多晶發(fā)射極結(jié)構(gòu)三極管抗總劑量能力研究

鄭若成，顧愛(ài)軍

（無(wú)錫中微晶園電子有限公司，江蘇 無(wú)錫 214035）

1 概述

多晶發(fā)射極三極管結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)三極管結(jié)構(gòu)相比，具有很多優(yōu)勢(shì)，包括極大的放大倍數(shù)、更高的響應(yīng)頻率和更小的尺寸結(jié)構(gòu)，這些優(yōu)勢(shì)使得該結(jié)構(gòu)在亞微米和深亞微米BiCMOS工藝中完全取代傳統(tǒng)三極管結(jié)構(gòu)而被廣泛采用。實(shí)際上，在和傳統(tǒng)三極管結(jié)構(gòu)比較中，我們比較容易忽略多晶發(fā)射極結(jié)構(gòu)三極管的另外一個(gè)優(yōu)勢(shì)，那就是多晶發(fā)射極結(jié)構(gòu)具有更強(qiáng)的抗總劑量輻照能力。

2 三極管總劑量機(jī)理分析

總劑量輻照效應(yīng)是由于伽馬射線入射到SiO2介質(zhì)中，產(chǎn)生能量沉積，形成電子空穴對(duì)。由于電子在SiO2中遷移率大，容易逃逸，而空穴則容易被SiO2介質(zhì)中的陷阱俘獲，在SiO2中形成固定的正電荷或者在界面產(chǎn)生界面態(tài)。這種固定的正電荷或者界面態(tài)會(huì)造成硅襯底中雜質(zhì)濃度的再分布或?qū)d流子壽命產(chǎn)生影響，因此總劑量輻照會(huì)對(duì)器件性能產(chǎn)生影響。

氧化層越厚，因輻照產(chǎn)生的空穴就越多，被陷阱俘獲的幾率也越大。SiO2介質(zhì)中固定正電荷分布除了和SiO2介質(zhì)中的陷阱分布有關(guān)外，還和外加電場(chǎng)相關(guān)。因?yàn)樵陔妶?chǎng)的作用下，正電荷會(huì)發(fā)生移動(dòng)，當(dāng)正的陷阱電荷移動(dòng)到SiO2-Si界面邊緣時(shí)，對(duì)器件性能影響最大。因此SiO2介質(zhì)是總劑量輻照的敏感介質(zhì)，并且輻照的影響程度和SiO2介質(zhì)的厚度以及外加電場(chǎng)強(qiáng)烈相關(guān)。

對(duì)于MOS管器件，抗總劑量輻照加固就是針對(duì)氧化層介質(zhì)的加固，包括場(chǎng)氧的加固和鳥(niǎo)嘴的加固，對(duì)于亞微米和深亞微米工藝，柵氧一般不需要加固；對(duì)三極管器件，抗總劑量加固也是針對(duì)氧化層介質(zhì)加固，主要是基區(qū)上氧化層介質(zhì)和EC之間的氧化層介質(zhì)。基區(qū)上氧化層介質(zhì)在總劑量輻照下會(huì)對(duì)基區(qū)產(chǎn)生影響，EC之間氧化層介質(zhì)總劑量輻照可能會(huì)引起EC之間的漏電。圖1是普通梳狀VNPN管的結(jié)構(gòu)。

圖1 普通梳狀VNPN管剖面結(jié)構(gòu)

從普通VNPN管結(jié)構(gòu)可以看出，在EB極間的基區(qū)上存在場(chǎng)氧、PMD和鈍化等SiO2介質(zhì)，盡管PMD和鈍化層氧化層的抗輻照能力要強(qiáng)，但是對(duì)器件輻照性能起主要影響的是場(chǎng)氧介質(zhì)，厚度一般在500nm以上。該氧化層中的正陷阱電荷和界面態(tài)會(huì)對(duì)VNPN管的基區(qū)產(chǎn)生影響，包括產(chǎn)生較大的復(fù)合電流，降低少子壽命等，這些都會(huì)增加基區(qū)的復(fù)合電流，降低管子HFE。一個(gè)三極管中，這樣的位置越多（如梳狀結(jié)構(gòu)），則抗輻照能力越弱。所以，梳狀結(jié)構(gòu)（或者周長(zhǎng)面積比大）比單面積結(jié)構(gòu)三極管的抗輻照能力差[1]。另外，在EC間的氧化層也會(huì)受到輻照的影響，該氧化層中的陷阱正電荷可能會(huì)造成基區(qū)反型，從而在EC之間形成N型通路，造成EC之間的漏電。

因此，對(duì)于傳統(tǒng)NPN管，輻照引起的主要影響是降低NPN管HFE和造成EC之間的漏電，而HFE的降低是主要的，一般造成EC之間的漏電需要有足夠的正陷阱電荷，需要較大的總劑量輻照才會(huì)出現(xiàn)。

從上面的討論可以看出，增強(qiáng)三極管抗總劑量輻照能力需要對(duì)關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行加固，這種加固包括工藝上的加固，如SiO2介質(zhì)的改性或者更換其他抗輻照的介質(zhì)；也可以是結(jié)構(gòu)上的加固，如采用多晶發(fā)射極結(jié)構(gòu)等，多晶發(fā)射極結(jié)構(gòu)三極管如圖2所示。

圖2 梳狀多晶發(fā)射極結(jié)構(gòu)三極管剖面圖

多晶發(fā)射極結(jié)構(gòu)也是采用EB交疊方式，這樣可以增大三極管的電流能力，但和傳統(tǒng)三極管結(jié)構(gòu)不同的是，傳統(tǒng)三極管結(jié)構(gòu)發(fā)射極是通過(guò)金屬引出，而多晶發(fā)射極結(jié)構(gòu)的發(fā)射極是通過(guò)多晶引出，然后再通過(guò)金屬將多晶引出。

下面分析多晶發(fā)射極結(jié)構(gòu)三極管的輻照瓶頸。和傳統(tǒng)三極管結(jié)構(gòu)類(lèi)似，第一個(gè)瓶頸在EC之間的基區(qū)，如圖3（a）所示（圖中多晶邊緣的SPACER應(yīng)該和場(chǎng)氧交疊在一起，這里放大了它們之間的距離），該區(qū)域存在場(chǎng)氧化層，如果沒(méi)有P+注入，則場(chǎng)氧化層中的正陷阱電荷可能會(huì)造成EC之間漏電。為解決該問(wèn)題，可以適當(dāng)拉大SPACER和場(chǎng)氧之間的距離。因?yàn)樵谠摻Y(jié)構(gòu)中，P+SD是自對(duì)準(zhǔn)注入的，如果SPACER距離場(chǎng)氧有一定的距離，如圖3（b），則該區(qū)域會(huì)被P+SD注入，更加不會(huì)出現(xiàn)EC之間的反型漏電問(wèn)題。

由于P+SD是自對(duì)準(zhǔn)注入，因此真正能對(duì)器件產(chǎn)生影響的氧化層區(qū)域只有SPACER寬度區(qū)域和多晶包底部氧化層的區(qū)域。由于多晶屏蔽的作用（接固定的低電位），多晶上的氧化層的輻照效應(yīng)不會(huì)對(duì)底部的器件產(chǎn)生影響。

多晶包底部氧化層區(qū)域的氧化層很薄，電子和空穴都能逃逸，因此輻照不會(huì)在該氧化層中產(chǎn)生正陷阱電荷等輻照效應(yīng)。因此，對(duì)于多晶發(fā)射極結(jié)構(gòu)，真正能對(duì)器件輻照性能產(chǎn)生影響的只有SPACER區(qū)域，對(duì)于亞微米工藝，該區(qū)域的寬度不超過(guò)0.15μm，并且P+SD注入后會(huì)有橫向擴(kuò)散，因此對(duì)基區(qū)復(fù)合電流影響的區(qū)域就更小了。

圖3 多晶發(fā)射極結(jié)構(gòu)輻照能力分析圖

除了上面的分析外，對(duì)于多晶發(fā)射極三極管結(jié)構(gòu)，還存在如圖4的區(qū)域，該區(qū)域是多晶從有源區(qū)爬到場(chǎng)區(qū)。由于多晶的屏蔽，P+SD無(wú)法注入到有源區(qū)，因此不能通過(guò)P+SD注入來(lái)阻止EC之間的漏電，一種設(shè)計(jì)方法是拉長(zhǎng)發(fā)射極EW窗口到場(chǎng)氧的距離，這樣即使場(chǎng)氧由于輻照影響產(chǎn)生正陷阱電荷，但由于基區(qū)距離較長(zhǎng)，不會(huì)造成整個(gè)基區(qū)的反型引起EC之間的漏電。

圖4 多晶爬場(chǎng)區(qū)結(jié)構(gòu)抗總劑量輻照分析圖

3 多晶發(fā)射極三極管輻照結(jié)果和分析

對(duì)梳狀多晶發(fā)射極結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗輻照實(shí)驗(yàn)，三極管發(fā)射極面積為3×16μm×0.5μm，為三指結(jié)構(gòu)，每指長(zhǎng)度為16μm，寬度0.5μm。主要考察輻照前后三極管的放大倍數(shù)和漏電流，輻照實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

輻照條件：輻照源Co60γ射線，輻照偏置：EB反偏2.5V。

從圖5（a）可以看出，三極管VNPN管在總劑量150krad（Si）輻照下，HFE曲線無(wú)明顯變化，當(dāng)超過(guò)400krad（Si）時(shí)，HFE出現(xiàn)明顯減小，但900krad（Si）相對(duì)于400krad（Si）劑量減小并不明顯。HFE顯著減小區(qū)域是在小注入下，如果設(shè)計(jì)有足夠的容寬，或者選擇大注入邊緣工作區(qū)域（一般情況下都是在這種工作區(qū)域），則在900krad（Si）的總劑量輻照下，電路也能正常工作。

圖5 多晶發(fā)射極三極管輻照結(jié)果

從圖5（a）的HFE曲線看，輻照對(duì)器件的影響首先是小注入下的HFE，隨著劑量增大，大注入下的HFE也會(huì)出現(xiàn)明顯的降低，這和輻照引起的基區(qū)復(fù)合電流大小有關(guān)。當(dāng)輻照引起的基區(qū)復(fù)合電流較小時(shí)，影響的是小注入的放大倍數(shù)，當(dāng)輻照引起的基區(qū)復(fù)合電流較大時(shí)，大注入下的放大倍數(shù)也會(huì)出現(xiàn)明顯的降低。從IC的具體數(shù)值看，IC電流幾乎沒(méi)有變化，說(shuō)明從發(fā)射極注入的電流達(dá)到集電極沒(méi)有受到輻照的影響，因此可以說(shuō)輻照沒(méi)有對(duì)基區(qū)體內(nèi)復(fù)合產(chǎn)生影響。HFE的降低是由于基區(qū)表面復(fù)合電流IB的增加造成的，而不是集電極電流IC的減小造成的。

從圖5（b）漏電曲線可以看到，輻照前后三極管的漏電也沒(méi)有出現(xiàn)異常。

4 結(jié)論

相比普通三極管，多晶發(fā)射極結(jié)構(gòu)三極管具有很強(qiáng)的抗總劑量輻照能力，這和該結(jié)構(gòu)的特征相關(guān)。對(duì)多晶發(fā)射極結(jié)構(gòu)總劑量輻照瓶頸結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化設(shè)計(jì)，可以使這種器件的抗總劑量輻照能力達(dá)到1Mrad（Si）以上。

[1] 鄭玉展，陸嫵，任迪遠(yuǎn)，等.不同發(fā)射極面積NPN晶體管高低劑量率輻射損傷特性[J].物理學(xué)報(bào)，2009, 58（8）：55-76.