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)技術(shù)物理學(xué)院，西安 710071)

2)(西安電子科技大學(xué)大學(xué)微電子學(xué)院，西安 710071)

(2009年11月24日收到;2010年6月1日收到修改稿)

硅單結(jié)晶體管γ射線輻照電阻變化規(guī)律研究*

趙鴻飛1)杜 磊1)?何 亮1)包軍林2)

1)(西安電子科技大學(xué)技術(shù)物理學(xué)院，西安 710071)

2)(西安電子科技大學(xué)大學(xué)微電子學(xué)院，西安 710071)

(2009年11月24日收到;2010年6月1日收到修改稿)

針對(duì)硅材料和硅基器件輻照損傷機(jī)理之間存在的矛盾，采用對(duì)單結(jié)晶體管基區(qū)電阻實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的方法，得到單結(jié)晶體管基區(qū)阻值隨γ射線輻照劑量的增加先減小后增大的規(guī)律.結(jié)合國(guó)內(nèi)外硅材料和器件的輻照理論，從γ射線與物質(zhì)的微觀作用分析，提出單結(jié)晶體管基區(qū)主要的γ射線輻照機(jī)制位移效應(yīng)較電離效應(yīng)具有一定滯后性的觀點(diǎn)，解決了原有矛盾，對(duì)器件加固的研究具有重要意義.

單結(jié)晶體管，γ射線，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，基區(qū)電阻

PACS:85.30.Pq，78.70.－g

1.引 言

由于硅材料具有價(jià)格低、強(qiáng)度佳、工藝成熟等優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越多的硅基器件應(yīng)用于航天和核技術(shù)等輻射環(huán)境中.其中，一些輻射易損硅器件(如 MOS晶體管、單結(jié)晶體管等)常常成為整個(gè)電路可靠性的薄弱環(huán)節(jié).因此，提高這些器件的抗輻射能力是電子系統(tǒng)輻射加固的關(guān)鍵.

基區(qū)阻值是硅單結(jié)晶體管輻射響應(yīng)的重要參數(shù)［1］.但在硅材料和硅單結(jié)晶體管基區(qū)的 γ射線輻照損傷機(jī)理研究中卻一直存在著矛盾.文獻(xiàn)［1］認(rèn)為硅單結(jié)晶體管經(jīng)γ射線輻照400 krad(Si)后基區(qū)阻值下降;而大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果［2—5］均顯示，硅材料本身在高注量γ射線輻照后阻值僅有微小上升.吸附現(xiàn)象［6］的提出，解釋了器件變化較材料本身輻射現(xiàn)象變化平緩的原因，但仍無(wú)法解釋這種反向變化現(xiàn)象.

為了解決上述矛盾，本文采用輻照實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法，去除劑量點(diǎn)選取的偶然性.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)單結(jié)晶體管基區(qū)在γ射線輻照下的真實(shí)變化規(guī)律為阻值隨輻照劑量的增加先下降后上升.對(duì)這種現(xiàn)象的微觀機(jī)理進(jìn)行深入討論，提出滯后時(shí)間的概念，將其歸結(jié)為兩種輻照損傷機(jī)制共同作用的結(jié)果，并進(jìn)一步驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象對(duì)于器件加固研究具有重要意義.

2.實(shí) 驗(yàn)

2.1.實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)器件采用國(guó)營(yíng)昆山晶體管廠生產(chǎn)的BT32F(BT33C/F)型硅單結(jié)晶體管.輻照采用西北核技術(shù)研究所1.22 MeV的60Co γ射線輻照源.為減少各層間輻照產(chǎn)生的載流子躍遷數(shù)量［7］帶來(lái)的影響，獨(dú)立分析基區(qū)特性，采用大劑量率(50 rad(Si)/s)予以輻照.

實(shí)驗(yàn)在常溫下分兩次進(jìn)行.第一次對(duì)BT32F型單結(jié)晶體管進(jìn)行無(wú)偏實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輻照實(shí)驗(yàn)，累積劑量從0到400 krad(Si).將器件放入輻照環(huán)境，E端懸空，用歐姆表監(jiān)測(cè)基區(qū)阻值變化.第二次對(duì)3種型號(hào)單結(jié)晶體管進(jìn)行輻照驗(yàn)證實(shí)驗(yàn).輻照偏置電壓分別為:0，12和20 V.輻照累積劑量測(cè)量點(diǎn)為:0，50，120，200 以及 400 krad(Si).測(cè)量方法為移位測(cè)量，測(cè)基區(qū)電阻在0—20 V間的I-V曲線，擬合取平均阻值.實(shí)驗(yàn)中輻照前后各器件兩基極間電流-電壓均具有良好的線性關(guān)系，pn結(jié)耗盡層寬度變化影響可忽略，驗(yàn)證了第一次實(shí)驗(yàn)中用歐姆表直接測(cè)量的方法不會(huì)影響數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性.

2.2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)單結(jié)晶體管基區(qū)電阻進(jìn)行輻照實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，得到其阻值與輻照劑量的變化情況，如圖1.

圖1 BT32F型單結(jié)晶體管基區(qū)電阻值隨輻照劑量的變化曲線

從圖1中可以看出，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)消除了升降鈷源及退火等外界影響［6］，表現(xiàn)出單結(jié)晶體管基區(qū)阻值在γ射線輻照下的真實(shí)變化規(guī)律:并非一個(gè)單向變化過(guò)程而是隨輻照劑量的增加先下降后上升.轉(zhuǎn)折點(diǎn)在50 krad(Si)附近，過(guò)轉(zhuǎn)折點(diǎn)后的變化趨勢(shì)與硅材料一致.

圖2為各型號(hào)單結(jié)晶體管基區(qū)電阻在不同偏壓下阻值隨輻照劑量的變化情況，驗(yàn)證了早期下降區(qū)域的存在是一種普遍現(xiàn)象.

圖2 單結(jié)晶體管基區(qū)阻值輻照驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.分析討論

3.1.結(jié)果分析

大量研究［3，8—12］表明，硅材料在 1.22 MeV 的 γ射線輻照下的電離效應(yīng)(如圖3)是康普頓效應(yīng)，產(chǎn)生平均數(shù)為Eph/Eeh的載流子對(duì).在光子能量和劑量率不變的條件下，載流子濃度隨輻照劑量的增加線性累積［3］.

其中，ΔN電離是電離增加的載流子濃度，α為電離系數(shù)，Eph為光子能量，Eeh為平均電離能，D為輻照劑量.

圖3 光子同靶材料相互作用示意圖［3］

電離效應(yīng)產(chǎn)生Eeh>170 keV的背散射康普頓電子與硅材料作用在半導(dǎo)體晶格中形成均勻的位移點(diǎn)缺陷，缺陷濃度NT在很大范圍內(nèi)隨輻照劑量線性增加［3，10］

其中，Nat為靶原子密度為靶原子電荷，me為電子有效質(zhì)量，q為電子電量，Em是轉(zhuǎn)移z核的最大能量，Ed是位移的閾值能量.

位移損傷缺陷同產(chǎn)生的空位及間隙相互作用引起穩(wěn)定的點(diǎn)缺陷絡(luò)合物或“中性的”(間隙的)晶格位置的雜質(zhì)，形成相應(yīng)缺陷能級(jí)［3，11］.室溫下在 n型硅中 V-P，V-O［2，13—17］，V-V 都是穩(wěn)定的輻射缺陷.其中V-O缺陷密度最大，有時(shí)甚至可以達(dá)到V-V－/0缺陷密度的100倍以上，形成E=EC－0.17 eV的深受主能級(jí);V-V－/0缺陷次之，形成多個(gè)能級(jí)，包括E=EC－0.35 eV和E=EC－0.46 eV的深受主能級(jí)以及E=Ev+0.25 eV和E=Ev+0.36 eV的深施主能級(jí);同時(shí)，V-P，CiOi及CiCs等缺陷密度更小，但也會(huì)形成各自的能級(jí)［18，19］.

這些缺陷中的一部分可以作為散射中心使載流子的遷移率 μ 降低［3，19，20］

其中，μ0為輻射前載流子遷移率，i表示作為散射中心的缺陷類型，Ni表示缺陷 i的數(shù)目，δi表示缺陷 i對(duì)載流子的散射因子.將(2)式代入(3)式中得到遷移率與輻照的關(guān)系

根據(jù)(4)式中各項(xiàng)參數(shù)理論值可知，硅材料遷移率要在很高的劑量下才表現(xiàn)出微小變化.即此實(shí)驗(yàn)條件下，μ可近似為一常數(shù).因此，根據(jù)電導(dǎo)率

可知，載流子濃度變化為此實(shí)驗(yàn)條件下阻值變化的主要來(lái)源，這些缺陷能級(jí)的主要作用為俘獲自由載流子，施主-受主補(bǔ)償［19］

其中，N位移為有效摻雜濃度，N0是襯底初始雜質(zhì)濃度，c是施主去除常數(shù)，β為受主引入率.由此，位移效應(yīng)影響下的載流子濃度可以表示為

其中，ED為施主能級(jí)，EF為費(fèi)米能級(jí)，kB為玻爾茲曼常數(shù)，T為溫度.

考慮到不同點(diǎn)缺陷存在著不同的結(jié)合勢(shì)壘和時(shí)間［21］，將輻照時(shí)間劃分為小的時(shí)間段，簡(jiǎn)化時(shí)間對(duì)缺陷作用的依賴性.每個(gè)時(shí)間段，缺陷可以相互作用，作用結(jié)果依次與前一時(shí)間段的復(fù)雜缺陷作用于下一時(shí)間段，新的原缺陷形成［19］.由此可知，次級(jí)電子的位移效應(yīng)將滯后于電離效應(yīng)影響硅材料的電學(xué)特性.假設(shè)這個(gè)滯后時(shí)間為t0，得到的滯后劑量為D0=xt0(其中，x為輻照劑量率).

根據(jù)上文分析，將圖1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果轉(zhuǎn)化為電導(dǎo)進(jìn)行擬合分析.從圖4可知，轉(zhuǎn)折點(diǎn)前電導(dǎo)迅速上升，近似電離效應(yīng)作用結(jié)果.結(jié)合上文理論研究可知:

當(dāng)D

即輻照劑量達(dá)到D0前，電導(dǎo)率隨輻照劑量的增加急速線性上升.同時(shí)，從圖4的擬合結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，早期的曲線較陡，但未出現(xiàn)(8)式中的良好線性關(guān)系.這主要有3點(diǎn)原因:1)早期γ射線依靠本身穿透能力與原子核產(chǎn)生彈性碰撞，引起微弱的位移效應(yīng)［2］，同時(shí)，康普頓電子的再作用引入更多的電離缺陷［22］;2)氮摻雜［14］、氧元素［13，15—17］、電子-空穴復(fù)合及淺能級(jí)等的影響，這些因素主要在輻照早期影響阻值變化，隨輻照劑量的增加逐漸飽和;3)在轉(zhuǎn)折點(diǎn)前二次電子的位移效應(yīng)已經(jīng)開(kāi)始作用，即 D0并非轉(zhuǎn)折劑量點(diǎn)值，D0

圖4 BT32F型單結(jié)晶體管基區(qū)電導(dǎo)值隨輻照劑量的變化擬合曲線

從圖4可知，轉(zhuǎn)折點(diǎn)后的電導(dǎo)隨輻照劑量緩慢下降，與位移效應(yīng)作用結(jié)果一致.當(dāng)D>D0時(shí)，加入了位移效應(yīng).早期位移效應(yīng)很小，主要體現(xiàn)為抑制電離效應(yīng)的影響;D>D1時(shí)，位移效應(yīng)超過(guò)電離效應(yīng)的影響，材料阻值表現(xiàn)出隨輻照劑量的增加而增大.因此

其中，Neff為有效載流子數(shù).

當(dāng)cD<0.5時(shí)，可做以下 Taylor展開(kāi)并取近似，得

將(10)式代入(9)式得到

對(duì)電導(dǎo)率進(jìn)行求導(dǎo)可得:

從D>D1擬合結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，二次項(xiàng)系數(shù)較一次項(xiàng)系數(shù)小超過(guò)3個(gè)數(shù)量級(jí)，驗(yàn)證c值極小，電導(dǎo)變化不僅趨于二次，在劑量較小的情況下甚至趨于線性.

然而，這些參數(shù)并不是固定的.D0值受到劑量率影響，器件工藝可以改變?chǔ)?，β以及c值，控制器件的原始摻雜濃度N0等，這些都會(huì)改變基區(qū)阻值的變化幅度和轉(zhuǎn)折劑量，影響到器件的抗輻照特性.而對(duì)于制造純凈，缺陷量少硅材料而言，D0，D1值都非常小，在輻照損傷測(cè)試中很難測(cè)得轉(zhuǎn)折點(diǎn)前的部分，因此近似認(rèn)為阻值隨輻照劑量單向增長(zhǎng).而器件制造過(guò)程中引入了更多的原始缺陷和雜質(zhì)，這些原始缺陷對(duì)于位移效應(yīng)存在著吸附效應(yīng)，有效地抑制位移缺陷的增加［6，23］，延長(zhǎng)了 D1值，使得電阻下降幅度更大，甚至直至器件損壞都難以恢復(fù)到初始值.這就造成了傳統(tǒng)材料與器件輻照理論的矛盾.引入滯后概念分析硅材料和器件的輻射微觀機(jī)理很好地解釋了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，解決了這一矛盾.

3.2.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖2從不同器件和輻照偏壓角度驗(yàn)證上述現(xiàn)象并不是個(gè)例.將器件按型號(hào)區(qū)分做圖，得到圖5和圖6.從圖5和圖6中可以看出，由于器件間存在個(gè)體差異并且外加電壓不同，出現(xiàn)極小值的劑量點(diǎn)和變化幅度也不相同，并在不同劑量點(diǎn)出現(xiàn)了損壞現(xiàn)象.其中，BT33F型為金封器件，工藝最為成熟，個(gè)別器件出現(xiàn)了與硅材料相同的單向變化，損壞率最低;而B(niǎo)T32F的工藝最為粗糙，損壞率最高.由此可知，工藝越精細(xì)的器件其原始缺陷越少，D0，D1以及下降幅度越小，越接近于理想硅材料的變化.

將器件按下降幅度從大到小的順序排列為:BT32F，BT33C，BT33F.其順序與器件損壞率排列順序有良好的一致性.由此可見(jiàn)，下降幅度是器件抗輻照性的重要參數(shù).但下降幅度對(duì)于器件性能的描述并不具有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn).圖5和圖6中可以發(fā)現(xiàn)這種下降現(xiàn)象對(duì)器件穩(wěn)定性具有雙重影響:以下降趨勢(shì)明顯的器件為例，一部分在輻照早期就產(chǎn)生了致命損傷;而安全度過(guò)阻值下降區(qū)的另一部分器件則更有效地抑制了位移效應(yīng)的影響，反而較下降趨勢(shì)弱的器件失效率降低.這對(duì)于器件加固進(jìn)一步研究提供了良好的依據(jù).

圖5 BT33C在不同偏置下輻照的襯底阻值變化

圖6 BT33F在不同偏置下輻照的襯底阻值變化

同時(shí)可以看出，各型號(hào)器件均在12 V輻照偏壓時(shí)的下降幅度最大，0和20 V時(shí)下降幅度相當(dāng)，即外加電壓也是影響器件抗輻照性的重要因素.

因此，合理利用原始缺陷和雜質(zhì)，適當(dāng)增大阻值下降區(qū)范圍，可以使器件在更大劑量下才能恢復(fù)初值或超出失效閾值，增加器件的抗輻照能力.與此同時(shí)，也不難看出這種抑制位移缺陷的方法在一定程度上是以減小器件壽命為代價(jià)的，因此，在具體操作過(guò)程中應(yīng)以器件壽命、應(yīng)用環(huán)境(偏置條件)等為依據(jù)調(diào)解原始雜質(zhì)注量以達(dá)到器件加固的目的.

4.結(jié) 論

本文對(duì)γ射線輻照的單結(jié)晶體管進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè).研究表明:不同類型和輻照偏壓的硅單結(jié)晶體管基區(qū)阻值均出現(xiàn)隨γ射線輻照劑量的增加先下降后上升的現(xiàn)象.對(duì)這種新現(xiàn)象進(jìn)行了深入分析，提出滯后劑量的概念，將這種現(xiàn)象的本質(zhì)解釋為對(duì)阻值影響略大的位移效應(yīng)較電離效應(yīng)具有延遲性.結(jié)合這一觀點(diǎn)，器件制造過(guò)程引入的原始缺陷抑制了早期位移缺陷，增大了阻值下降范圍，使輻照器件的基區(qū)阻值難以恢復(fù)到初值，給器件可靠性帶來(lái)雙重影響，并成為器件與材料輻照理論間矛盾的來(lái)源.因此，合理利用器件原始雜質(zhì)和缺陷來(lái)調(diào)節(jié)滯后劑量和阻值變化幅度對(duì)輻照加固研究具有重要意義.

［1］Horn W E(translated by Wei G)1974Radiation Effect on Electronic Device(Beijing:National Defense Indestry Press)pp43—44(in Chinese)［W.E.霍恩著 微觀譯1974輻射對(duì)電子元件器件的影響(北京:國(guó)防工業(yè)出版社)第43—44頁(yè)］

［2］Zhang J R，Shi J X，Tong L Y 2005Semicond.Technol.30 67(in Chinese)［張繼榮、史繼祥、佟麗英 2005半導(dǎo)體技術(shù) 30 67］

［3］Claeys C，Simoen E(translated by Liu Z L)2008Radiation Effect on Advanced Semiconductor Material and Device(Beijing:National Defense Industry Press)pp22—82(in Chinese)［C.Claeys，E.Simoen著劉忠立譯2008先進(jìn)半導(dǎo)體材料及器件的輻射效應(yīng)(北京:國(guó)防工業(yè)出版社)第22—82頁(yè)］

［4］Liu F，Ji X F，Tong L Y 2001Semicond.Info.38 45(in Chinese)［劉 鋒、紀(jì)秀峰、佟麗英 2001半導(dǎo)體情報(bào) 38 45］

［5］Wang J R，Gao Z L 1996J.Nucl.Agric.Sci.17 75(in Chinese)［王錦榮、高仲林 1996核農(nóng)學(xué)通報(bào) 17 75］

［6］Zai D Q 1992J.Radiat Res.Processing10 126(in Chinese)［翟冬青1992輻射研究和輻射工藝學(xué)報(bào)10 126］

［7］Zhang T Q，Liu C Y，Liu J L，Wang J P，Huang Z，Xu N J，He B P，Peng H L，YaoY J 2001Acta Phys.Sin.50 2434(in Chinese)［張廷慶、劉傳洋、劉家璐、王劍屏、黃 智、徐娜軍、何寶平、彭宏論、姚育娟 2001物理學(xué)報(bào) 50 2434］

［8］Cheng P X 2005Radiation Effect on Semiconductor Device and Integrated Circuits(Beijing:National Defense Indestry Press)p25(in Chinese)［陳盤(pán)訓(xùn)2005半導(dǎo)體器件和集成電路的輻射效應(yīng)(北京:國(guó)防工業(yè)出版社)第25頁(yè)］

［9］He B P，Chen W，Wang G Z 2006Acta Phys.Sin.55 3546(in Chinese)［何寶平、陳 偉、王桂珍2005物理學(xué)報(bào) 55 3546］

［10］Jing T 2000Chin.Nucl.Sci.Technol.Rep.01514 0064(in Chinese)［景 濤2000中國(guó)核科技報(bào)告01514 0064］

［11］Matsuura H，Uchida Y，Nagai N，Hisamatsu T，Aburaya T，Matsuda S 2000Appl.Phys.Lett.76 2092

［12］Lai Z W 1998Radiation Hardened Electronics—Radiation Effect and Strengthening Principle(Beijing:National Defense Industry Press)pp10—12(in Chinese)［賴祖武 1998抗輻射電子學(xué)——輻射效應(yīng)及加固原理(北京:國(guó)防工業(yè)出版杜)第10—12頁(yè)］

［13］Dezillie B，Li Z，Eremin V，Chen W，Zhao L J 2000IEEE Trans.Nucl.Sci.47 800

［14］Zhang Y Y，Liu F，PeiZ J，JiX F 199898National Semiconductor Silicon Material Academic Conference，Shanghai，September，1998 p53(Shanhai:Shanhai Academy of Nonferrous Metal，Chinese Academy of Nonferrous Metal(in Chinese)［張憶延、劉 鋒、裴志軍、紀(jì)秀峰 98全國(guó)半導(dǎo)體硅材料學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，上海，1998年9月 第53頁(yè)(上海:上海有色金屬協(xié)會(huì)，中國(guó)有色金屬協(xié)會(huì))］

［15］Chen G F，Yan W B，Chen H J，Cui H Y，Li Y X 2009Chin.Phys.B 18 2988

［16］Chen G F，Yan W B，Chen H J，Li X H，Li YX 2009Chin.Phys.B 18 293

［17］Xu J，Li F L，Yang D R 2007Acta Phys.Sin.56 4113(in Chinese)［徐 進(jìn)、李福龍、楊德仁 2007物理學(xué)報(bào) 56 4113］

［18］Watkins G D 2000Mat.Sci.Semicond.Proc.3 227

［19］Passeri D，Ciampolini P，Bilei G M，Moscatelli F 2001IEEE Trans.Nucl.Sci.47 1688

［20］Srour J R，Marshall C J，Marshall P W 2003IEEE Trans.Nucl.Sci.50 653

［21］Qiao Y H，Wang S Q 2005Acta Phys.Sin.54 4827(in Chinese)［喬永紅、王紹青 2005物理學(xué)報(bào) 54 4827］

［22］Flescher H L，Szymkowiak E A 1966NASACR-526 66 31669

［23］Li Y X，Liu H Y，Niu P J，Liu C C，Xu Y S，Yang D R，Que D L 2002Acta Phys.Sin.51 2407(in Chinese)［李養(yǎng)賢、劉何燕、牛萍娟、劉彩池、徐岳生、楊德仁、闕端麟 2002物理學(xué)報(bào)51 2407］

PACS:85.30.Pq，78.70.－g

Base resistance in Si unijunction transistor irradiated by60Co γ-radiation*

Zhao Hong-Fei1)Du Lei1)?He Liang1)Bao Jun-Lin2)
1)(School of Technology Physics，Xidian University，Xi′an 710071，China)
2)(School of Microelectronic，Xidian University，Xi′an 710071，China)
(Received 24 November 2009;revised manuscript received 1 June 2010)

The change of base resistance in Si-UJT under irradiation of60Co γ-ray is provided.Through multipoint measurement and real-time monitoring，it was shown that the base resistance decreased immediately and then increased slowly.Compared with domestic and foreign related research results，this proves that the displacement effect is the main effect of base resistance in Si-UJT irradiated by60Co γ-ray，but it lags behind the ionization effect from microanalysis of the interaction between γ-ray and Si material.This is very important for the radiation hardened research.

unijunction transistor，60Co γ-ray，real-time monitoring，base resistance

*國(guó)家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):60376023)和西安應(yīng)用材料創(chuàng)新基金(批準(zhǔn)號(hào):XA-AM-200603)資助的課題.

?通訊聯(lián)系人.E-mail:lduxidian@gmail.com

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No.60376023)and the Applied Materials Innovation Foundation of Xi′an，China(Grant No.XA-AM-200603).

?Corresponding author.E-mail:lduxidian@gmail.com