閆逸華 范如玉, 郭曉強(qiáng) 林東生 郭紅霞 張鳳祁 陳 偉
1(清華大學(xué)工程物理系 北京 100084)
2(西北核技術(shù)研究所 西安 710024)
微劑量學(xué)起源于20世紀(jì)40年代對(duì)生命細(xì)胞輻射效應(yīng)的研究[1–4],考察微小劑量在細(xì)胞尺度內(nèi)的能量沉積分布及其對(duì)人體的危害,當(dāng)時(shí)發(fā)展起來(lái)的LET值概念(Linear Energy Transfer:傳能線密度),就是最接近微劑量學(xué)基本概念的物理量。
電子元器件的微劑量效應(yīng)研究則起步較晚,由于受體特征差異,效應(yīng)的概念內(nèi)涵和損傷表征均有所不同。20世紀(jì)90年代初,由研究者在SRAM器件的重離子輻照實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)“固定位”(stuck bit)錯(cuò)誤時(shí)首次提出[5],認(rèn)為這是由單個(gè)高LET值重離子在其徑跡周圍沉積的局域總劑量所引起的微劑量失效。不同于單粒子翻轉(zhuǎn)引起的軟錯(cuò)誤,單元存儲(chǔ)狀態(tài)在輻照后無(wú)法改變,而是固定在一個(gè)高(低)電平上,發(fā)生了永久性失效。
微劑量效應(yīng)對(duì)輻射場(chǎng)環(huán)境和器件的結(jié)構(gòu)特征具有強(qiáng)烈的依賴性,發(fā)生概率雖低,但風(fēng)險(xiǎn)高。由于設(shè)備條件的限制,地面模擬源并不能與空間的高能粒子相當(dāng),也不可能對(duì)所有類型的器件開(kāi)展考核實(shí)驗(yàn),這就限制了對(duì)微劑量效應(yīng)的研究。在進(jìn)行機(jī)理分析時(shí),一些常用的平均值概念(如LET值)也將受到限制,必須結(jié)合器件特征并同時(shí)考慮粒子徑跡上能量沉積的隨機(jī)性分布,因而增加了理論工作的難度。所以,國(guó)內(nèi)外針對(duì)微劑量效應(yīng)的研究仍較零散,有待進(jìn)一步的機(jī)理分析和規(guī)律總結(jié)。
本文介紹高能粒子所致電子元器件微劑量效應(yīng)的研究現(xiàn)狀,以及幾種典型器件的失效現(xiàn)象和機(jī)理分析,并結(jié)合半導(dǎo)體工藝發(fā)展趨勢(shì),探討微劑量在未來(lái)器件中的影響,評(píng)估其對(duì)電子元器件的危害。
國(guó)外的微劑量效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究開(kāi)展較早。1991年,Koga等[5]在商用 SRAM 器件的重離子輻照試驗(yàn)中,首次發(fā)現(xiàn)單個(gè)重離子引起的局部總劑量失效,后在4T DRAM和1T/1C SDRAM單元中也觀察到微劑量失效[6,7]。2001年,Giorgio等[8]在浮柵型存儲(chǔ)器的輻射效應(yīng)研究中,發(fā)現(xiàn)重離子輻照會(huì)引起浮柵存儲(chǔ)單元閾值電壓的顯著漂移,也會(huì)導(dǎo)致器件的讀寫(xiě)功能失效或工作電流異常等現(xiàn)象。2007年,Shanefelt等[9]在溝槽型功率MOSFET的重離子、質(zhì)子以及中子輻照實(shí)驗(yàn)中,發(fā)現(xiàn)微劑量效應(yīng)的危害性遠(yuǎn)大于等水平的總劑量效應(yīng)。
我國(guó)對(duì)微劑量效應(yīng)的研究開(kāi)展較晚,相關(guān)研究結(jié)果較少。北京大學(xué)微電子系進(jìn)行過(guò)相關(guān)的數(shù)值模擬,針對(duì)小尺寸MOS器件提出采用優(yōu)化的STI隔離區(qū)溝道側(cè)壁傾角結(jié)構(gòu),以抑制單粒子輻照在MOS器件中引起的微劑量效應(yīng)[10]。西北核技術(shù)研究所對(duì)溝槽型功率場(chǎng)效應(yīng)管開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究,進(jìn)行了微劑量效應(yīng)的現(xiàn)象捕捉和特性分析[11]。
綜合現(xiàn)有研究結(jié)果,不少?gòu)V泛應(yīng)用的主流存儲(chǔ)元件均受到了微劑量效應(yīng)的影響,包括各種易失性存儲(chǔ)器(SRAM[5,12–15],DRAM[6,16],SDRAM[7,17])及非易失性存儲(chǔ)器(Flash ROM[8,18])。近些年來(lái)在新型功率器件的考核試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn),極低通量水平的重離子就會(huì)導(dǎo)致器件亞閾特性的顯著退化,其影響遠(yuǎn)高于相應(yīng)劑量水平下的總劑量效應(yīng)[9,19,20]。這說(shuō)明現(xiàn)行的總劑量考核方法不足以反映微劑量效應(yīng)在某些器件中的危害,因此對(duì)微劑量失效機(jī)理開(kāi)展研究,對(duì)器件的抗輻射性能考核具有重要意義[20]。
單個(gè)高能粒子在其徑跡周圍的局域空間內(nèi)所沉積的劑量稱為微劑量,研究表明,器件微劑量效應(yīng)主要存在兩種失效機(jī)制,局域總劑量效應(yīng)和強(qiáng)庫(kù)侖斥力作用,其中第一種更為普遍。
其一,當(dāng)晶體管的特征尺寸與宇宙射線產(chǎn)生的電離徑跡直徑可相比擬時(shí),單個(gè)粒子射入器件后,通過(guò)直接或間接電離的方式,在氧化層中產(chǎn)生的陷阱電荷以及在 Si/SiO2界面處產(chǎn)生的界面態(tài)缺陷足以引起器件的局部總劑量失效,從而造成器件的永久性損傷,其作用機(jī)理與總劑量效應(yīng)類似(圖1)[21]。
圖1 SiO2中局域總劑量所引起的失效機(jī)制示意圖[21]Fig.1 Sketch of the failure mechanism induced by the localized total dose in SiO2[21].
其二,若重離子的LET值足夠高,入射絕緣體材料后會(huì)導(dǎo)致徑跡周圍的原子發(fā)生高度電離,電離原子間的庫(kù)侖排斥力過(guò)大,最終導(dǎo)致化學(xué)鍵斷裂,電離原子在斥力作用下發(fā)生分離運(yùn)動(dòng),使絕緣材料特性受到影響,從而導(dǎo)致器件性能的下降(圖2)[22]。
微劑量效應(yīng)兼具總劑量效應(yīng)的失效永久性與單粒子效應(yīng)的隨機(jī)性。與單粒子效應(yīng)的輻射感生載流子直接參與輸運(yùn)不同,微劑量效應(yīng)損傷是通過(guò)輻射感生缺陷間接影響載流子輸運(yùn);與總劑量的均勻劑量分布不同,微劑量在空間分布上具有局域性特點(diǎn)。
常見(jiàn)的單粒子現(xiàn)象(單粒子翻轉(zhuǎn)、單粒子閂鎖、單粒子瞬態(tài)、單粒子功能中斷及單粒子?xùn)糯┑?,均為入射粒子在體硅中電離產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)直接參與載流子輸運(yùn)而直接或間接引起的失效,而微劑量效應(yīng)關(guān)心的,則是單個(gè)高LET值的重離子作用于氧化層 SiO2后,電離產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)被陷阱俘獲,從而在其徑跡周圍的局域空間內(nèi)沉積了極高劑量,并最終導(dǎo)致器件特性發(fā)生永久性退化。單粒子效應(yīng)所引起的軟錯(cuò)誤可通過(guò)重新加電等方式得以恢復(fù),而微劑量所引起的硬錯(cuò)誤卻不可恢復(fù)。此外,累積電離輻射所導(dǎo)致的總劑量在整個(gè)器件內(nèi)均勻分布,而單個(gè)粒子沉積的微劑量?jī)H分布在其徑跡周圍,其發(fā)生也具有隨機(jī)性。微劑量在器件和電路中最終引起的失效現(xiàn)象取決于受損單元在電路中的作用:存儲(chǔ)單元受損會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯(cuò)誤;邏輯單元受損則會(huì)引起器件的功能錯(cuò)誤;功率器件受損后I-V特性會(huì)發(fā)生退化。
圖2 絕緣體中強(qiáng)庫(kù)侖排斥力效應(yīng)所引起的失效機(jī)制示意圖[22]Fig.2 Sketch of the failure mechanism induced by the coulomb repulsive force effect in the insulator[22].
微劑量效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致MOSFET亞閾特性的變化,在具有特殊結(jié)構(gòu)的溝槽型功率器件中尤為顯著[9,20]。存儲(chǔ)單元中的MOSFET若受微劑量影響而漏電增大,會(huì)導(dǎo)致“固定位”錯(cuò)誤的發(fā)生,即某些位的狀態(tài)無(wú)法改變,而是固定在了“0”或“1”的電平狀態(tài)上,這也是微劑量失效的標(biāo)志性現(xiàn)象。“固定位”失效發(fā)現(xiàn)于商用SRAM的重離子輻照試驗(yàn)中[5,15],后在DRAM[5]以及Flash ROM中也都有發(fā)現(xiàn)[23–25]。由于器件結(jié)構(gòu)不同,失效判據(jù)也略有不同。在MOS結(jié)構(gòu)為主的易失性存儲(chǔ)器中,主要是由局域總劑量引起的漏電增長(zhǎng)所致;而在非易失性存儲(chǔ)器件中,則主要是強(qiáng)庫(kù)侖斥力在絕緣材料中引起的結(jié)構(gòu)退化,從而導(dǎo)致的絕緣特性下降引起。
以當(dāng)時(shí)工藝水平下的 4T SRAM 單元為例(圖3),如果 N1管的漏電流大于可能流過(guò)電阻R1的最大電流,則節(jié)點(diǎn) A將再不能被充電至高電位,N3不能被打開(kāi),這個(gè)位的狀態(tài)不再發(fā)生改變,從而發(fā)生“固定位”錯(cuò)誤。由于DRAM單元通過(guò)在被晶體管隔離的電容上存儲(chǔ)電荷實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ),而微劑量效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致門(mén)控晶體管漏電增大,加速電荷流失,當(dāng)數(shù)據(jù)保留時(shí)間小于外電路的刷新時(shí)間后就會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)丟失。錯(cuò)誤檢測(cè)與糾正電路(EDAC)通??梢孕拚龁瘟W右鸬臄_動(dòng),卻無(wú)法修正“固定位”錯(cuò)誤。與DRAM失效判據(jù)類似,SDRAM中也觀察到了固定位失效[7,17],但機(jī)理解釋尚存爭(zhēng)議。
圖3 帶有負(fù)載電阻的4T SRAM示意圖Fig.3 Sketch of a 4T SRAM cell.
不同于SRAM和DRAM等非易失性存儲(chǔ)器,以Flash ROM為代表的非易失性存儲(chǔ)器,通過(guò)在被絕緣介質(zhì)隔離的浮柵上注入電子實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。其中絕緣介質(zhì)即隧穿氧化層的性能是影響浮柵電荷保留時(shí)間的主要因素,通常情況下其數(shù)據(jù)保留時(shí)間可達(dá)數(shù)十年。而在高 LET重離子輻照的 NAND型Flash ROM中發(fā)現(xiàn),輻照后重寫(xiě)正常的單元,放置數(shù)天后電荷就會(huì)流失(圖 4)[23–25]。此外,由于生產(chǎn)工藝的原因,浮柵存儲(chǔ)器外圍電路中的 MOS器件通常具有較厚的柵氧,因而具有較高的輻射敏感性[26]。微劑量效應(yīng)也會(huì)對(duì)浮柵存儲(chǔ)器的外圍控制電路(如頁(yè)面緩存器、地址譯碼器或者電荷泵電路)產(chǎn)生影響,從而導(dǎo)致整個(gè)芯片的功能發(fā)生異常,如整頁(yè)的讀寫(xiě)出錯(cuò)、工作電流的異常、甚至讀/寫(xiě)/擦除功能的喪失等[26–30]。
圖4 NAND Flash經(jīng)重離子輻照并重寫(xiě)后,陣列閾值電壓分布隨時(shí)間的變化圖[31]Fig.4 Variation of threshold voltage distribution in NAND flash ROM programmed after hit by high-LET heavy ions[31].
溝槽型功率MOSFET是在VDMOS的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種具有垂直結(jié)構(gòu)的新型功率器件,對(duì)微劑量效應(yīng)極為敏感[9,20],且重離子輻照下器件漏電水平遠(yuǎn)大于相應(yīng)劑量水平的總劑量效應(yīng)(圖5),這是首次在實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)微劑量效應(yīng)的危害要大于總劑量。Kuboyama等[19]發(fā)現(xiàn),在重離子輻照下器件閾值電壓會(huì)發(fā)生階躍變化,即作用于敏感面積上的單個(gè)離子足以導(dǎo)致器件亞閾電壓的顯著退化。已知重離子和質(zhì)子的凈電荷產(chǎn)量低于γ射線,如果其他條件相同,60Co γ射線的影響應(yīng)大于質(zhì)子和重離子,而實(shí)驗(yàn)結(jié)果則相反。在等效總劑量均為10 Gy (SiO2)時(shí),γ射線和電子引起的漏電流比質(zhì)子小~20倍,比銅離子小~65倍[20]。說(shuō)明單純利用γ射線或電子束對(duì)電子進(jìn)行抗輻射性能考核,會(huì)低估器件在重離子和質(zhì)子環(huán)境中的退化,須考慮微劑量效應(yīng)影響[20]。
圖5 溝槽型功率MOSFET受γ射線輻照(a)和33 MeV的Au離子輻照(b)前后的結(jié)果對(duì)比[9]Fig.5 Pre and post-irradiation I-V curves for trench power MOSFET irradiated with 60Co γ-rays (a) and 333-MeV gold ions (b)[9].
由微劑量效應(yīng)的兩種作用機(jī)制及在典型器件中的失效表征可知。微劑量失效的發(fā)生不僅與器件的工藝和結(jié)構(gòu)特征有關(guān),也與離子的屬性和入射位置等密切相關(guān)。存儲(chǔ)器中固定位的失效截面比SEU小幾個(gè)數(shù)量級(jí),且只在離子的LET值較高時(shí)才會(huì)發(fā)生(SRAM 中:LET>30 MeV·cm2/mg[5],DRAM:80 MeV·cm2/mg[5], Flash ROM:77.3 MeV·cm2/mg[25])。說(shuō)明當(dāng)離子LET值足夠高時(shí),單個(gè)離子在柵氧中沉積的局域總劑量才足以引起 MOSFET關(guān)態(tài)漏電流的顯著增長(zhǎng);或?qū)е聫桔E周圍的原子發(fā)生高度電離,電離原子在較大庫(kù)侖排斥力作用下發(fā)生分離運(yùn)動(dòng),引起化學(xué)鍵斷裂從而導(dǎo)致材料的絕緣特性下降[22]。
此外,在SRAM器件的輻照實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),即使離子的LET值相當(dāng),但能量不同時(shí),固定位失效的位數(shù)也有很大不同;而在溝槽型功率MOSFET的重離子輻照實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),失效截面僅用 1/As(As:靈敏面積)來(lái)表達(dá)是不夠的,必須同時(shí)考慮其徑跡結(jié)構(gòu)的寬度和入射角度等因素[19]。Loquet等[32]在仿真中發(fā)現(xiàn),器件漏電水平會(huì)因陷阱電荷的空間分布的峰值和展寬差異而不同。假設(shè)界面態(tài)電荷由呈矩形分布但幅值不同的Ninv和Nuni組成(圖6)。當(dāng)Ninv確定時(shí),漏電流會(huì)隨著Nuni增長(zhǎng)而逐漸增長(zhǎng);當(dāng)Nuni確定時(shí),漏電流隨著Ninv的增長(zhǎng)則迅速達(dá)到飽和;而單純的Ninv或Nuni均不足以引起漏電的顯著變化。
圖6 界面陷阱電荷密度的近似矩形模擬[32]Fig.6 Square-shaped interface trapped charges distributions profile used to study track structure effects[32].
上述結(jié)果說(shuō)明,單個(gè)粒子沉積的微劑量引起漏電的顯著變化需兼具兩個(gè)條件:首先,粒子徑跡寬度足夠大,能夠在溝道區(qū)產(chǎn)生覆蓋面較寬的界面態(tài)電荷,從而增加溝道的導(dǎo)電率,即使其幅值較低(如Nuni);此外,能夠在某局部區(qū)域產(chǎn)生幅值較高的界面態(tài)電荷區(qū),引起溝道區(qū)的強(qiáng)反型從而為溝道導(dǎo)通提供載流子源,即使其覆蓋面很窄(如Ninv)。二者兼具才能導(dǎo)致有源區(qū)(源端和漏端)的導(dǎo)通。因而微劑量失效對(duì)離子屬性及其產(chǎn)生的徑跡特征具有強(qiáng)烈的依賴性,只有綜合考慮離子LET值、能量E及入射角度等因素,才能對(duì)其失效截面給出合理地解釋。
由于微劑量效應(yīng)的作用敏感區(qū)為氧化層區(qū),隨著半導(dǎo)體工藝的不斷發(fā)展,尤其是氧化層厚度的不斷減小,基于不同作用機(jī)制的微劑量失效的影響趨勢(shì)也各有差異。
首先,由于基于局域總劑量效應(yīng)的微劑量失效與氧化層厚度及溝道區(qū)或隔離區(qū)的摻雜濃度有很大關(guān)系,與總劑量效應(yīng)類似,由俘獲陷阱電荷造成的閾值電壓的漂移值會(huì)隨著柵氧厚度的平方而減小;同時(shí)由于溝道區(qū)或隔離區(qū)的摻雜濃度不斷增大,使得俘獲陷阱電荷能夠引起局域強(qiáng)反型并導(dǎo)致有效漏電的難度增大。雖然微劑量失效的出現(xiàn)是由于器件特征尺寸的減小,但在當(dāng)前工藝水平下,隨著器件特征尺寸的繼續(xù)減小,基于局域總劑量效應(yīng)的微劑量失效的影響反而減弱。
其次,因基于強(qiáng)庫(kù)侖斥力機(jī)理的微劑量失效會(huì)導(dǎo)致氧化層的結(jié)構(gòu)應(yīng)變及絕緣性下降,其危害會(huì)隨氧化層厚度變薄而加劇。如浮柵型存儲(chǔ)單元通過(guò)在浮柵上存儲(chǔ)電荷實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ),而隧穿氧化層絕緣性能的下降則會(huì)直接導(dǎo)致數(shù)據(jù)保留時(shí)間的減少。
總體而言,微劑量效應(yīng)的研究還較零散,對(duì)單個(gè)離子作用的微觀機(jī)制的研究有待深入,對(duì)微劑量失效表征的判斷尚存爭(zhēng)議,且缺乏相關(guān)的測(cè)試方法和考核標(biāo)準(zhǔn)。
首先,器件結(jié)構(gòu)特征對(duì)微劑量效應(yīng)的敏感性具有較大影響,但缺乏針對(duì)不同類型器件的系統(tǒng)性研究,失效敏感位置的判斷也有爭(zhēng)議。早期研究認(rèn)為:“粘位”失效由單個(gè)重離子打擊柵氧后,引起閾值電壓漂移及漏電增大而導(dǎo)致的。Oldham[14]預(yù)言,由于VTH的漂移會(huì)隨柵氧厚度的平方而不斷減小,當(dāng)SRAM器件的柵氧厚度減小到7 nm后,微劑量引起的“粘位”現(xiàn)象將會(huì)消失,但實(shí)際情況并非如此。Loquet等[32,33]的模擬計(jì)算表明,即使多個(gè)離子同時(shí)轟擊柵氧,漏電水平仍不足以導(dǎo)致“粘位”的發(fā)生,而轟擊鳥(niǎo)嘴區(qū)卻可引起較大漏電。因此,應(yīng)針對(duì)典型器件開(kāi)展考核實(shí)驗(yàn),獲取微劑量失效截面,并結(jié)合仿真計(jì)算,探索失效敏感區(qū)及其與器件特征尺寸的關(guān)系。
其次,微劑量失效通常伴隨微損傷失效,但實(shí)驗(yàn)中頗難區(qū)分二者。Swift等[6]在單管DRAM的重離子輻照中發(fā)現(xiàn),器件錯(cuò)誤分為兩種:一種與單粒子總劑量失效一致,另一種則明顯不一致,不依賴于 LET值,且退火后也不消失。Edmonds等[7]在1T/1C SDRAM中發(fā)現(xiàn)重離子輻照引起的“粘位”失效現(xiàn)象,認(rèn)為是由微劑量效應(yīng)引起,但七年后推翻這一結(jié)論,認(rèn)為其無(wú)法解釋實(shí)驗(yàn)中所觀察到的極小的反應(yīng)截面,而只有微損傷機(jī)理才符合這一結(jié)果[17]。所以,對(duì)兩種微觀機(jī)制的深入研究和失效表征的區(qū)分,尚有待進(jìn)一步研究。
最后,因微劑量失效對(duì)離子屬性及其產(chǎn)生的徑跡特征具有強(qiáng)烈的依賴性,只有綜合考察離子的屬性、能量和LET值等因素,研究其徑跡結(jié)構(gòu)及沉積電荷的空間分布,才能更好地計(jì)算失效截面,合理解釋微劑量效應(yīng),但這方面的理論研究尚有很大不足。此外,對(duì)于某些特殊結(jié)構(gòu)器件,如溝道垂直表面的溝槽型功率MOSFET,單純的總劑量考核并不足以體現(xiàn)空中高能粒子所產(chǎn)生的微劑量效應(yīng)的影響,但目前尚無(wú)針對(duì)性的測(cè)試方法和考核標(biāo)準(zhǔn)。綜上所述,微劑量的失效表征與器件的工藝特征和粒子屬性密切相關(guān),主要有局域總劑量效應(yīng)和強(qiáng)庫(kù)侖斥力兩種作用機(jī)制。隨著器件特征尺寸的不斷減小,前者的影響會(huì)逐漸減弱而后者則會(huì)增強(qiáng)。研究微劑量效應(yīng)對(duì)柵氧和隔離區(qū)的漏電流影響,對(duì)考察通用MOS存儲(chǔ)器的微劑量效應(yīng)具有重要的指導(dǎo)意義。雖然主流存儲(chǔ)元件的柵氧厚度在不斷減小,但有些功能電路為滿足耐高壓和大電流的需求,采用的MOS器件仍保留了較厚的柵氧,如浮柵存儲(chǔ)器內(nèi)為其讀寫(xiě)/擦除操作提供高電壓的電荷泵電路,以及其外圍電路的頁(yè)面緩存器等,如果柵氧厚度是主要影響因素,則微劑量效應(yīng)對(duì)這些模塊的影響必不可忽視。在主流存儲(chǔ)元件中其隔離區(qū)尺寸一般較大,所以如果微劑量效應(yīng)主要是由隔離區(qū)氧化層引起的,其對(duì)通用存儲(chǔ)器件的影響仍有待考察。從整體而言,針對(duì)微劑量的實(shí)驗(yàn)研究比較零散,相關(guān)的仿真計(jì)算也很少,缺乏對(duì)不同器件失效機(jī)理共性原因的提煉和總結(jié)。所以,需結(jié)合器件特征,開(kāi)展廣泛的實(shí)驗(yàn)和理論研究,探索微劑量效應(yīng)的失效機(jī)理,尋找敏感結(jié)構(gòu)特征,從而對(duì)生產(chǎn)應(yīng)用給出有意義的參考依據(jù)。
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