Si3N4鈍化層對(duì)橫向PNP雙極晶?體管電離輻射損傷的影響機(jī)理

楊劍群 董磊 劉超銘 李興冀 徐鵬飛

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,哈爾濱 150001)

1 引 言

空間輻射環(huán)境中的帶電粒子及各種射線是造成航天器內(nèi)部的電子器件損傷的主要原因[1?6],其中以電離輻射效應(yīng)為主.雙極晶體管作為雙極電路中的基本單元,具有諸多優(yōu)良特性,廣泛應(yīng)用于航天電子系統(tǒng),但對(duì)電離輻射效應(yīng)具有較高的敏感性[7?9].電離輻射損傷會(huì)在雙極晶體管的內(nèi)部形成兩種類型的缺陷:氧化物俘獲電荷和界面態(tài)[10?12].由于電離輻射損傷使晶體管內(nèi)部產(chǎn)生大量的電子-空穴對(duì),處于氧化層中的自由電子比空穴的遷移速率大得多,可以迅速逸出SiO2/Si界面.空穴的遷移速率小,留下的空穴易于被形成具有氧空位的缺陷俘獲,形成氧化物俘獲正電荷.其中,含氫的氧空位釋放出質(zhì)子,質(zhì)子傳遞到界面處與Si-H發(fā)生反應(yīng),形成界面態(tài)陷阱電荷.這兩種缺陷的產(chǎn)生會(huì)使表面復(fù)合速率增加,引起復(fù)合電流增大,電流增益下降,最終導(dǎo)致雙極晶體管的電學(xué)性能發(fā)生退化.

研究表明,電子器件的電離輻射敏感性與其結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[13,14].Shaneyfelt等[15]針對(duì)有/無Si3N4鈍化層結(jié)構(gòu)的LM111和LM139兩種器件的研究表明,在相同輻照條件下,具有鈍化層結(jié)構(gòu)的器件,輸入偏置電流隨電離總劑量的變化更明顯,說明鈍化層結(jié)構(gòu)對(duì)器件受到電離輻射的損傷程度有密切的關(guān)系.馬武英等[14]探究了有/無Si3N4鈍化層結(jié)構(gòu)對(duì)柵控橫向PNP雙極晶體管輻射響應(yīng)的影響.基于柵掃描技術(shù)發(fā)現(xiàn),有鈍化器件的基極電流隨著柵壓變化出現(xiàn)展寬現(xiàn)象.由此得出推論,有鈍化層的器件可能是由于制備鈍化層過程中引入了氫分子,導(dǎo)致界面電荷的增加并使得界面態(tài)能級(jí)分散.然而,上述研究無法排除柵極工藝的影響.上述研究表明,雙極晶體管的輻射特性具有很強(qiáng)的工藝相關(guān)性.然而,迄今無法直接證明鈍化層對(duì)電離輻射損傷的影響機(jī)理.

為了解決上述問題,本文選取60Co源作為輻照源,針對(duì)橫向PNP(LPNP)雙極晶體管,采用電性能測(cè)試及深能級(jí)缺陷分析等兩種研究手段相結(jié)合,深入研究了有/無Si3N4鈍化層處理雙極晶體管的電離輻射微觀缺陷及損傷機(jī)理.通過綜合運(yùn)用電性能測(cè)試和微觀缺陷分析兩種手段,可以更好地揭示器件宏觀性能退化與微觀缺陷演化的對(duì)應(yīng)關(guān)系,闡明鈍化層材料和結(jié)構(gòu)對(duì)雙極器件電離輻射損傷程度的影響機(jī)理.

2 試驗(yàn)器件與試驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)選用國(guó)產(chǎn)雙極電路中廣泛采用的LPNP雙極晶體管作為研究對(duì)象,采用兩種鈍化處理方式.第一種LPNP晶體管僅有SiO2鈍化層;第二種LPNP晶體管在SiO2鈍化層上進(jìn)行了Si3N4鈍化.兩種晶體管的SiO2鈍化層厚度相同,約為900 nm;Si3N4鈍化層厚度約為1200 nm,如圖1所示.本文選取60Co γ射線輻照源進(jìn)行輻照試驗(yàn),輻照劑量率為100 rad(Si)/s,總劑量為100 krad(Si),室溫大氣下進(jìn)行輻照.輻照過程中器件所有管腳均為接地狀態(tài).

圖1 有/無Si3N4鈍化層的LPNP雙極晶體管結(jié)構(gòu)圖Fig.1.Structure of lateral PNP(LPNP)bipolar junction transistor with/without nitride passivation layer.

輻照試驗(yàn)前后,針對(duì)LPNP晶體管進(jìn)行Gummel曲線測(cè)試.Gummel曲線的測(cè)試條件為:發(fā)射極接掃描電壓,以0.01 V的步長(zhǎng)從0.2 V掃描至0.8 V,即VEB=0.2—0.8 V;基極和集電極均接地,即VB=VC=VBC=0.由Gummel特性曲線,可以得到LPNP晶體管的電流增益β及其倒數(shù)隨吸收劑量的變化規(guī)律.此外,通過晶體管基極電流IB和集電極電流IC在輻照前后的變化量可以定性表征電離缺陷的變化規(guī)律,用于和深能級(jí)瞬態(tài)譜的比較.

深能級(jí)瞬態(tài)譜(DLTS)是檢測(cè)半導(dǎo)體材料和器件中深能級(jí)缺陷最有效的方法.對(duì)輻照前后雙極晶體管進(jìn)行DLTS測(cè)試分析,可以定量表征微觀缺陷的演化特征.為了深入分析LPNP晶體管電離輻照損傷微觀機(jī)理,本文利用深能級(jí)瞬態(tài)譜測(cè)試系統(tǒng)對(duì)輻照前后LPNP晶體管內(nèi)部的微觀缺陷狀態(tài)進(jìn)行了測(cè)試分析.

在電離輻射條件下,雙極晶體管中所產(chǎn)生的DLTS信號(hào)峰本質(zhì)上是氧化層俘獲正電荷和界面態(tài)對(duì)Si體材料中載流子遷移行為影響的外在表現(xiàn).對(duì)于雙極晶體管,DLTS測(cè)試時(shí)將給定的高頻電壓加到PN結(jié)上,電壓值在反向偏壓UR和填充脈沖電壓UP之間往返(UR>UP).通過結(jié)電容的變化,可以獲得深能級(jí)缺陷信息.測(cè)試是在給定溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的,掃描得到的?C-T測(cè)試曲線便是深能級(jí)瞬態(tài)譜.選取PNP雙極晶體管中摻雜濃度較低的集電區(qū)進(jìn)行深能級(jí)瞬態(tài)譜測(cè)試,測(cè)試過程中PNP雙極晶體管的基極接高電位,集電極接低電位.DLTS測(cè)試過程中設(shè)定的主要參數(shù)為:反向偏壓VR=5 V,脈沖電壓VP=0.1 V,測(cè)試周期TW=4 s,脈沖寬度TP=0.01 s,掃描溫度從150 K到330 K.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 電性能測(cè)試分析

圖2為在劑量率100 rad(Si)/s的60Co γ射線輻照條件下,有/無Si3N4鈍化層的LPNP雙極晶體管Gummel特性曲線.由圖2(a)可知,隨著吸收劑量的增加,無論有氮化層還是無氮化層的LPNP晶體管基極電流(IB)均逐漸增加.并且,當(dāng)發(fā)射結(jié)電壓VEB較小時(shí),IB增加量較大;當(dāng)發(fā)射結(jié)電壓VEB較大時(shí),IB增加量減小.從圖中可以看出,有氮化層的LPNP晶體管IB增加量明顯大于無氮化層的LPNP晶體管.圖2(b)示出了有/無Si3N4鈍化層的LPNP晶體管的集電極電流(IC)隨發(fā)射結(jié)電壓VEB的變化情況.由圖可知,隨著吸收劑量的增加,無氮化層的LPNP晶體管IC幾乎未發(fā)生變化.有氮化層的LPNP晶體管的IC隨輻照劑量的增加略有降低,輻照后二者IC的變化差別不是很明顯.這表明輻照后有/無氮化層對(duì)LPNP晶體管電學(xué)性能的影響主要表現(xiàn)在IB的差別上.

圖2 相同輻照條件下,有/無Si3N4鈍化層的LPNP雙極型晶體管在輻照前后(a)基極電流IB和(b)集電極電流IC隨VEB的變化Fig.2.Variations of(a)base current;(b)collector current with base-emitter for the PNP bipolar transistorswith/without nitride passivation layer under the same irradiation conditions.

輻照前后雙極晶體管基極電流的變化量稱為過?；鶚O電流.通過研究雙極晶體管中過?；鶚O電流(?IB)與發(fā)射極-基極電壓(VEB)的變化關(guān)系,可以深入分析氧化物電荷和界面態(tài)對(duì)雙極晶體管輻射損傷的影響規(guī)律,進(jìn)而揭示有/無Si3N4鈍化層對(duì)雙極晶體管電離輻射損傷的影響機(jī)理.過剩基極電流為?IB=IB?IB-pre,式中,IB為輻照后晶體管的基極電流,IB-pre為輻照前的基極電流.針對(duì)雙極晶體管的電離輻射損傷效應(yīng),引入理想因子n,過?；鶚O電流為?IB正比于exp(VEB/n·VT),其中,VEB為發(fā)射極-基極結(jié)的偏壓,VT為硅中載流子的熱電壓,n為理想因子.根據(jù)文獻(xiàn)[16,17]可知,?IB來自于表面復(fù)合電流和體復(fù)合電流.理想情況下,在輻照過程中,如果過?；鶚O電流是以空間電荷區(qū)的復(fù)合電流為主,理想因子n=2;如果過剩基極電流來源于空間電荷區(qū)及中性基區(qū)的復(fù)合電流,則理想因子n<2.在60Co γ射線輻照條件下,雙極晶體管主要受到電離輻射的影響,而電離輻射損傷主要在雙極晶體管內(nèi)部產(chǎn)生兩種類型的輻射缺陷,包括氧化物俘獲正電荷和界面態(tài).氧化物俘獲正電荷和界面態(tài)均會(huì)影響表面復(fù)合電流和體復(fù)合電流.

圖3 在相同輻照條件下,有/無Si3N4鈍化層的PNP雙極型晶體管的?IB隨VEB的變化Fig.3.Variations of excess base current(?IB)with base-emitter voltage(VEB)for the PNP transistors with/without nitride passivation layer under the same irradiation conditions.

圖3示出了在相同劑量率輻照條件下,有/無Si3N4鈍化層的LPNP雙極晶體管輻照過程中?IB隨發(fā)射結(jié)電壓VEB的變化關(guān)系.由圖可知,對(duì)于這兩種類型的LPNP晶體管來說,隨著電離吸收劑量的增加,?IB均明顯增加;兩種類型的LPNP晶體管?IB的理想因子n隨VEB變化曲線斜率為n<2.因此,有/無Si3N4鈍化層的LPNP晶體管的?IB是由空間電荷區(qū)和中性基區(qū)的復(fù)合電流共同作用引起的.此外,在相同輻照條件下,與無氮化層的LPNP晶體管相比,有氮化層的LPNP晶體管?IB增加幅度更大,這進(jìn)一步說明有氮化層的LPNP晶體管受到的輻射損傷程度大.這是由于在輻照過程中,會(huì)產(chǎn)生大量的界面態(tài),使空間電荷區(qū)和中性基區(qū)的表面復(fù)合電流增加,進(jìn)而產(chǎn)生過?；鶚O電流.而PNP雙極晶體管中,位于基區(qū)上方氧化層中的氧化物正電荷的累積會(huì)導(dǎo)致Si/SiO2界面附近少子濃度降低,使少子和多子濃度的差值增大,降低了表面復(fù)合率,抑制了基極電流的增加.基于以上分析,過剩基極電流主要是由界面態(tài)造成的.此外,與無氮化層的LPNP晶體管相比,輻照過程中有氮化層的LPNP晶體管產(chǎn)生的過?；鶚O電流大,由此可知,有氮化層的LPNP晶體管輻照誘導(dǎo)的界面態(tài)加快表面復(fù)合速率,促使復(fù)合電流的增加更為顯著,導(dǎo)致少子壽命及電流增益的降低,進(jìn)而使器件的電性能退化程度加劇.

3.2 深能級(jí)缺陷分析

根據(jù)上述分析可知,LPNP晶體管電性能退化的微觀機(jī)理主要受界面態(tài)的影響.現(xiàn)對(duì)上述試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行微觀缺陷分析.

圖4為相同輻照條件下,有/無Si3N4鈍化層的LPNP雙極晶體管深能級(jí)瞬態(tài)譜的比較結(jié)果.圖中信號(hào)峰對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)溫度反映類深能級(jí)缺陷的能級(jí)位置,而縱坐標(biāo)高度對(duì)應(yīng)于類深能級(jí)缺陷的濃度.由圖4可見,在60Co γ射線輻照后,有/無Si3N4鈍化層的LPNP晶體管的深能級(jí)瞬態(tài)譜中均出現(xiàn)了明顯的特征信號(hào)峰,DLTS信號(hào)為正值,表明60Co γ射線在LPNP晶體管集電區(qū)中所產(chǎn)生的缺陷信號(hào)為多子陷阱中心,且缺陷信號(hào)峰所在的溫度范圍為250—320 K.與無氮化層晶體管相比,有氮化層的晶體管輻照后DLTS特征峰向左移動(dòng),將其分別命名為H(310)缺陷和H(300)缺陷.針對(duì)所出現(xiàn)的信號(hào)峰,基于DLTS測(cè)試系統(tǒng)中阿倫尼烏斯方程進(jìn)行擬合,計(jì)算得出輻射缺陷對(duì)應(yīng)的能級(jí),如圖5所示.由圖5可知,無氮化層的LPNP晶體管中的類深能級(jí)缺陷能級(jí)為Ec=0.716 eV;有氮化層的LPNP晶體管中的類深能級(jí)缺陷能級(jí)為Ec=0.630 eV.已有大量研究表明,針對(duì)硅基雙極晶體管,類深能級(jí)缺陷能級(jí)位于0.6—0.8 eV之間的信號(hào)為界面態(tài)陷阱[18?20].基于上述分析可知,對(duì)于LPNP晶體管,鈍化層會(huì)影響電離輻射損傷產(chǎn)生的類深能級(jí)缺陷能級(jí)位置,有氮化層的LPNP晶體管中引入的缺陷能級(jí)位置變淺,更接近Si禁帶中心(Ec=0.55 eV).從圖4中還發(fā)現(xiàn),無Si3N4鈍化層LPNP晶體管的DLTS特征峰的高度大于有Si3N4鈍化層的,這說明無Si3N4鈍化層的晶體管輻射產(chǎn)生的類深能級(jí)缺陷濃度大于有Si3N4鈍化層的.根據(jù)肖克萊-里德-霍爾模型[21]可知,能級(jí)越接近禁帶中心的缺陷復(fù)合效率越高,對(duì)器件造成的損傷越大.在缺陷能級(jí)相同的情況下,缺陷濃度越高,損傷越大.因此,基于上述分析可知,有/無Si3N4鈍化層LPNP晶體管輻射損傷的程度由缺陷能級(jí)和缺陷濃度綜合作用的效果而定,既不單獨(dú)取決于缺陷能級(jí),也不單獨(dú)取決于缺陷濃度,其中缺陷能級(jí)占主導(dǎo)作用,顯著影響晶體管的電性能的退化程度.Si3N4鈍化層的存在促使LPNP器件電離輻射損傷缺陷的能級(jí)位置發(fā)生改變,能級(jí)位置更接近禁帶中心,從而加劇了LPNP晶體管的輻射損傷.

圖4 60Co γ射線輻照條件下,有/無Si3N4鈍化層的LPNP雙極型晶體管深能級(jí)瞬態(tài)譜圖Fig.4.DLTS spectra of the PNP transistors with/without nitride passivation layer irradiated by60Co source.

圖5 阿倫尼烏斯方程擬合曲線Fig.5.Arrhenius equation fitting curve.

根據(jù)上述分析,現(xiàn)通過LPNP雙極晶體管電流增益?β及其電流增益倒數(shù)?(1/β)隨電離吸收劑量的關(guān)系,直觀地反映電性能變化規(guī)律,以證明鈍化層對(duì)電離輻射損傷的影響機(jī)理,從而揭示器件宏觀性能退化與微觀缺陷演化的對(duì)應(yīng)關(guān)系.晶體管的電流增益β可由Gummel特性曲線計(jì)算獲得.對(duì)于LPNP雙極晶體管,當(dāng)VEB=0.65 V時(shí),集電極電流與基極電流的比值(β=IC/IB)定義為電流增益.電流增益的變化量取為?β=β?β0,電流增益倒數(shù)的變化量為?(1/β)=1/β ? 1/β0,式中β0和β分別代表晶體管輻照前和輻照后的電流增益值.

圖6和圖7為在劑量率為100 rad(Si)/s的60Co γ射線輻照條件下,LPNP晶體管的?β和?(1/β)隨電離吸收劑量的變化結(jié)果.由圖可以看出,有/無Si3N4鈍化層的LPNP晶體管的?β均隨電離吸收劑量的增加而降低,?(1/β)則先逐漸增加,然后趨于飽和.上述結(jié)果表明,在劑量率為100 rad(Si)/s的60Co γ射線輻照條件下,有/無Si3N4鈍化層的LPNP晶體管發(fā)生明顯的輻射損傷.并且,在相同吸收劑量條件下,與無鈍化層的LPNP晶體管相比,有氮化層的晶體管電流增益的退化程度更大.與上述鈍化層對(duì)電離輻射損傷影響的微觀機(jī)理討論結(jié)果相符合.

圖6 在相同輻照條件下,有/無氮化層處理的LPNP雙極型晶體管的電流增益隨電離吸收劑量的變化Fig.6.The current gain as a function of total dosefor the LPNP transistors with/without nitride passivation layer under the same irradiation conditions.

綜合上述分析可知,與無氮化層的LPNP晶體管相比,有氮化層的LPNP晶體管電性能損傷嚴(yán)重,并且產(chǎn)生了大量的能級(jí)接近禁帶中心位置的界面態(tài).這主要是由于在進(jìn)行氮化層制備過程中引入了大量的氫導(dǎo)致,這一現(xiàn)象已被文獻(xiàn)[15]證實(shí).文獻(xiàn)中利用彈性反沖探測(cè)技術(shù)檢測(cè)有/無氮化層的LM139電壓比較器中氫元素的濃度.研究發(fā)現(xiàn),與無氮化層的樣品相比,有Si3N4鈍化層的LM139樣品內(nèi)部引入了大量的氫元素,使其性能發(fā)生嚴(yán)重退化.器件內(nèi)部氫的存在對(duì)其電離輻射效應(yīng)產(chǎn)生顯著影響,是導(dǎo)致器件Si/SiO2界面處產(chǎn)生界面態(tài)的主要因素[22?24],從而加劇了晶體管性能退化.此外,文獻(xiàn)[25]研究表明,制備鈍化層過程中引入的機(jī)械應(yīng)力也會(huì)提高器件的抗輻射能力.然而,本文研究表明,與無氮化層的LPNP晶體管相比,具有氮化層的晶體管對(duì)電離輻射效應(yīng)敏感.由此,可以認(rèn)為具有氮化層的晶體管抗輻射能力差主要是由于制備鈍化層過程中引入的氫,而不是機(jī)械應(yīng)力導(dǎo)致.

圖7 在相同輻照條件下,有/無氮化層處理的LPNP雙極型晶體管的電流增益倒數(shù)隨電離吸收劑量的變化Fig.7.The reciprocal of current gain as a function of total dose for the LPNP transistors with/without nitride passivation layer under the same irradiation conditions.

4 結(jié) 論

通過對(duì)比研究在60Co γ射線輻照過程中有/無Si3N4鈍化層的LPNP雙極晶體管的電性能及電離輻射缺陷的演化規(guī)律,揭示了氮化層的存在對(duì)LPNP雙極晶體管電離輻射損傷的影響機(jī)理,得到以下結(jié)論.

1)在60Co γ射線輻照過程中,有/無Si3N4鈍化層的LPNP晶體管的電性能參數(shù)呈現(xiàn)出類似的變化趨勢(shì),IB隨電離吸收劑量的增加而增大,并且有氮化層的LPNP晶體管IB退化程度較大;有/無Si3N4鈍化層的LPNP晶體管電流增益均隨電離吸收劑量的增加發(fā)生明顯的退化,其中有氮化層的LPNP晶體管的電流增益退化程度較大.

2)基于過剩基極電流的變化及DLTS分析表明,隨著電離吸收劑量的增加,有/無Si3N4鈍化層的LPNP晶體管的過?；鶚O電流由空間電荷區(qū)和中性基區(qū)復(fù)合電流共同作用.電離輻射導(dǎo)致有/無Si3N4鈍化層的LPNP晶體管內(nèi)部產(chǎn)生大量的界面態(tài).與無氮化層的LPNP晶體管相比,有氮化層的LPNP晶體管產(chǎn)生的界面態(tài)缺陷能級(jí)更接近禁帶中心位置.這主要是由于在制備氮化層過程中引入了大量的氫所導(dǎo)致.氫的存在促進(jìn)了能級(jí)更接近禁帶中心位置的界面態(tài)形成,從而加劇了晶體管性能的退化.