費(fèi)武雄 陸 嫵 任迪遠(yuǎn) 鄭玉展 王義元 陳 睿王志寬 楊永暉 李茂順 蘭 博 崔江維 趙 云

1（中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所 烏魯木齊 830011）

2（新疆電子信息材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 烏魯木齊 830011）

3（中國科學(xué)院研究生院 北京 100049）

4（集成電路國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶 400060）

1991年Enlow等[1]發(fā)現(xiàn)，某些雙極器件具有低劑量率損傷增強(qiáng)效應(yīng)(Enhanced Low Dose Rate Sensitivity，ELDRS)。對(duì)于雙極晶體管，其ELDRS效應(yīng)表現(xiàn)為低劑量率時(shí)的電流增益退化遠(yuǎn)高于高劑量率[1–9]。在空間輻射環(huán)境中，輻照總劑量的累積較為緩慢，其典型劑量率為 10–6–10–4Gy(Si)/s，則ELDRS效應(yīng)會(huì)危及運(yùn)行于太空的電子學(xué)系統(tǒng)的可靠性，其使用壽命會(huì)大為縮短。

衛(wèi)星等空間飛行器中，部分電路處于工作狀態(tài)，部分電路處于備用狀態(tài)。不同狀態(tài)下，雙極晶體管在低劑量率下電離輻照損傷程度是否相同，這值得研究。國內(nèi)外對(duì)不同偏置條件下雙極晶體管電離輻照效應(yīng)的研究還不多見，Perhenkov V S等[5]研究了最低劑量率為1 mGy(SiO2)/s的ELDRS，發(fā)現(xiàn)零偏置損傷最大。由于雙極器件的電離輻照效應(yīng)與器件的類型、制造工藝等有密切的關(guān)系，且我國的雙極晶體管的制造工藝與國外有一定差異，國外實(shí)驗(yàn)結(jié)果不一定適合我國的雙極器件，有必要對(duì)國產(chǎn)雙極器件進(jìn)行系列性的實(shí)驗(yàn)研究。

為了獲得更接近太空實(shí)際劑量率時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，本文在0.13 mGy(Si)/s的劑量率下對(duì)國產(chǎn)NPN雙極晶體管進(jìn)行了不同工作狀態(tài)下的電離輻照效應(yīng)研究。

1 材料和方法

實(shí)驗(yàn)樣品為集成電路國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供的國產(chǎn)NPN雙極晶體管。輻照在中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所的60Co γ源上進(jìn)行。輻照總劑量為 1000 Gy(Si)，輻照劑量率為0.13 mGy(Si)/s。實(shí)驗(yàn)樣品放置于鉛鋁屏蔽盒(根據(jù)美軍標(biāo)準(zhǔn)制作)內(nèi)，以消除低能散射的影響，防止劑量增強(qiáng)效應(yīng)的發(fā)生。

樣品輻照時(shí)的偏置分為三種：基-射結(jié)反向偏置、零偏置及正向偏置。雙極晶體管采用 HP4142半導(dǎo)體參數(shù)分析儀測(cè)試，測(cè)試參數(shù)為：雙極晶體管基極電流(IB)、集電極電流(IC)和電流增益(β=IC/IB)。輻照和參數(shù)測(cè)量均在室溫下進(jìn)行，每次參數(shù)測(cè)試都在輻照或退火后20 min內(nèi)完成。

2 結(jié)果與討論

圖1為低劑量率輻照至不同總劑量的雙極晶體管基極電流(IB)、集電極電流(IC)和電流增益(β=IC/IB)隨基射結(jié)電壓VBE的變化。NPN雙極晶體管的IB隨輻照劑量逐漸增加，而IC幾乎保持不變，這表明β=IC/IB隨劑量累積而持續(xù)降低。

圖2、圖3分別為NPN雙極晶體管低劑量率輻照后歸一化電流增益(β/β0，β0為輻照前的增益)和過剩基極電流(?IB)隨輻照總劑量的變化規(guī)律。圖中所有數(shù)據(jù)均是在基-射結(jié)電壓為0.6 V時(shí)測(cè)得。由圖2，三種不同偏置下，NPN雙極晶體管的電流增益差異很大，反向偏置時(shí)，電流增益衰減程度最大；零偏次之；正偏最小。由圖3，反向偏置下，NPN雙極晶體的過?；鶚O電流最大；而零偏次之，正偏時(shí)過?；鶚O電流最小。

圖1 不同總劑量下的基極電流(IB)、集電極電流(IC)和電流增益(β=IC/IB)Fig.1 Base current (IB), collector current (IC) and the gain (β=IC/IB) of the NPN bipolar transistor irradiated to different total doses.

圖2 不同偏置下，歸一化電流增益隨總劑量的變化Fig.2 Normalized gain vs dose, under different biases.

圖3 不同偏置下，歸一化電流增益隨總劑量的變化Fig.3 Excess base current vs dose, under different biases.

NPN雙極晶體管輻照后電流增益的衰減，主要因出現(xiàn)過?；鶚O電流而致，且 ?IB越大，電流增益退化越顯著。大量研究表明[2–5,7–9]，NPN 雙極晶體管過量基極電流的出現(xiàn)緣于表面復(fù)合電流和耗盡層復(fù)合電流增加?；鶇^(qū)上方氧化層中的輻射感生凈正電荷的積累使P型基區(qū)表面耗盡，并與PN結(jié)空間電荷層連接起來，增加了耗盡層的總體積，從而使耗盡層復(fù)合電流增加。Si-SiO2界面處輻射感生界面態(tài)(特別是位于禁帶中心附近的界面態(tài))作為額外的復(fù)合中心，增加了表面復(fù)合速率，增大了表面復(fù)合電流。因此，對(duì)于NPN雙極晶體管，輻照感生凈正氧化物電荷和界面缺陷越多，過?；鶚O電流越大，電流增益衰減越顯著。

不同偏置條件下 NPN晶體管的過?；鶚O電流大小不同和電流增益衰減程度不同，是由于不同偏置條件下氧化層內(nèi)的電場(chǎng)不同，影響了凈正氧化物電荷的積累和界面態(tài)的產(chǎn)生。不同偏置下氧化層內(nèi)電場(chǎng)的差異主要表現(xiàn)為：(1) 邊緣電場(chǎng)的方向相同，大小不同；(2) 外加電場(chǎng)的大小方向均相異。下文就其對(duì)晶體管的電離輻照損傷的影響分別予以討論。

首先是邊緣電場(chǎng)的影響。雙極晶體管的基-射結(jié)上方覆蓋的氧化層中的邊緣電場(chǎng)來源于基-射結(jié)(PN結(jié))的內(nèi)建空間電場(chǎng)，方向由N區(qū)指向P區(qū)。基-射結(jié)反向偏置將會(huì)增大基-射結(jié)的內(nèi)建電場(chǎng)，從而增強(qiáng)氧化層中的邊緣電場(chǎng)。同理，基-射結(jié)正向偏置將降低氧化層中的邊緣電場(chǎng)。邊緣電場(chǎng)模型[5]認(rèn)為，基-射結(jié)上方的SiO2層內(nèi)的電場(chǎng)是由邊緣電場(chǎng)決定的。邊緣電場(chǎng)的示意圖如圖4所示，不同偏置下其方向相同，大小不同。電離輻射會(huì)在晶體管的氧化層內(nèi)產(chǎn)生大量的電子-空穴對(duì)，其中一部分會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)原對(duì)復(fù)合留在產(chǎn)生地，而另一部分將在邊緣電場(chǎng)的作用下分離，并向相反的方向移動(dòng)。由于室溫下，電子在SiO2內(nèi)的遷移率是空穴遷移率的百萬倍[2]，因此電子向發(fā)射區(qū)表面移動(dòng)并很快漂移出氧化層；而空穴則緩慢地向基區(qū)表面方向移動(dòng)，最后被空穴陷阱俘獲，其中一部分被靠近界面的深陷阱俘獲，成為凈正氧化物電荷。另外，空穴在輸運(yùn)的過程中釋放出質(zhì)子(H+)，質(zhì)子通過漂移擴(kuò)散輸運(yùn)到Si-SiO2界面并在界面處與硅-氫鈍化鍵發(fā)生反應(yīng)生成界面態(tài)[3,6–8]。

圖4 邊緣電場(chǎng)示意圖Fig.4 The schematic of fringing field.

與基-射結(jié)零偏置相比，基-射結(jié)反向偏置時(shí)，邊緣電場(chǎng)將得到增強(qiáng)。由于在室溫下，空穴的逃逸額(即逃脫最初復(fù)合的空穴數(shù)量)隨著氧化物電場(chǎng)的增加而迅速增大。因此，邊緣電場(chǎng)的增強(qiáng)增加了空穴的逃逸額，同時(shí)也增加了空穴在輸運(yùn)過程中所釋放的質(zhì)子(H+)數(shù)量。另外，邊緣電場(chǎng)的增強(qiáng)將會(huì)加快電子空穴及質(zhì)子的輸運(yùn)。所以反向偏置時(shí)，氧化層內(nèi)有更多的正電荷(包括空穴和質(zhì)子)沿電場(chǎng)方向輸運(yùn)到Si-SiO2界面，或被深陷阱俘獲，或發(fā)生反應(yīng)生成界面缺陷。

同樣與基-射結(jié)零偏置相比，基-射結(jié)正向偏置時(shí)，邊緣電場(chǎng)將被減弱。邊緣電場(chǎng)的減小將會(huì)降低空穴的逃逸額和質(zhì)子濃度。因此，和零偏置相比，空穴逃逸額的降低，沿電場(chǎng)輸運(yùn)到Si-SiO2界面的正電荷將減少，其體內(nèi)的凈正氧化物電荷和界面缺陷均減少。

從研究分析可見，僅就邊緣電場(chǎng)的影響而言，NPN雙極晶體管的基區(qū)表面氧化層內(nèi)凈正氧化物電荷濃度和界面缺陷濃度的大小順序均如下：反偏>零偏>正偏。

另外分析外加電場(chǎng)對(duì)輻射感生凈正氧化電荷的積累及界面缺陷產(chǎn)生的影響。

圖5為正向偏置和反向偏置的外加電場(chǎng)示意圖。正偏和反偏時(shí)外加電場(chǎng)的方向不同，但大小相同。正偏時(shí)，外加電場(chǎng)指向基區(qū)表面，有利于正電荷向界面的運(yùn)輸；而反偏時(shí)，外加電場(chǎng)反向，因此將阻礙正電荷向界面的運(yùn)輸。因此，同反偏相比，在外加電場(chǎng)的作用下，正偏時(shí)基區(qū)表面氧化層內(nèi)凈正氧化電荷濃度和界面缺陷濃度均要大于反偏。

圖5 外加電場(chǎng)示意圖，a) 正向偏置，b) 反向偏置Fig.5 Schematic illustration of external electric fields under different bias.

綜上所述分析，同一偏置下，外加電場(chǎng)與由外加電壓所改變的邊緣電場(chǎng)屬競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。如反向偏置時(shí)，邊緣電場(chǎng)的加強(qiáng)將有利于氧化層內(nèi)凈正氧化物電荷的積累和界面處界面缺陷的產(chǎn)生，使器件的輻照損傷增強(qiáng)；而外加電場(chǎng)的出現(xiàn)阻礙了正電荷的輸運(yùn)，不利于氧化層內(nèi)凈正氧化物電荷的積累和界面處界面缺陷的產(chǎn)生，將使器件的輻照損傷減弱。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同的偏置條件對(duì)國產(chǎn)雙極晶體管的電離輻射效應(yīng)的影響，邊緣電場(chǎng)占主要作用，外加電場(chǎng)由于雙極晶體管的氧化層厚度較大，其影響比較小。因此，可以得出主要由于邊緣電場(chǎng)的作用，過?；鶚O電流增加幅度和歸一化電流衰減程度為反偏時(shí)最大，零偏次之，正偏最小。

3 結(jié)論

通過上述研究分析，可以得出以下結(jié)論：

(1) 低劑量率下，不同偏置對(duì)NPN管的電離損傷的影響明顯不同?；?射結(jié)反向偏置時(shí)，NPN晶體管的過?；鶚O電流最大，電流增益衰減最為顯著；零偏次之；正向偏置損傷最小。

(2) 偏置對(duì)低劑量率輻照損傷影響很明顯的原因主要是由于不同偏置條件下的邊緣電場(chǎng)大小不同所引起的：邊緣電場(chǎng)的大小不同，導(dǎo)致界面處積累的正電荷(包括空穴和質(zhì)子)數(shù)目不同，因此，不同偏置條件下氧化層內(nèi)的凈正氧化物電荷和界面態(tài)的濃度不同。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了氧化層中的電場(chǎng)對(duì)雙極器件電離輻照效應(yīng)存在顯著影響。

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