董磊 楊劍群 甄兆豐 李興冀

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 哈爾濱 150001)

基于60Co g射線輻照源, 針對(duì)有/無Kovar合金金屬帽的橫向PNP晶體管(LPNP), 探究預(yù)加溫處理對(duì)雙極晶體管電離輻射損傷的影響.通過半導(dǎo)體參數(shù)測(cè)試儀對(duì)輻照前后LPNP晶體管電性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試.利用深能級(jí)瞬態(tài)譜分析儀(DLTS), 對(duì)輻照前后LPNP晶體管電離缺陷進(jìn)行表征.研究結(jié)果表明, 未開帽處理的晶體管過?；鶚O電流(DIB)增加更明顯, 理想因子n隨發(fā)射結(jié)電壓(VEB)的增加逐漸降低, 轉(zhuǎn)換電壓(Vtr)明顯向低發(fā)射結(jié)電壓方向移動(dòng).分析認(rèn)為這是由于基區(qū)表面輻射誘導(dǎo)界面態(tài)復(fù)合率發(fā)生變化, 界面態(tài)數(shù)量增多導(dǎo)致n值的變化.DLTS譜證實(shí)界面態(tài)是導(dǎo)致LPNP晶體管電性能退化的主要原因, 未開帽處理的LPNP晶體管中輻照誘導(dǎo)的界面態(tài)數(shù)量明顯增多, 這是由于采用Kovar合金制備的金屬帽中含有大量的氫, 氫的存在會(huì)促進(jìn)界面態(tài)的形成.而對(duì)于開帽處理的LPNP晶體管, 在預(yù)處理過程中除去金屬帽后器件內(nèi)氫氣逸出, 腔內(nèi)氫氣含量降低, 因此導(dǎo)致晶體管內(nèi)部產(chǎn)生的界面態(tài)數(shù)量減少, 使LPNP晶體管電性能退化程度降低.

1 引 言

航天器在軌服役期間, 會(huì)受到空間帶電粒子及射線的干擾, 其電子系統(tǒng)及電子元器件內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生電離、位移、單粒子效應(yīng)等, 嚴(yán)重影響電子元器件的使用壽命[1?6].不同結(jié)構(gòu)及類型的電子元器件對(duì)輻射效應(yīng)的敏感性不同, 對(duì)于雙極晶體管來說, 其對(duì)電離輻射效應(yīng)具有很強(qiáng)的敏感性[7?10].雙極晶體管是重要的雙極電路的基本組成單元, 對(duì)其電離輻射效應(yīng)進(jìn)行深入研究, 具有重要的工程意義.

電子元器件的生產(chǎn)封裝過程中, 會(huì)不可避免的從外部引入雜質(zhì)元素氫.氫作為影響器件抗輻照能力的重要潛在因素, 國(guó)際上對(duì)此進(jìn)行大量的研究.目前在封裝過程中普遍采用Kovar合金作為晶體管的金屬帽材質(zhì), 通過殘余氣體分析 (RGA:residual gas analysis)對(duì) Kovar合金進(jìn)行檢測(cè), 發(fā)現(xiàn)在器件空腔內(nèi)含有1~2%的氫氣存在, 而氫氣的來源被普遍認(rèn)為是在Kovar合金上的鍍金過程中釋放出來的[11?13].

器件在投入使用前會(huì)進(jìn)行預(yù)加溫處理進(jìn)行優(yōu)選, 即經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間加溫過程將性能退化嚴(yán)重的器件篩選出來.在預(yù)加溫過程中升溫會(huì)改變器件中氫的狀態(tài), 存在形式不同的氫均會(huì)對(duì)器件的電離效應(yīng)產(chǎn)生關(guān)鍵性的影響作用[14?15].隨著預(yù)輻照升溫應(yīng)力的增強(qiáng), MOS器件及雙極器件的電學(xué)性能退化或改善還與器件采用特定的工藝及測(cè)試條件等因素有著密切關(guān)系, 尚未有明確的規(guī)律.

通過研究發(fā)現(xiàn), 預(yù)處理過程中器件對(duì)輻射效應(yīng)的響應(yīng)與器件的封裝狀態(tài)有關(guān)[16?18].研究表明: 在輻照過程中, 密閉環(huán)境下氫分子擴(kuò)散在器件腔內(nèi)并易與晶體管內(nèi)金屬及氧化物反應(yīng), 生成金屬氫化物或含氫氧空位, 在輻照過程中參與促進(jìn)界面態(tài)的形成, 對(duì)晶體管的電學(xué)性能造成影響; 溫度會(huì)影響H+釋放的數(shù)量, 而在一定溫度條件下, SiO2層中氫氣含量過高也會(huì)導(dǎo)致界面態(tài)發(fā)生退火.因此, 輻照過程中界面態(tài)數(shù)量不光取決于H+釋放的多少, 還與溫度、氫氣濃度以及含氫缺陷的數(shù)量等諸多因素有關(guān).目前各種因素的影響機(jī)制尚不清晰.預(yù)處理過程中有/無Kovar合金作為器件封裝材料對(duì)器件內(nèi)部氫的狀態(tài)影響的研究結(jié)果表明, 雙極晶體管的電離輻射特性與預(yù)加溫處理及Kovar合金之間的相關(guān)性很密切, 然而, 目前國(guó)際尚未直接證明二者對(duì)雙極晶體管電離輻射損傷的影響機(jī)制.深入開展預(yù)加溫處理對(duì)開帽/未開帽雙極晶體管電離輻射損傷機(jī)理研究, 可為尋求電子元器件抗輻射加固方法奠定有力基礎(chǔ), 具有重要的工程指導(dǎo)意義.

采用60Co g射線做為輻照源, 針對(duì)橫向PNP雙極晶體管作為研究對(duì)象, 通過電學(xué)性能測(cè)試結(jié)合深能級(jí)缺陷分析, 深入研究預(yù)加溫處理過程中,Kovar合金對(duì)LPNP晶體管電離輻射損傷的影響機(jī)制.

2 試驗(yàn)器件與試驗(yàn)方法

選用國(guó)產(chǎn)LPNP雙極晶體管作為研究對(duì)象,進(jìn)行電離效應(yīng)損傷機(jī)理研究時(shí), 為清楚比較開帽處理對(duì)晶體管電離輻射效應(yīng)的影響, 將部分所選用的LPNP晶體管進(jìn)行金屬帽切割去除處理, 其中金屬帽的材質(zhì)為Kovar合金.由于芯片出廠前尚未進(jìn)行預(yù)加溫處理, 因此將所選用LPNP晶體管均置于200 ℃加熱爐中恒溫加熱44 h, 進(jìn)行預(yù)加溫處理.為了排除試驗(yàn)結(jié)果是由于輻照過程中二次粒子因素的干擾, 將預(yù)加溫處理后未開帽的LPNP晶體管也均采取開帽處理, 并立即將所有樣品進(jìn)行輻照試驗(yàn).試驗(yàn)采用60Co g射線輻照源進(jìn)行輻照試驗(yàn), 所采用的輻照測(cè)試條件為: 輻照總劑量為100 krad(Si); 輻照劑量率為 100 rad(Si)/s; 試驗(yàn)過程中, 所有晶體管均在室溫環(huán)境下進(jìn)行輻照且晶體管的所有管腳均處于接地狀態(tài).

采用KEITHLEY 4200-SCS半導(dǎo)體參數(shù)儀,對(duì)輻照前后LPNP晶體管進(jìn)行Gummel曲線測(cè)試.測(cè)試條件如下: 發(fā)射極接掃描電壓, 從 0.2 V 掃描至 0.8 V, 即VEB= 0.2—0.8 V, 掃描步長(zhǎng)為 0.01 V;基極和集電極均接 0 V 電壓, 即VB=VC=VBC=0 V.基于Gummel特性曲線還可以得出LPNP晶體管電流增益及其倒數(shù)的變化量隨吸收劑量的變化關(guān)系, 以及晶體管過?；鶚O電流DIB隨發(fā)射結(jié)電壓VEB的變化關(guān)系來定性表征電離缺陷的演化規(guī)律.

基于深能級(jí)瞬態(tài)譜(DLTS)測(cè)試系統(tǒng), 針對(duì)兩種LPNP晶體管內(nèi)部的微觀缺陷狀態(tài)進(jìn)行分析,深入分析LPNP晶體管電離輻照損傷微觀機(jī)理.選取晶體管中摻雜濃度較低的集電區(qū)進(jìn)行測(cè)試, 測(cè)試參數(shù)設(shè)定如下: 反向偏壓VR= 5 V, 脈沖電壓VP= 0.1 V, 測(cè)試周期TW= 4.096 s, 脈沖寬度TP= 0.01 s, 測(cè)試的掃描溫度為 150—330 K.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 電性能測(cè)試分析

對(duì)開帽/未開帽兩種類型LPNP雙極型晶體管Gummel特性曲線的對(duì)比情況如圖1所示.圖中給出了在劑量率為100 rad(Si)/s的60Co g射線輻照條件下, 晶體管的基極電流(IB)和集電極電流(IC)對(duì)電離效應(yīng)影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.圖1(a)描述的是LPNP晶體管IB隨發(fā)射結(jié)電壓VEB的變化情況.隨著吸收劑量的增加, 兩種LPNP晶體管的IB逐漸增大, 此外, 與發(fā)射結(jié)電壓VEB較大時(shí)相比, 當(dāng)發(fā)射結(jié)電壓VEB較小時(shí),IB增加倍數(shù)較大.圖1(b)描述的是LPNP晶體管IC隨發(fā)射結(jié)電壓VEB的變化情況.隨著吸收劑量的增加, 兩種預(yù)處理方式的LPNP晶體管IC均無明顯變化.

前面的結(jié)果已經(jīng)表明, 雙極晶體管在受到電離輻射損傷后,IC基本上保持不變, 而電流增益退化的主要表現(xiàn)為IB增加.通過探究輻照后雙極晶體管的過剩基極電流(DIB)與發(fā)射結(jié)電壓(VEB)的變化關(guān)系, 可以深入分析不同缺陷對(duì)雙極晶體管電離輻射的作用機(jī)制, 從而得出預(yù)處理過程中Kovar合金對(duì)LPNP晶體管電離輻射效應(yīng)的影響.基極電流是載流子在基區(qū)擴(kuò)散與復(fù)合形成的復(fù)合電流,表達(dá)式為IB=IB-pre+DIB, 其中IB-pre為雙極晶體管的初始基極電流值, DIB為基極電流的變化量, 也被稱為雙極晶體管的過?；鶚O電流.

針對(duì)雙極晶體管的電離輻射損傷效應(yīng), 引入理想因子n, 理想情況下, 在輻照過程中, 如果器件復(fù)合類型以表面復(fù)合為主, 則理想因子n= 2.表達(dá)式為

圖1 劑量率 100 rad(Si)/s條件下 g 輻射吸收劑量對(duì)開帽/未開帽處理的 LPNP 雙極型晶體管的 (a) IB 和 (b) IC 隨VEB變化曲線的影響Fig.1.Variations of (a) IB and (b) IC with base-emitter for the LPNP bipolar transistors with/without cap under dose rate of 100 rad(Si)/s with a 60Co gamma irradiation source.

其中fT為熱電壓, 指在閉合電路中由于兩點(diǎn)間存在溫差而出現(xiàn)的電位差.該物理量即可以表示擴(kuò)散系數(shù)和遷移率的內(nèi)在聯(lián)系, 也表示載流子在半導(dǎo)體中定向運(yùn)動(dòng)的難易程度.

圖2為相同劑量率Co60g輻照條件下, 兩種LPNP晶體管的過?；鶚O電流DIB隨發(fā)射結(jié)電壓VEB的變化關(guān)系.圖中可以清楚看出, 隨著吸收劑量的增加, 兩種LPNP晶體管的DIB均明顯增加;而理想因子n隨VEB變化呈現(xiàn)出兩個(gè)斜率特征,在VEB較小區(qū)段時(shí), 理想因子趨于n= 2; 當(dāng)VEB在較大區(qū)段 (VEB> 0.4 V) 時(shí), 1

圖2 60Co g 射線輻照條件下開帽/未開帽處理的 LPNP雙極晶體管基極電流變化量與發(fā)射結(jié)電壓的關(guān)系Fig.2.Variations of DIB with VEB for the LPNP transistors with/without cap irradiated by 60Co gamma source.

通過LPNP晶體管DIB隨發(fā)射結(jié)電壓VEB的變化分析電離效應(yīng)對(duì)LPNP晶體管基極電流的影響.表達(dá)式為[19]

式中,q為電子電荷,fT為熱電壓,ni代表 Si體中本征載流子濃度,PE為發(fā)射極周長(zhǎng),E為空間電荷區(qū)復(fù)合達(dá)最大處的電場(chǎng), Ds為表面復(fù)合速率的變化量, 與界面態(tài)密度的變化量密切相關(guān), 有以下關(guān)系式:

其中:nth代表熱速率;s為復(fù)合中心處俘獲電荷的橫截面大小; DNit表示界面態(tài)密度增量.根據(jù)文獻(xiàn)[20],電場(chǎng)E方程推導(dǎo)為

其中,eSi為 Si的介電常數(shù),ns為基區(qū)界面處多數(shù)載流子濃度.基于 (4) 式可知, 在VEB一定時(shí), 隨著氧化物電荷減少, 表面載流子濃度ns隨之降低,導(dǎo)致晶體管DIB的理想因子n值減小.這是由于輻照的初始階段, 界面態(tài)陷阱的累積不足以抵消氧化物電荷對(duì)表面載流子濃度的影響[21].因此在VEB較小時(shí), DIB的理想因子n數(shù)值近似于2; 在VEB較大時(shí), DIB的理想因子n數(shù)值處于1與2之間.

氧化物電荷的累積會(huì)導(dǎo)致空穴穿過耗盡層進(jìn)入到中性基區(qū), 再通過復(fù)合誘導(dǎo)理想因子n數(shù)值逐步趨近于1.隨著吸收劑量的增加, 界面態(tài)陷阱密度增加導(dǎo)致發(fā)射結(jié)耗盡區(qū)發(fā)生復(fù)合, 這也是產(chǎn)生DIB的重要原因.其中 DIB–VEB曲線斜率發(fā)生變化時(shí)所處發(fā)射結(jié)電壓被定義為晶體管的轉(zhuǎn)換電壓Vtr.界面態(tài)陷阱的不斷累積, 不光會(huì)增加基極電流, 而且影響理想因子的數(shù)值變化, 轉(zhuǎn)換電壓逐漸降低.這是由于隨著吸收劑量的增加, 表面載流子濃度ns降低所引起的.而ns降低的潛在因素是輻照過程中產(chǎn)生的帶負(fù)電的界面態(tài)數(shù)量增多引起的靜電效應(yīng)[19], 或是氫在n型基區(qū)摻雜鈍化作用所致[22].

從圖2可以明顯看出, 在相同輻照條件下, 預(yù)加溫過程中未開帽處理的晶體管DIB變化更大,且隨著吸收劑量的增加, 轉(zhuǎn)換電壓Vtr明顯向低發(fā)射結(jié)電壓方向移動(dòng).通過上述分析可知,n值的變化是由于界面態(tài)數(shù)量增多所導(dǎo)致的結(jié)果.在輻照過程中, 與預(yù)加溫過程中開帽處理的晶體管相比, 未開帽的LPNP晶體管n值變化程度更大, 說明器件內(nèi)部產(chǎn)生的界面態(tài)更多, 分析認(rèn)為未開帽晶體管中氫的濃度相對(duì)較高, 導(dǎo)致在n型基區(qū)摻雜鈍化作用所引起的結(jié)果.

3.2 深能級(jí)缺陷分析

圖3 60Co g 射線輻照條件下, 有/無進(jìn)行開帽處理的 LPNP雙極晶體管深能級(jí)瞬態(tài)譜圖Fig.3.DLTS spectra of the LPNP transistors packaged with/without cap irradiated by 60Co gamma source.

基于上述LPNP晶體管電性能結(jié)果分析可知,導(dǎo)致晶體管電學(xué)性能退化的微觀機(jī)制主要受界面態(tài)的影響.現(xiàn)將兩種LPNP晶體管中界面態(tài)缺陷信息進(jìn)行對(duì)比, 通過深能級(jí)缺陷分析來驗(yàn)證上述試驗(yàn)結(jié)果.圖3為溫度范圍從 150 K掃描到 330 K、劑量率為100 rad(Si)/s條件的60Co g輻照過程中,兩種LPNP晶體管DLTS譜的測(cè)試結(jié)果.由圖可見, 兩種LPNP晶體管均在溫度為250—330 K之間出現(xiàn)了一個(gè)明顯的深能級(jí)缺陷信號(hào)峰.由于缺陷信號(hào)峰峰尖所在的溫度坐標(biāo)不同, 將未開帽晶體管對(duì)應(yīng)的信號(hào)峰命名為H(295), 將開帽晶體管對(duì)應(yīng)的信號(hào)峰命名為H(320).利用阿倫尼烏斯方程計(jì)算得出: 采用開帽處理的LPNP晶體管中的類深能級(jí)缺陷能級(jí)ET?EV= 0.642 eV, 俘獲截面s=4.16 × 10–17cm2, 缺陷濃度NT= 4.10 × 1015cm–3;未進(jìn)行開帽處理的LPNP晶體管中的類深能級(jí)缺陷能級(jí)ET?EV= 0.579 eV, 俘獲截面s= 1.38 ×10–17cm2, 缺陷濃度NT= 3.33 × 1015cm–3.通過計(jì)算結(jié)果可以看出, 相同輻照條件下, 未開帽處理的晶體管中引入的缺陷能級(jí)位置更接近Si禁帶中心, 缺陷濃度較低.

本文中信號(hào)峰所處位置與文獻(xiàn)[23]中的試驗(yàn)結(jié)果相似, 表明60Co g射線輻照誘導(dǎo)LPNP雙極型晶體管產(chǎn)生電離輻射損傷缺陷為界面態(tài)陷阱.通常, 為了解釋界面態(tài)陷阱的反應(yīng)機(jī)制, 常采用Shaneyfelt等[24]提出的空穴/氫離子輸運(yùn)(HT)2模型.該模型認(rèn)為, 空穴向 Si/SiO2界面?zhèn)鬏敃r(shí), 會(huì)在界面附近形成陷阱電荷.隨著空穴成為陷阱電荷或者被電子中和, 界面附近的氫原子可以在帶正電的氧化物陷阱處形成氫離子, Si/SiO2界面附近的氫離子被釋放, 傳輸?shù)絊i/SiO2界面的氫離子與界面發(fā)生相互作用, 同時(shí)生成界面態(tài)陷阱[25].

通過圖3可以看出, 在相同輻照條件下, 與開帽處理過的LPNP晶體管相比, 未開帽處理的晶體管在輻照后DLTS特征峰向左移動(dòng), 表明輻照在未開帽處理的LPNP晶體管中引入的缺陷能級(jí)位置更接近禁帶中心.由肖克萊-里德-霍爾模型[26]可知, 缺陷能級(jí)位置越接近禁帶中心, 則復(fù)合效率越高, 進(jìn)而對(duì)晶體管造成的損傷越嚴(yán)重.此外, 缺陷能級(jí)位置及缺陷濃度均是導(dǎo)致晶體管性能退化的重要因素, 我們之前研究已經(jīng)證實(shí), 與缺陷濃度相比, 缺陷能級(jí)位置占主導(dǎo)地位, 是使晶體管電學(xué)性能退化加劇的根本原因[27].通過上述分析可以說明預(yù)處理過程中未開帽處理LPNP晶體管內(nèi)部受到電離輻射損傷更為嚴(yán)重.

基于上述分析, 通過探究LPNP雙極晶體管電流增益變化量(Db)及其電流增益倒數(shù)變化量D(1/b)隨吸收劑量的關(guān)系, 直觀反映出輻照前后晶體管電性能變化規(guī)律, 為證明開帽處理對(duì)電離輻射損傷的影響機(jī)制, 揭示器件宏觀電學(xué)性能退化與微觀缺陷演化的對(duì)應(yīng)關(guān)系.電流增益b是表征雙極晶體管輻射損傷效應(yīng)最為重要的電性能參數(shù).本試驗(yàn)采取共發(fā)射極接線方式進(jìn)行測(cè)試, 當(dāng)發(fā)射結(jié)正偏電壓VEB= 0.65 V 時(shí),IC與IB的比值定義為電流增益, 即b=IC/IB, 電流增益變化量的表達(dá)式為:Db=b-b0, 電流增益倒數(shù)變化量的表達(dá)式為:D(1/b)=1/b-1/b0, 式中b0和b分別為晶體管輻照前和輻照后的電流增益值.圖4(a)和圖4(b)分別為相同劑量率60Co g射線輻照條件下, 開帽/未開帽處理的LPNP晶體管Db和D(1/b)隨吸收劑量的變化曲線.如圖所示, 對(duì)于兩種類型的LPNP型晶體管而言, 隨著吸收劑量的增加,LPNP晶體管的Db明顯下降, 晶體管D(1/b)逐漸升高且退化無飽和趨勢(shì).上述結(jié)果表明, 兩種類型的LPNP晶體管均發(fā)生明顯的電離輻射損傷.其中, 在相同輻照條件下, 在預(yù)加溫過程中未開帽處理的晶體管Db和D(1/b)退化程度更為明顯.

圖4 劑量率 100 rad/s條件下 g 輻射吸收劑量對(duì)開帽/未開帽處理的LPNP雙極晶體管(a)電流增益變化量的影響和(b)電流增益倒數(shù)變化量的影響Fig.4.(a)The relationship between total dose and current gain for LPNP bipolar transistors with/without cap under dose rate of 100 rad (Si)/s with a 60Co gamma irradiation source.(b) The relationship between total dose and the reciprocal of current gain for LPNP bipolar transistors with/without cap under dose rate of 100 rad (Si)/s with a 60Co gamma irradiation source.

上述試驗(yàn)結(jié)果表明, 預(yù)加溫過程中, 與開帽處理的LPNP晶體管相比, 未進(jìn)行開帽處理的晶體管電性能退化嚴(yán)重, 在器件內(nèi)部產(chǎn)生的界面態(tài)數(shù)量更多.試驗(yàn)分析認(rèn)為這是由于密封器件中含有大量的氫 (包括氫氣、水汽), 晶體管的金屬帽材質(zhì)為Kovar合金, 其中氫氣主要來源于Kovar合金內(nèi)部吸附氣氛在熱應(yīng)力作用下釋放出來, 由于在密封環(huán)境中, 釋放的氫氣只能擴(kuò)散在器件腔體內(nèi), 結(jié)合晶體管中金屬材料形成金屬氫化物, 在水汽的作用下, 加速器件的電性能退化程度.與之相比, 非密閉晶體管內(nèi)部不能保留氫氣, 因此采用開帽處理的晶體管電性能更好.

4 結(jié) 論

采用電性能測(cè)試與DLTS譜分析兩種手段相結(jié)合, 探究60Co g射線輻照過程中, 開帽處理與未開帽處理LPNP晶體管的電性能及電離輻照誘導(dǎo)微觀缺陷的演化規(guī)律.通過試驗(yàn)分析, 得到以下結(jié)論:

1)兩種類型LPNP晶體管的電學(xué)性能參數(shù)變化趨勢(shì)相似, 輻照后晶體管IB隨吸收劑量的增加逐漸增大,IC在輻照前后無明顯的變化.D(1/b)均隨吸收劑量的增加有明顯的退化趨勢(shì), 其中, 未進(jìn)行開帽處理過的LPNP晶體管電性能退化程度較大.

2)通過微觀機(jī)理分析表明, 隨著吸收劑量的增加, 未開帽處理的LPNP晶體管DIB增加明顯,理想因子n隨VEB的增加逐漸降低, 轉(zhuǎn)換電壓Vtr明顯向低發(fā)射結(jié)電壓方向移動(dòng).這是基區(qū)表面輻射誘導(dǎo)界面態(tài)復(fù)合率的變化所導(dǎo)致的,n值的變化是界面態(tài)數(shù)量增多所導(dǎo)致的結(jié)果.通過DLTS譜分析可知, 與開帽處理過的LPNP晶體管相比, 電離輻射在未開帽晶體管內(nèi)部產(chǎn)生的界面態(tài)能級(jí)位置更接近于禁帶中心.分析認(rèn)為, 這主要由于密封器件中存在大量的氫氣和水汽, 氫氣的存在會(huì)促進(jìn)界面態(tài)的形成, 而水汽會(huì)加劇器件電性能的退化程度.與之相比, 開帽處理過的晶體管內(nèi)部不能保留氫氣, 因此晶體管電性能更好.