緱石龍，馬武英，姚志斌，何寶平，盛江坤，王祖軍，薛院院

(強脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國家重點實驗室；西北核技術(shù)研究所： 西安 710024)

電子元器件的輻射效應(yīng)和可靠性研究表明，氫對器件氧化層與襯底界面的特性有重要影響，氫也是雙極器件產(chǎn)生低劑量率輻射損傷增強(enhanced low dose rate sensitivity，ELDRS)效應(yīng)的關(guān)鍵因素之一[1-7]。集成電路制造和封裝過程中都會有意或無意引入氫，對芯片抗輻射能力和可靠性會產(chǎn)生重要影響。因此，有必要研究氫對器件輻照損傷影響的規(guī)律和機制。國外大量的實驗和理論研究表明，氫會使器件輻照損傷增強，也會嚴重影響雙極器件的ELDRS效應(yīng)，但對輻照時氫與器件界面的反應(yīng)過程還沒有統(tǒng)一的認識[8-11]。國內(nèi)對氫氛圍中輻照實驗及物理機制研究較少，趙金宇等[12]以3DG111型雙極晶體管為實驗載體，研究了氫氣浸泡后的輻照規(guī)律，并用深能級瞬態(tài)譜儀(deep level transient spectroscopy，DLTS)探測器件中的微觀缺陷種類及濃度，認為氫氣浸泡后，輻照會使雙極晶體管中產(chǎn)生能級較深的界面態(tài)和氧化物電荷，但未提及氫氣進入器件后的具體反應(yīng)機理。

為進一步研究氫對雙極器件輻照損傷的影響規(guī)律和機制，本文基于GCLPNP晶體管，探究了不同濃度氫氛圍中GCLPNP晶體管的輻照損傷規(guī)律。利用電荷泵技術(shù)，分析了氫氣濃度對GCLPNP晶體管輻照產(chǎn)生界面陷阱和氧化物陷阱電荷濃度的影響，測量分析了界面陷阱的能級分布。本文研究成果可為氫氛圍中雙極器件輻照損傷增強機制和雙極器件抗輻射加固研究提供參考。

1 電荷泵技術(shù)

1.1 電荷泵技術(shù)原理

電荷泵技術(shù)是最常用的分離MOSFET界面陷阱和氧化物陷阱電荷的方法之一，與其他電荷分離方法相比，具有更高的精度和靈敏度[13-17]。電荷泵方法測量GCLPNP晶體管界面陷阱和氧化物陷阱電荷的裝置，如圖1所示。在GCLPNP晶體管柵極加周期性脈沖電壓，發(fā)射極與集電極短接并接地，基極電壓為0，此時在基極測量的電流就是電荷泵電流Icp。原理為：柵脈沖電壓幅值恒定，不斷改變脈沖電壓高、低電平，當柵極脈沖電壓為高電平并使器件Si/SiO2界面反型時，多子空穴會注入到溝道中，部分空穴會被界面陷阱俘獲；當柵脈沖電壓為低電平并使界面進入積累狀態(tài)時，被界面陷阱俘獲的空穴會與來自襯底的電子復合；當柵脈沖電壓連續(xù)時，由于發(fā)射區(qū)/基區(qū)結(jié)和集電區(qū)/基區(qū)結(jié)空間電荷區(qū)內(nèi)電勢的作用，發(fā)射區(qū)/集電區(qū)會周期性地泵出空穴，基區(qū)電子與界面陷阱俘獲空穴之間的復合，會在基極產(chǎn)生電流，每一個周期的Icp正比于界面處的界面陷阱數(shù)量。在柵脈沖電壓高低電平改變過程中，只有當脈沖低電平低于器件溝道平帶電壓且脈沖高電平大于溝道閾值電壓時，Icp才會達到最大值。因此，利用電荷泵電流最大值Icpm和閾值電壓漂移ΔVth就可測量GCLPNP晶體管被輻射時產(chǎn)生的界面陷阱濃度ΔNit和氧化物陷阱電荷濃度ΔNot。

1.2 界面陷阱與氧化物陷阱電荷分離方法

Icpm可表示為[15]

Icpm=Aeff·f·q·Nit

(1)

其中：Aeff是有效溝道面積，cm2；f為柵脈沖頻率，Hz；q為電子電荷量，C；Nit為溝道Si/SiO2界面平均界面陷阱濃度，cm-2。圖2為輻照前后Icpm隨柵脈沖電壓低電平VGL的變化關(guān)系。由圖2可見，輻照前后Icpm會發(fā)生改變，I-V曲線也會發(fā)生漂移。

輻照產(chǎn)生的界面陷阱濃度可通過Icpm的變化量計算得到，表示為[18]

(2)

ΔVth可由Icpm對應(yīng)的VGL的變化量計算得到，表示為

ΔVth=ΔVit+ΔVot

(3)

其中：ΔVit是界面陷阱導致的閾值電壓漂移；ΔVot是氧化物陷阱電荷導致的閾值電壓漂移。氧化物陷阱電荷帶正電，會導致ΔVot負漂移；對于GCLPNP晶體管器件，界面陷阱通常被認為是施主型陷阱，也會導致ΔVit負漂移[18]。因此ΔVot，ΔVit可表示為

(4)

(5)

其中，Cox為單位面積氧化層電容。

利用式(2)-式(5)，輻照感生氧化物陷阱濃度可表示為

(6)

1.3 界面陷阱能級分布

改變柵脈沖電壓的上升/下降時間可改變電荷泵測量的界面陷阱的能級范圍，給定柵脈沖電壓幅值及上升/下降時間，電荷泵所能測得的施主型界面陷阱能級下限E1和受主型界面陷阱能級上限E2分別為[15]

(7)

(8)

其中：Ei為禁帶中央能級；k為玻爾茲曼常數(shù)；T為熱力學溫度；vth為載流子熱速度；σn和σp分別為電子和空穴的俘獲截面；ni為本征載流子濃度；Vfb為平帶電壓；tr和tf分別為柵脈沖電壓上升和下降的時間。施主型和受主型界面陷阱能級分布可表示為[15]

(9)

(10)

由式(9)和式(10)可知，保持tr恒定，不斷改變tf就可測量施主型界面陷阱的能級分布；而保持tf恒定，不斷改變tr就可測量受主型界面陷阱能級分布。

2 實驗方案

實驗選用結(jié)構(gòu)與PMOSFET類似的GCLPNP晶體管為樣品。器件結(jié)構(gòu)和電荷泵測量裝置，如圖1所示?；鶇^(qū)寬度為12 μm，柵氧化層厚度為500 nm，鈍化層為SiO2。在計算界面陷阱密度時， GCLPNP晶體管的有效溝道面積Aeff為發(fā)射區(qū)周長乘以發(fā)射區(qū)邊界與集電區(qū)邊界的間距，本文中Aeff= 4 560 μm2。電荷泵測量條件為：柵極所加脈沖電壓頻率為100 KHz；tr,tf為20 ns；幅值為5 V；VGL從5 V向-20 V掃描；步長為-1 V；發(fā)射極和集電極接地，基極接0 V，并測量Icp。共射極偏置時的基極電流IB和集電極電流IC測試條件為：發(fā)射極電壓VE=2 V；集電極電壓VC=0；柵極浮空；基極電壓VB從2 V掃描至1.0 V。

為研究氫氣對GCLPNP晶體管輻照感生產(chǎn)物的影響規(guī)律，實驗共分為4組進行，每組5個器件，輻照源為西北核技術(shù)研究所的60Co源。第1組器件作為參照，在空氣中以50 rad(Si) ·s-1的劑量率輻照至50 Krad(Si)，根據(jù)文獻[9]，空氣中氫氣的濃度約為1×1011cm-3；第2至4組器件開蓋后放置在充入不同濃度氫氣的容器中，再以50 rad(Si) ·s-1的劑量率輻照至50 Krad(Si)。輻照過程中器件所有管腳短接不加電，輻照前后測量GCLPNP晶體管的常規(guī)I-V曲線和電荷泵曲線。器件在氫氛圍中浸泡的方法是先將短接好的器件放入容器的腔體中，利用真空泵將其抽成真空，再往腔體中充入純凈氫氣，使腔體內(nèi)達到不同的壓強。腔體壓強越大，表示腔體內(nèi)和最終進入器件中的氫氣濃度越大。進入器件氧化層中的氫氣濃度NH2與腔體壓強PH2之間的關(guān)系表示為[9]

NH2=κH2,oxPH2

(11)

其中，κH2,ox為氫氣在氧化層中的可溶解度，大約為1×1018cm-3·atm-1，(1 atm = 101 325 Pa)。實驗中第2至4組實驗所充入的氫氣壓強分別為0.025,0.1,0.42 MPa，計算得到浸泡后進入器件氧化層的氫氣濃度分別為2.5×1017,1×1018,4.2×1018cm-3。

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 晶體管特性變化

共射極放大倍數(shù)β指雙極晶體管在共射極偏置時IC與IB的比值，是衡量雙極晶體管性能的重要參數(shù)之一。圖3為GCLPNP晶體管輻照前后β隨基極發(fā)射極電壓VBE的變化關(guān)系。

由圖3可見，輻照前放大倍數(shù)最大值βmax為27.3，在空氣中輻照至50 Krad(Si)后βmax下降為21.6，在氫氛圍中輻照至相同總劑量后，βmax進一步隨著NH2的升高而減小。NH2最高為4.2×1018cm-3時，βmax下降至6.4，僅為輻照前的30%。因此，GCLPNP晶體管輻照損傷程度會隨著輻照時進NH2的升高而顯著增強。圖4為測量得到的IB和IC隨VBE的變化關(guān)系。由圖4可見，IB在輻照后有明顯的增大，電壓相同時，NH2越高，IB越大；而IC輻照前后幾乎不變。由此可見，晶體管β值的減小是由IB增大導致的。

3.2 電荷泵測量結(jié)果與分析

由上述結(jié)果可得，對于GCLPNP晶體管，輻照影響的主要是IB，這是由于輻照會在器件氧化層中產(chǎn)生氧化物陷阱電荷，在Si/SiO2界面產(chǎn)生界面陷阱；而由圖1中GCLPNP晶體管結(jié)構(gòu)可見，在工作偏置下，空穴會從發(fā)射區(qū)向集電區(qū)橫向流動，經(jīng)過基區(qū)時部分空穴會與基區(qū)電子復合產(chǎn)生基區(qū)電流，因此基區(qū)電流是橫向流動的。在基區(qū)電流橫向流動過程中，Si/SiO2界面的界面陷阱會作為復合中心，產(chǎn)生基區(qū)表面電流，因此會導致IB增大。為探究氫氣對雙極器件輻照損傷的影響規(guī)律和機制，需通過電荷泵測量來分離輻照產(chǎn)生的界面陷阱和氧化物陷阱電荷。圖5為輻照前與在不同濃度氫氛圍中輻照后Icp隨VGL的變化關(guān)系。由圖5可見，輻照后與輻照前相比，Icpm顯著增大，Icpm對應(yīng)的VGL向負柵壓方向漂移，且輻照后Icpm隨NH2的升高而增大。

由圖5可得不同濃度氫氛圍中輻照后器件的ΔIcpm，將ΔIcpm代入式(2)和式(6)得到ΔNit，ΔNot隨NH2的變化關(guān)系，如圖6所示。由圖6可見：輻照總劑量相同時，輻照產(chǎn)生的界面陷阱隨輻照過程中NH2的升高而增多；NH2為4.2×1018cm-3時，產(chǎn)生的界面陷阱是在空氣中輻照(NH2=1×1011cm-3)時產(chǎn)生界面陷阱的6倍；而隨著NH2的升高，輻照產(chǎn)生的氧化物陷阱電荷卻呈下降的趨勢，但NH2的變化對其變化量影響較小。對于GCLPNP晶體管，輻射感生的界面陷阱會使得基區(qū)表面復合電流增大，從而使IB增大。而產(chǎn)生的帶正電的氧化物陷阱電荷會改變基區(qū)表面勢，使基區(qū)表面電子積累。根據(jù)SRH(Shockley-Read-Hall)復合理論，基區(qū)表面電子積累會使界面陷阱作為復合中心的復合率會減小[19]，從而抑制IB的增大。根據(jù)圖6中的結(jié)果，隨著NH2的增大，ΔNot減小，對IB增大的抑制作用逐漸減小，即IB會增大。因此，輻照后產(chǎn)生的界面陷阱和氧化物陷阱電荷密度隨NH2的變化規(guī)律都導致了晶體管IB增大，β減小。

為進一步探究氫氣對輻照產(chǎn)生界面陷阱的影響機制，利用電荷泵技術(shù)測量了不同氫氛圍中輻照后GCLPNP晶體管產(chǎn)生的界面陷阱的能級分布。原理如式(7)-式(10)所示。本實驗中根據(jù)測量設(shè)備的性能及柵脈沖電壓周期，選用的柵脈沖電壓tr，tf的范圍為10～4 000 ns，圖7為輻照前后Icpm隨tr，tf的變化關(guān)系。由圖7可見，隨著tr，tf的增大，Icpm呈減小趨勢。因為根據(jù)式(7)和式(8)，tr，tf增大會使電荷泵測量的界面陷阱能級范圍變小，從而導致Icpm減小。

由圖7擬合得到Icpm與tf，tr之間的函數(shù)關(guān)系，再求導得到它們的導函數(shù)，然后將tf，tr的導函數(shù)分別代入式(9)和式(10)，最終得到單位能級界面陷阱密度與能級之間的關(guān)系，如圖8所示。

由圖8可見：所能測量的界面陷阱的能級范圍為-0.4～-0.2 eV，0.2～0.4 eV；受主界面陷阱與施主型界面陷阱的能級分布區(qū)間大小一致，并相對于禁帶中央呈對稱分布；輻照后與輻照前相比，深能級的界面陷阱明顯增大，不同濃度氫氛圍中輻照后的界面陷阱能級分布范圍相差不大，但NH2越大，器件界面處產(chǎn)生的深能級界面陷阱越多，這表明氫氣進入雙極器件氧化層后，在輻照過程中器件界面處產(chǎn)生的主要是深能級的界面陷阱。

由于硅在氧化層生長過程中無法完全氧化，會在氧化層中形成氧空位缺陷，在輻照過程中它們會俘獲空穴，產(chǎn)生氧化物陷阱電荷。其中，最主要的氧空位缺陷有Voδ和Voγ兩種，Voδ形成的是淺能級陷阱電荷，會很快熱激發(fā)，對最終的輻照損傷沒有影響；而Voγ主要分布在氧化層與Si的界面附近，形成的是深能級陷阱電荷，會對器件特性產(chǎn)生一定的影響[19]。

氫氣進入器件氧化層后，會在輻照過程中產(chǎn)生H+[10]。由實驗結(jié)果可得，隨著氫氣濃度升高，氧化物陷阱電荷減少，即H+的增多與氧化物陷阱電荷的減少存在一定關(guān)聯(lián)。因此，氫氣在輻照過程中產(chǎn)生H+的物理機制是氫氣會與氧化層中輻照產(chǎn)生的氧化物陷阱電荷反應(yīng)，釋放H+，可表示為

(12)

氧化層中產(chǎn)生的H+，會在內(nèi)建電場的作用下，輸運到Si/SiO2界面附近，促使界面Si-H鍵斷裂，形成一個帶正電的三價硅或缺陷，即界面陷阱[20-21]，過程可表示為

(13)

其中：PbH為界面Si-H鍵；Pb+為產(chǎn)生的界面陷阱。

因此，氫氣導致晶體管輻照損傷增強的主要原因是，氫氣進入器件氧化層后，會與輻照產(chǎn)生的氧化物陷阱電荷反應(yīng)，產(chǎn)生H+，并使氧化物陷阱電荷減少，而H+又導致更多的界面陷阱的產(chǎn)生。界面陷阱的增多和氧化物陷阱電荷的減少都會導致GCLPNP晶體管基區(qū)表面復合電流的增大，使IB增大，造成晶體管性能變差，輻射損傷增強。

由以上結(jié)果可知，為減小器件的輻照損傷，必須在制造和封裝過程中避免引入氫氣，否則氫氣會成為H+的重要來源，在輻射環(huán)境中影響器件的界面特性，使損傷增強。

4 結(jié)論

本文介紹了利用電荷泵技術(shù)分離得到GCLPNP晶體管輻照感生的界面陷阱和氧化物陷阱電荷及界面陷阱能級分布的方法，并利用此方法對NH2分別為1×1011(空氣)，2.5×1017，1×1018，4.2×1018cm-3等4種條件下的GCLPNP晶體管的輻照損傷規(guī)律進行了研究。研究結(jié)果表明：GCLPNP晶體管的輻照損傷程度會隨著進入器件氧化層氫氣濃度的升高而增強；進入器件氧化層的氫氣在輻照過程中與氧化物陷阱電荷反應(yīng)，釋放H+，形成以深能級為主的界面陷阱；隨著進入器件氧化層氫氣濃度的升高，輻照產(chǎn)生的氧化物陷阱電荷減少，界面陷阱增多。本研究可為氫氛圍中雙極器件輻照損傷增強機制研究和雙極器件抗輻射加固提供參考。