硅單結(jié)晶體管γ射線輻照電阻變化規(guī)律研究

趙鴻飛，杜 磊，何 亮，包軍林

(1.西安電子科技大學(xué)大學(xué) 技術(shù)物理學(xué)院，陜西 西安 710071;2.西安電子科技大學(xué)大學(xué) 微電子學(xué)院，陜西 西安 710071)

近年來，國內(nèi)外對單結(jié)晶體管這一易損器件的γ射線輻照特性研究較少。早期研究文獻(xiàn)[1，2]認(rèn)為硅單結(jié)晶體管γ射線輻照的主要損傷機(jī)制是電離效應(yīng)，經(jīng)400 klx(Si)γ射線輻照后其基區(qū)電阻阻值下降。這顯然與硅材料自身的γ射線輻照結(jié)論相矛盾。大量國內(nèi)外實驗結(jié)果[3-6]表明，硅材料在γ射線輻照后阻值上升，損傷機(jī)制為多子去除的位移效應(yīng)。由此可見，在兩個劑量點的測量實驗中，劑量點選取的偶然性很可能會忽略研究對象變化過程，導(dǎo)致理論上的錯誤和理論間的矛盾。因此，改進(jìn)測量方法，研究硅單結(jié)晶體管γ射線輻照過程中基區(qū)電阻的真實變化規(guī)律，是解決這一矛盾的重要方法。

為了解決上述矛盾實現(xiàn)器件加固，本文設(shè)計了兩次硅單結(jié)晶體管γ射線輻照實驗，發(fā)現(xiàn)了其體電阻值先下降后上升的新現(xiàn)象，并通過對其輻照微觀機(jī)理進(jìn)行深入討論，得到兩種損傷機(jī)制并存，影響較大的位移效應(yīng)較電離效應(yīng)具有一定滯后性的結(jié)論。

1 實驗過程

實驗采用國營昆山晶體管廠生產(chǎn)的BT32F(BT33C/BT33F)型硅單結(jié)晶體管?；窘Y(jié)構(gòu)是n型低摻雜基區(qū)兩端引出基極B1，B2;基區(qū)中部單側(cè)小區(qū)域p型摻雜引出發(fā)射極E。其中，BT33F型為金封，其他兩種型號為塑封。

器件輻照采用西北核技術(shù)研究所1.22 MeV的Co60γ射線輻照源?？倓┝恳欢?，劑量率越大，輻照需要的時間越短，減少各層間輻照產(chǎn)生的載流子躍遷數(shù)量[7]。為了對器件基區(qū)特性進(jìn)行獨立分析，減少層間影響，實驗使用大劑量率:50 lx(Si)/s。輻照及測量過程均在常溫下進(jìn)行，器件E端懸空，兩B極分別與直流電源(或測試設(shè)備)正負(fù)極相連。

輻照實驗分兩次進(jìn)行:第一次為單結(jié)晶體管(3種型號均取樣)的劑量累積輻照實驗，測量方法使用移位多點測量。輻照過程選擇3個輻照偏置電壓:0 V，12 V，20 V。輻照劑量點為5個:0 klx，50 klx，120 klx，200 klx以及400 klx。為避免不同輻照劑量點時特定測試電壓值下的pn結(jié)耗盡層寬度變化影響測量準(zhǔn)確性，使用實驗室自行研制的238儀測量基區(qū)電阻在0～20 V間的I-V曲線，取平均阻值。I-V曲線顯示，輻照前后基極間電流—電壓均具有良好的線性關(guān)系。這說明測試電壓變化對阻值測量結(jié)果的影響可忽略。因此，二次實驗中可用歐姆表直接測量。

第二次輻照實驗選取第一次實驗結(jié)果中規(guī)律明顯、可以清晰解決理論矛盾的一種型號器件(實驗后選擇了BT32F)，進(jìn)行輻照劑量為0～400 klx(Si)的無偏實時監(jiān)測。將器件放在輻照環(huán)境中，兩基極接在歐姆表上，直接監(jiān)測基區(qū)阻值變化趨勢和幅度，消除了升降鈷源時劑量率變化以及退火等一系列的外界影響[7]，如實反映其基區(qū)阻值的真實變化過程。

2 實驗結(jié)果與討論

圖1為第一次實驗中3種單結(jié)晶體管在不同偏壓下基區(qū)阻值隨輻照總劑量的變化情況。從圖1中可見，隨輻照劑量的增大，大部分單結(jié)晶體管基區(qū)阻值都出現(xiàn)了一個極小值，但因器件間的個體差異以及外加電壓的不同，出現(xiàn)的劑量點和變化幅度并不相同。這種現(xiàn)象給器件穩(wěn)定性帶來了雙重影響:對于下降趨勢明顯的器件，一部分在輻照早期就產(chǎn)生了致命損傷;而安全度過阻值下降區(qū)的另一部分器件，反而較下降趨勢弱的器件失效率降低。與此同時，實驗中也存在個別器件僅測到基區(qū)阻值增大的現(xiàn)象。

圖1 3種型號單結(jié)晶體管基區(qū)阻值在不同偏壓下隨輻照劑量的變化曲線

圖2為第二次輻照實驗中BT32F型單結(jié)晶體管基區(qū)阻值隨輻照劑量的變化曲線。圖中可以看出，利用實時監(jiān)測方法得到的實驗曲線具有更好的連續(xù)性，更直觀地反映了變化幅度等信息，證明了單結(jié)晶體管基區(qū)阻值隨輻照劑量的增加先下降后上升。同時，將該器件的轉(zhuǎn)折劑量點縮小到48.35～60 klx區(qū)域內(nèi)。

圖3對圖2中曲線上升區(qū)和下降區(qū)分別進(jìn)行直線擬合。上升區(qū)阻值和輻照劑量有良好的線性關(guān)系，而下降區(qū)的變化率隨輻照劑量的增加而減小。下降率絕對值遠(yuǎn)大于上升率。

通過大量研究[4，8-11，18]表明，硅材料在γ射線輻照下產(chǎn)生電離效應(yīng)和位移效應(yīng)。

電離效應(yīng)有3種類型，與入射的光子能量和靶電子的電荷有直接關(guān)系，正如圖4所示。從圖4可知，對于1.22 MeV的γ射線輻照源，硅材料的電離效應(yīng)以康普頓效應(yīng)為主。康普頓效應(yīng)在硅材料中產(chǎn)生平均數(shù)為Eph/Eeh的載流子對，此平均數(shù)正比于原始的光子能量。光子能量和劑量率不變，電離缺陷恒定不變，隨輻照劑量的增加累積，體現(xiàn)為阻值隨著總劑量線性下降。

圖4 光子同靶材料相互作用示意圖[9]

γ射線在硅體中產(chǎn)生的位移效應(yīng)則主要依靠其與物質(zhì)作用后產(chǎn)生的Eeh＞170 keV背散射康普頓電子再與硅材料發(fā)生作用[4，10]，在半導(dǎo)體晶格中形成自身的級聯(lián)損傷。γ射線及電子輻照形成的位移缺陷為均勻的點缺陷[4]，缺陷濃度在很大范圍內(nèi)隨輻照注入劑量線性增加[10]。位移損傷缺陷由于同產(chǎn)生的空位及間隙相互作用引起穩(wěn)定的點缺陷絡(luò)合物或“中性的”(即間隙的)晶格位置的雜質(zhì)，使有源的(取代的)晶格位置直接去除，從而使自由載流子去除或減少[4，11]。室溫下在n型硅中V-P，V-O，V-V都是穩(wěn)定的輻射缺陷[12，13]。

位移效應(yīng)相對電離效應(yīng)存在一定的滯后性。在大量次級電子產(chǎn)生之前，硅體主要受康普頓效應(yīng)影響。在低摻雜的基區(qū)，載流子數(shù)量明顯上升，電阻值迅速下降。但是電離效應(yīng)主導(dǎo)總劑量(時間)很小(短)，在硅材料的輻照測試結(jié)果中常常被忽略，認(rèn)為整個輻照過程均以位移效應(yīng)為主，阻值增大[4，11，18]。而單結(jié)晶體管的早期位移損傷缺陷不僅吸除載流子，也吸除器件制造過程引入的大量原始活性缺陷或者雜質(zhì)，抑制了位移效應(yīng)與電離效應(yīng)的抵消，增大(延長)了下降區(qū)總劑量(時間)。但位移效應(yīng)對原始缺陷的吸除十分集中，在小劑量下影響明顯，轉(zhuǎn)折點后基本飽和。同時，位移效應(yīng)對阻值的影響因子略大于電離效應(yīng)，二者均隨總劑量線性累積，共同作用，使阻值上升率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于早期電離效應(yīng)帶來的下降率，使單結(jié)晶體管在損壞前基區(qū)阻值較輻照前只有很小的增加，甚至減小。在實驗結(jié)果在文獻(xiàn)[2]中均有體現(xiàn)。這就使早期單結(jié)晶體管的研究一直認(rèn)為電離效應(yīng)是其主要γ射線輻照效應(yīng)，產(chǎn)生了與硅材料γ射線輻照效應(yīng)之間的矛盾。在另一側(cè)面體現(xiàn)了適當(dāng)利用原始缺陷雖然會減少器件壽命，但是可以提高抗位移輻照損傷能力[15，19]。

在硅單結(jié)晶體管的輻照過程中，γ射線依靠本身穿透能力與原子核產(chǎn)生彈性碰撞，引起的位移效應(yīng)[3]，次級電子的電離作用[14]，V-O缺陷[3，16，17]和n摻雜[17]等也在γ射線輻照早期有著各自的影響，但影響較小，主要體現(xiàn)為使下降率偏離了線性。

3 結(jié)束語

通過以上兩次實驗，對比不同測量方法并結(jié)合理論分析，得到以下結(jié)論:

(1)硅單結(jié)晶體管基區(qū)阻值隨γ射線輻照劑量的增加先下降后上升。恒劑量率時，下降率隨輻照劑量的增加而減小，上升率為常數(shù)，且下降率絕對值遠(yuǎn)大于上升率。這主要因為位移效應(yīng)較電離效應(yīng)具有延遲性，且位移損傷對阻值的影響因子略大于電離損傷;

(2)器件中存在的吸附現(xiàn)象增大了下降區(qū)范圍，使部分器件在損壞前基區(qū)阻值仍未升至初始值，成為器件與材料輻照效應(yīng)理論中矛盾的來源;

(3)單結(jié)晶體管阻值隨輻照劑量變化率及轉(zhuǎn)折劑量值與器件制造工藝、基區(qū)初始電阻、電阻率、外加電壓、輻照劑量率等多個因素有關(guān)。并從另一側(cè)面反映了原始缺陷對在輻照環(huán)境下的器件加固具有兩面性;

(4)本實驗也為實時監(jiān)測的測量方法較定點測量更優(yōu)觀點提供了一定的佐證。

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