸缩小，传统的 CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）结构也出现了多栅、高 k 栅介质等新材料、新结构器件类型，单栅、双栅和多栅 MOSFET 的结构示意图如图 1.1 所示，且其开关时间缩短、工作电压降低，使得纳米 CMOS 对辐射效应更加敏感^[18]。此外，量子效应、隧穿电流和弹道输运等对器件的影响更加突出^[20]，导致纳电子器件的辐射效应更加复杂，需考虑多种新效应的影响，如耦合效应、电荷共享效应、双极放大效应^[12]和尺寸调制效应^[21]等。

下面讨论辐射环境、单粒子效应和总剂量效应的研究进展等内容。