柵控橫向PNP雙極晶體管電離輻射效應(yīng)

席善斌 陸 嫵 任迪遠 王志寬 周 東 文 林 孫 靜

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實驗室 烏魯木齊 830011)

3(中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

4(模擬集成電路國家重點實驗室 重慶 400060)

用于空間環(huán)境中的微電子器件和電路會受到各種粒子的電離和輻射，電離輻射會導(dǎo)致雙極晶體管基極電流增加和電流增益減小。由于雙極器件和電路中存在低劑量率輻照損傷增強效應(yīng)，使其在衛(wèi)星和航天器上的應(yīng)用受到了限制[1]。自低劑量率輻照損傷增強效應(yīng)(ELDRS)發(fā)現(xiàn)以來，國內(nèi)外開展了大量工作，研究雙極器件的低劑量率輻照損傷增強效應(yīng)及其失效機理，但是多數(shù)都是對試驗現(xiàn)象的定性分析，對感生電荷的定量分離一直是研究的難題[2-5]。自1993年Koiser及其同事利用柵控二極管研究輻照感生電荷[6]，到1999年Barnaby提出柵控雙極晶體管的研究方法[3,7,8]，再到2004年Chen等利用柵控橫向 PNP雙極晶體管研究雙極器件電離輻射效應(yīng)，雖然對雙極器件進行了大量研究，初步提出了電荷分離的有效手段，但是對電荷的定量分離，以及高、低劑量率輻照下雙極晶體管中輻照感生電荷變化并沒有進行系統(tǒng)、深入地研究[9-17]。在此基礎(chǔ)上，我們設(shè)計并制作了柵控橫向PNP雙極晶體管結(jié)構(gòu)，借鑒上述方法研究了國產(chǎn)柵控雙極晶體管的電離輻射效應(yīng)。并對其進行了高、低劑量率輻照下的電荷分離以及柵控與常規(guī) PNP雙極晶體管的比對試驗。

1 試驗樣品和方法

試驗樣品為模擬集成電路國家重點實驗室提供的相同工藝條件下加工的常規(guī)橫向 PNP雙極晶體管(LPNP BJTs)和柵控橫向 PNP雙極晶體管(Gate Controlled Lateral PNP BJTs, GCLPNP BJTs)，兩種晶體管結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，常規(guī)橫向PNP雙極晶體管圖1(a)保持主流橫向PNP雙極晶體管結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)不變，柵控橫向雙極晶體管圖1(b)保持與常規(guī)雙極晶體管結(jié)構(gòu)工藝相同的基礎(chǔ)上，在基區(qū)表面氧化層上多了一個柵極，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)保持一致。晶體管P型發(fā)射區(qū)類似于MOS場效應(yīng)晶體管的源區(qū)，P型集電區(qū)類似于MOS場效應(yīng)晶體管的漏區(qū)，雙極晶體管的發(fā)射極、集電極和基區(qū)表面的柵極構(gòu)成類似于PMOS場效應(yīng)晶體管的測試結(jié)構(gòu)，如圖1(b)中虛線部分所示。通過控制柵極所加電壓就可以控制雙極晶體管基區(qū)表面載流子濃度，由于表面載流子濃度可以控制，那么在保持正向有源偏置的條件下，晶體管就可以在積累、耗盡、反型模式下工作[10,12]。由于柵電極的存在，從而可以讓柵控雙極晶體管既可以展現(xiàn)出 MOS場效應(yīng)晶體管的特性，又可以展現(xiàn)出雙極晶體管的特性。

國家自然科學(xué)基金資助項目(No.10975182)資助

圖1 常規(guī)橫向PNP雙極晶體管(a)和柵控橫向PNP雙極晶體管(b)橫斷面示意圖Fig.1 Representational cross section of normal LPNP BJTs (a)and GCLPNP BJTs (b).

流片加工前，對設(shè)計的橫向PNP雙極晶體管結(jié)構(gòu)進行了Silvaco計算機工藝和器件模擬，提取必要的參數(shù)，并獲得性能預(yù)測結(jié)果，兩種結(jié)構(gòu)雙極晶體管封裝在12管腳雙列直插式陶瓷管殼內(nèi)，晶體管管腳獨立，性能互不影響。

輻照試驗是在中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所的大、小60Co-g輻照源上進行的。輻照總劑量為1000Gy(Si)，輻照劑量率用熱釋光片進行標定，選擇美軍標規(guī)定范圍的下限劑量率0.50Gy(Si)/s以及與實際空間低劑量率水平相當?shù)?.10mGy(Si)/s。試驗樣品放置于依據(jù)美軍標制作的鉛鋁屏蔽盒內(nèi)，以消除低能散射影響，防止劑量增強效應(yīng)的發(fā)生。輻照過程中，對常規(guī)和柵控橫向PNP雙極晶體管加以反向偏置，即基極接+2V，發(fā)射極、集電極接地，柵控晶體管柵極也接地，以降低對雙極晶體管常規(guī)性能影響。

試驗采取移位測試的方法，柵控晶體管參數(shù)利用Hp4142半導(dǎo)體參數(shù)分析儀進行采集，測試參數(shù)為：

1） 常規(guī)特性：基-射結(jié)電壓(VBE)、基極電流(IB)、集電極電流(IC)以及電流增益(b)；

2） 柵控特性：柵極電壓(VGate)、基極電流(IB’)、漏極電流(ID)。

在此需要說明的是，基極電流(IB)是指常規(guī)晶體管的電流值，而基極電流(IB’)則是指利用柵掃描法測得隨掃描柵壓的基極電流值。輻照試驗及其參數(shù)的測量都是在室溫下進行的，每次參數(shù)的測試都在輻照或退火后20min內(nèi)完成。常規(guī)晶體管參數(shù)測試方法在此不作介紹，柵控特性具體測試方法為：器件工作在正向有源模式下，保持晶體管基射結(jié)偏置狀態(tài)不變，在柵極上加一掃描電壓，改變柵極電壓，然后測試基極電流(IB’)隨柵極電壓(VGate)、漏極(集電極)電流(ID)隨柵極電壓(VGate)的變化情況。

2 試驗結(jié)果及分析

圖2和圖3所示為高、低劑量率輻照條件下，常規(guī)和柵控橫向PNP雙極晶體管電流增益變化，從圖中可以看出，無論是高劑量率輻照還是低劑量率輻照，常規(guī)和柵控橫向PNP雙極晶體管都對60Co-g輻照表現(xiàn)比較敏感。在相同劑量率輻照條件下，兩者對不同總劑量輻照響應(yīng)相同，都隨著總劑量的累積而表現(xiàn)出電流增益單向衰減的現(xiàn)象，衰減幅度基本相同。對比高、低劑量率輻照，可以看出，無論是柵控橫向PNP雙極晶體管還是常規(guī)橫向PNP雙極晶體管，它們在低劑量率輻照條件下電流增益衰減較高劑量率輻照更為嚴重，都表現(xiàn)出明顯的低劑量率輻照損傷增強效應(yīng)。

圖2 高劑量率輻照常規(guī)(a)和柵控(b)橫向PNP雙極晶體管電流增益變化Fig.2 Current gain of LPNP (a) and GCLPNP (b) BJTs vs VBE under high dose rate irradiation.

圖3 低劑量率輻照常規(guī)(a)和柵控(b)橫向PNP雙極晶體管電流增益變化Fig.3 Current gain of LPNP (a) and GCLPNP (b) BJTs vs VBE under low dose rate irradiation.

圖(4)和圖(5)所示為不同總劑量輻照條件下，高、低劑量率輻照柵控和常規(guī)橫向PNP雙極晶體管基極電流和集電極電流變化?？梢钥闯鰞煞N晶體管在相同劑量率輻照條件下，基極電流和集電極電流輻射響應(yīng)基本相同；在不同劑量率輻照條件下，兩種晶體管在低劑量率輻照條件下基極電流變化較高劑量率輻照變化更為明顯；集電極電流無論是在高劑量率輻照還是在低劑量率輻照條件下變化都不明顯。這一現(xiàn)象也說明了晶體管電離輻照性能衰減主要是由于輻照導(dǎo)致的基極電流增加所造成的。

圖4 高劑量率輻照常規(guī)(a)和柵控(b)橫向PNP雙極晶體管基極電流、集電極電流變化Fig.4 IB, IC of LPNP (a) and GCLPNP (b) BJTs vs VBE under high dose rate irradiation.

圖5 低劑量率輻照常規(guī)(a)和柵控(b)橫向PNP雙極晶體管基極電流、集電極電流變化Fig.5 IB, IC of LPNP (a) and GCLPNP (b) BJTs vs VBE under low dose rate irradiation.

為了便于分析輻照前后雙極晶體管性能變化，在此我們引入兩個參數(shù)，歸一化電流增益和過?；鶚O電流。歸一化電流增益定義為輻照后雙極晶體管電流增益b與輻照前電流增益b0的比值b/b0，過剩基極電流定義為輻照前后雙極晶體管基極電流的變化量，為DIB=IB Post-rad—

圖6 常規(guī)和柵控橫向PNP雙極晶體管歸一化電流增益隨總劑量(a)和室溫退火時間(b)變化Fig.6 b/b0 of LPNP and GCLPNP BJTs vs total dose (a) and post-irradiation annealing time (b).

圖6 所示為常規(guī)橫向PNP雙極晶體管和柵控橫向 PNP雙極晶體管歸一化電流增益隨60Co-g輻照總劑量和室溫退火時間變化關(guān)系。圖中可以明顯看出，常規(guī)晶體管和柵控晶體管對輻照響應(yīng)非常近似，二者曲線變化基本相同，都表現(xiàn)出低劑量率輻照較高劑量率輻照性能衰減更為嚴重的現(xiàn)象。高劑量率輻照后的室溫退火試驗過程中，輻照引起晶體管性能損傷恢復(fù)程度有限，在長達115天的室溫退火過程中，晶體管增益損傷基本沒有恢復(fù)。

圖7 常規(guī)和柵控橫向PNP雙極晶體管過剩基極電流隨總劑量(a)和室溫退火時間(b)變化Fig.7 DIB of LPNP and GCLPNP BJTs vs total dose (a) and post-irradiation annealing time (b).

圖7 所示常規(guī)橫向PNP雙極晶體管和柵控橫向PNP雙極晶體管過?；鶚O電流隨輻照總劑量和室溫退火時間的變化。圖7表現(xiàn)出與圖6基本相同的變化趨勢，常規(guī)和柵控PNP雙極晶體管低劑量率輻照損傷更為嚴重，高劑量率輻照后的退火并不能徹底消除輻照引入的損傷。

對比圖6和圖7我們可以發(fā)現(xiàn)，低劑量率輻照導(dǎo)致常規(guī)和柵控橫向 PNP雙極晶體管在總劑量達到 600Gy(Si)以后，歸一化電流增益衰減和過?；鶚O電流增減趨勢迅速減緩?？赡茉蚴牵蛣┝柯瘦椪找氲母猩毕蒿柡?，或者多數(shù)都已經(jīng)到達Si-SiO2界面形成輻照感生的氧化物陷阱電荷或界面陷阱電荷。圖7中高劑量率輻照后的過?；鶚O電流退火過程中損傷恢復(fù)程度較圖6歸一化電流增益恢復(fù)程度明顯很多，可能原因是雙極晶體管電流增益定義為集電極電流與基極電流的比值即b=IC/IB。雖然退火過程中基極電流減小，表現(xiàn)出過剩基極電流減小的現(xiàn)象，但是如果退火過程中，集電極電流也相應(yīng)的減小，那么電流增益變化就取決于二者的變化程度，當二者變化程度基本相同時，歸一化電流增益就表現(xiàn)出基本不發(fā)生變化的現(xiàn)象。

利用柵控雙極晶體管來研究常規(guī)雙極晶體管電離輻射效應(yīng)、失效機理以及低劑量率輻照損傷增強效應(yīng)，國外已有初步報導(dǎo)。然而由于國內(nèi)外半導(dǎo)體工藝之間的差異，國外的科研結(jié)果只能對國內(nèi)研究國產(chǎn)雙極晶體管輻射效應(yīng)具有一定的借鑒經(jīng)驗，而不具有實際的指導(dǎo)意義。利用中帶電壓法(sub threshold-current technique)定量分離出國產(chǎn)柵控橫向 PNP雙極晶體管輻照感生的氧化物陷阱電荷和界面陷阱電荷，輻照感生電荷隨輻照累積總劑量的變化關(guān)系如圖8所示[9,14,18]。圖中DN、DNot、DNit分別為雙極晶體管電離輻照感生的總的陷阱缺陷密度以及氧化物陷阱電荷密度和界面陷阱電荷密度兩個分量。圖中可以看出，高、低劑量率輻照條件下，雙極晶體管中感生的氧化物陷阱電荷和界面陷阱電荷都有明顯的差別，正是因為感生電荷的差別才導(dǎo)致了雙極器件及電路低劑量率輻照損傷增強效應(yīng)的產(chǎn)生。

圖8 控橫向PNP雙極晶體管輻照感生缺陷隨總劑量(a)和室溫退火時間(b)變化Fig.8 Radiation induced defects of GCLPNP BJTs vs total dose (a) and post-irradiation annealing time (b).

3 結(jié)論

設(shè)計并制作了可用于輻照試驗的柵控橫向PNP雙極晶體管測試結(jié)構(gòu)，并與常規(guī)橫向PNP雙極晶體管進行了高、低劑量率輻照試驗以及高劑量率輻照后的室溫退火試驗。試驗結(jié)果表明，柵極晶體管和常規(guī)晶體管在電流增益、基極電流、集電極電流、歸一化電流增益以及過?；鶚O電流變化上都表現(xiàn)出一致的變化趨勢。研究柵控雙極晶體管輻照感生缺陷就可以客觀反映出常規(guī)雙極晶體管的輻照感生缺陷變化，利用中帶電壓法定量分理柵控橫向PNP雙極晶體管輻照感生的氧化物陷阱電荷和界面陷阱電荷變化，對研究雙極晶體管低劑量率輻照損傷增強效應(yīng)和失效機理具有一定的意義。

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