氫氣浸泡輻照加速方法在3DG111 器件上的應(yīng)用及輻射損傷機(jī)理分析*

趙金宇 楊劍群 董磊 李興冀

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

(2018 年11 月8 日收到; 2019 年1 月9 日收到修改稿)

本文以60Co 為輻照源,針對(duì)3DG111 型晶體管,利用半導(dǎo)體參數(shù)分析儀和深能級(jí)缺陷瞬態(tài)譜儀,研究高/低劑量率和有/無(wú)氫氣浸泡條件下,電性能和深能級(jí)缺陷的演化規(guī)律. 試驗(yàn)結(jié)果表明,與高劑量率輻照相比,低劑量率輻照條件下,3DG111 型晶體管的電流增益退化更加嚴(yán)重,這說(shuō)明該器件出現(xiàn)了明顯的低劑量率增強(qiáng)效應(yīng); 無(wú)論是高劑量率還是低劑量率輻照條件下,3DG111 晶體管的輻射損傷缺陷均是氧化物正電荷和界面態(tài)陷阱,并且低劑量率條件下,缺陷能級(jí)較深; 氫氣浸泡后在高劑量率輻照條件下,與未進(jìn)行氫氣處理的器件相比,輻射損傷程度明顯加劇,且與低劑量率輻照條件下器件的損傷程度相同,缺陷數(shù)量、種類(lèi)及能級(jí)也相同. 因此,氫氣浸泡處理可以作為低劑量率輻射損傷增強(qiáng)效應(yīng)加速評(píng)估方法的有效手段.

1 引 言

空間環(huán)境中航天器電子元器件損傷主要是由各種帶電粒子和射線造成[1]. 1991 年,Enlow 等[2]發(fā)現(xiàn)雙極型器件在低劑量率下的輻照損傷要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于高劑量率下的輻照損傷,這一現(xiàn)象被稱(chēng)為低劑量率輻射損傷增強(qiáng)(enhanced low dose rate sensitivity,ELDRS)效應(yīng)[3?5]. 這一效應(yīng)的發(fā)現(xiàn),立刻引起了國(guó)際航天領(lǐng)域的廣泛關(guān)注. 雙極型器件具有電流驅(qū)動(dòng)能力好、線性度高、噪聲低及匹配特性好等優(yōu)點(diǎn)[6],廣泛應(yīng)用于空間電子系統(tǒng). ELDRS 效應(yīng)的存在[7],給空間用雙極型器件抗輻射能力的評(píng)價(jià)帶來(lái)很大困難. 若采用實(shí)際空間環(huán)境的典型劑量率(10–6—10–4Gy(Si)/s)對(duì)電子元器件進(jìn)行抗輻射能力評(píng)價(jià),成本高、耗時(shí)長(zhǎng). 因此,找到一種可靠、高效的雙極型器件的ELDRS 效應(yīng)加速評(píng)估方法顯得尤為重要. 目前,針對(duì)雙極型器件ELDRS效應(yīng)提出了許多常用的加速評(píng)估試驗(yàn)方法: 1)恒高溫恒劑量率(100 ℃,5 × 10–3—5 × 10–2Gy(Si)/s)輻照; 2)高劑量率輻照后加溫退火; 3)變劑量率輻照等[8?10]. 然而,文獻(xiàn)中已報(bào)道的各種加速評(píng)估方法均存在著不足. 恒高溫恒劑量率輻照損傷明顯小于低劑量率輻照; 變劑量率方法存在所需時(shí)間長(zhǎng)、評(píng)估總劑量不高及所需器件數(shù)量多等缺點(diǎn)[9?14]; 而且,上述評(píng)估方法均存在普適性差的缺點(diǎn). 迄今,國(guó)際上還沒(méi)有一種加速評(píng)估方法能加速評(píng)估出所有器件的ELDRS 效應(yīng),也沒(méi)有快速鑒別器件是否具有ELDRS 效應(yīng)的有效方法. 近年來(lái),有些文獻(xiàn)報(bào)道了加氫輻照法[15?17],但這些文獻(xiàn)只停留于宏觀電性能評(píng)價(jià),尚未給出器件加氫處理后高劑量率輻照與低劑量率條件下輻射損傷機(jī)制是否一致. 本文基于氫氣浸泡處理,針對(duì)3DG111 晶體管,研究高、低劑量率輻照條件下電性能和深能級(jí)缺陷的演化規(guī)律,探究加氫處理后高劑量率輻照與低劑量率輻照對(duì)器件造成輻射損傷行為的關(guān)系,可為建立ELDRS 效應(yīng)加速評(píng)估方法提供重要依據(jù).

2 試驗(yàn)器件與試驗(yàn)方法

本文選用3DG111 型NPN 晶體管為研究對(duì)象,輻照試驗(yàn)所用晶體管均為同一批次生產(chǎn). 氫氣浸泡前,需要對(duì)晶體管進(jìn)行開(kāi)帽處理. 將浸泡容器抽至真空,并注入純度為100%的氫氣. 為確保器件中氫氣濃度達(dá)到飽和,需要將器件在室溫條件下浸泡氫氣氛圍中至少144 h,容器內(nèi)氫氣壓強(qiáng)不低于0.06 MPa.

輻照試驗(yàn)利用中國(guó)科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所的60Co 輻照源. 高劑量率輻照試驗(yàn)劑量率為100 rad/s (1 rad =10–2Gy),低劑量率輻照試驗(yàn)劑量率為10 mrad/s,所有輻照試驗(yàn)均在室溫條件下進(jìn)行,輻照之前將氫氣浸泡器件從容器中取出再進(jìn)行輻照. 輻照試驗(yàn)表明,60Co 輻照源對(duì)開(kāi)帽和未開(kāi)帽處理的器件造成的損傷一致,如圖1 所示. 因此對(duì)于未經(jīng)氫氣浸泡處理的器件樣品無(wú)需進(jìn)行開(kāi)帽處理.

圖1 開(kāi)帽處理后經(jīng)γ射線輻照晶體管電流增益倒數(shù)變化量與未處理直接輻照對(duì)比Fig. 1. Comparison of ? (1/β) ofγ-ray irradiated transistor after open cap treatment with untreated.

采用KEITHLEY 4200-SCS 半導(dǎo)體參數(shù)分析儀測(cè)試Gummel 特性曲線. 雙極晶體管Gummel特性曲線測(cè)試的參數(shù)設(shè)置為: 發(fā)射極接掃描電壓VBE,以0.01 V 的掃描步長(zhǎng),從0.2 V 掃描至1.2 V,即VBE=0.2—1.2 V; 基極和集電極均接地,測(cè)試基極電流IB和集電極IC隨發(fā)射極電壓的變化趨勢(shì). 本文選取的電流增益β值為VBE=0.65 V 時(shí)對(duì)應(yīng)的IC與IB的比值. 通常利用電流增益倒數(shù)的變化量表征器件損傷程度.

深能級(jí)瞬態(tài)譜儀(deep level transient spectroscopy,DLTS)是檢測(cè)雙極型器件內(nèi)部深能級(jí)缺陷的有效手段,可以定量表征微觀缺陷種類(lèi)、濃度及能級(jí)等信息. DLTS 測(cè)試過(guò)程中主要參數(shù)設(shè)定為: 脈沖寬度TP=0.01 s,脈沖電壓VP=0 V,反向偏壓VR=5 V,溫度從350 K 掃描到40 K,測(cè)試周期TW=2.05 s.

3 試驗(yàn)結(jié)果

圖2(a)和圖2(b) 分別為劑量率為100 rad/s和10 mrad/s 的 γ 射線輻照條件下,3DG111 晶體管的基極電流IB和集電極電流IC隨發(fā)射極電壓VBE的變化曲線. 由圖2 可見(jiàn),無(wú)論高劑量率還是低劑量率輻照條件下,當(dāng)發(fā)射極電壓相同時(shí),隨著輻照劑量的增加,3DG111 型雙極晶體管基極電流與集電極電流均發(fā)生變化. 其中基極電流明顯升高,而集電極電流與基極電流相比變化不顯著. 當(dāng)輻照劑量相同時(shí),與高劑量率條件下相比,低劑量率輻照條件下基極電流增加程度更加明顯.

圖2 高劑量率輻照條件下未經(jīng)氫氣浸泡的晶體管的Gummel 曲線 (a)基極電流; (b)集電極電流Fig. 2. Gummel curve of a transistor that has not been treated with hydrogen at high dose rates: (a) Base current;(b) collector current.

圖3 為高、低劑量率和氫氣浸泡后高劑量率輻照條件下,3DG111 型晶體管電流增益倒數(shù)變化量隨著輻照劑量的變化關(guān)系. 由圖3 可知,當(dāng)輻照劑量相同時(shí),與100 rad/s 高劑量率輻照相比,10 mrad/s低劑量率輻照條件下3DG111 晶體管損傷更加嚴(yán)重. 這說(shuō)明3DG111 型晶體管具有明顯的低劑量率增強(qiáng)效應(yīng). 另一方面,在輻照劑量相同的條件下,經(jīng)氫氣浸泡后3DG111 型晶體管電流增益倒數(shù)的變化量要遠(yuǎn)大于未經(jīng)氫浸泡的情況. 并且,隨著輻照劑量增加,未經(jīng)氫氣浸泡的晶體管增益退化開(kāi)始出現(xiàn)飽和,而經(jīng)氫氣浸泡的晶體管損傷呈線性增加. 這說(shuō)明氫加劇了3DG111 型雙極晶體管的損傷程度. 值得注意的是,經(jīng)氫氣浸泡后高劑量率輻照條件下,晶體管損傷程度與低劑量率輻照條件下相同. 這表明,從宏觀電性能方面分析,氫氣浸泡后高劑量輻照方法可以獲得ELDRS 效應(yīng)加速評(píng)估的效果.

圖3 氫氣浸泡再經(jīng)γ射線輻照后晶體管電流增益倒數(shù)變化量與未經(jīng)處理輻照樣品對(duì)比Fig. 3. Comparison of? (1/β) with/without hydrogen treated sample underγ-ray irradiated.

4 討論與分析

通過(guò)分析雙極型晶體管中過(guò)?；鶚O電流( ?IB)與發(fā)射極-基極電壓(VBE)的變化關(guān)系,可以揭示雙極型晶體管輻射損傷機(jī)制. 輻照導(dǎo)致過(guò)剩基極電流定義為 ?IB=IB–IB0,式中IB為輻照后晶體管的基極電流,IB0為輻照前的基極電流.

過(guò)?；鶚O電流的變化主要由以下兩種原因?qū)е? 1)輻射感生界面態(tài)引起的表面復(fù)合電流的增加; 2)輻射感生氧化物俘獲正電荷引起的表面復(fù)合電流的增加[18]. 過(guò)?；鶚O電流可由(1)式表示:

式中Ki為常數(shù),Di(T)為總的電離吸收劑量,q為電子電荷,k為玻爾茲曼常數(shù),T為熱力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)溫度,n是理想因子. 當(dāng)輻照引起的過(guò)?；鶚O電流主要來(lái)自于發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)的復(fù)合電流時(shí),n=2;而當(dāng)過(guò)?；鶚O電流主要來(lái)自中性基區(qū)復(fù)合電流時(shí),n=1.

圖4 給出了高、低劑量率輻照條件下,3DG111晶體管過(guò)?；鶚O電流隨發(fā)射極-基極電壓的變化.由圖4 可知,相同總劑量條件下,低劑量率輻照的晶體管過(guò)?；鶚O電流大于高劑量率輻照的晶體管.高、低劑量率輻照條件下,隨著輻照劑量的增加,3DG111 晶體管過(guò)剩基極電流的n值均逐漸趨向于2,這說(shuō)明晶體管在 γ 射線輻照過(guò)程中復(fù)合電流主要來(lái)自空間電荷區(qū). 而且,與高劑量率相比,低劑量率輻照條件下,晶體管過(guò)?；鶚O電流的n值更接近2,這說(shuō)明低劑量率輻照會(huì)導(dǎo)致空間電荷區(qū)的復(fù)合電流加劇. 對(duì)于NPN 雙極晶體管而言,氧化物電荷和界面態(tài)均會(huì)導(dǎo)致空間電荷區(qū)的復(fù)合電流加劇[19].

圖5 為經(jīng)氫氣浸泡處理后100 rad/s 高劑量率輻照和10 mrad/s 低劑量率輻照條件下,過(guò)剩基極電流的對(duì)比結(jié)果. 由圖5 可以看出,兩種輻照條件下,晶體管過(guò)?；鶚O電流隨發(fā)射極-基極電壓的變化趨勢(shì)相同.

圖4 高低劑量率輻照條件下3DG111 晶體管過(guò)?；鶚O電流對(duì)比Fig. 4. Comparison of excess base current of 3DG111 transistors at high and low dose rates.

圖5 氫氣浸泡預(yù)處理與未經(jīng)處理晶體管輻照后過(guò)?；鶚O電流對(duì)比Fig. 5. Comparison of excess base current of a transistor after irradiation with/without hydrogen-immersion pretreat ment.

圖6 氫氣浸泡預(yù)處理與未經(jīng)處理晶體管輻照后DLTS曲線對(duì)比Fig. 6. Comparison of DLTS curves of a transistor with/without hydrogen-immersion pretreatment.

圖6 為有無(wú)氫氣浸泡后高、低劑量率輻照條件下,3DG111 晶體管的DLTS 譜圖. 從圖6 可以發(fā)現(xiàn),有無(wú)氫氣浸泡后無(wú)論高低劑量率輻照條件下,晶體管的DLTS 譜均存在兩個(gè)特征峰. 峰值位于300 K 左右為界面態(tài),峰值在75 K 左右為氧化物電荷,峰的位置代表缺陷的能級(jí)[20]. 對(duì)于雙極型晶體管,其能級(jí)越靠近中帶,能級(jí)越深,對(duì)性能影響越大. 硅的中帶位置通常在250 K 左右[21].

對(duì)于高劑量率輻照條件下,界面態(tài)數(shù)量多,但能級(jí)較淺. 而對(duì)于低劑量率輻照條件下,界面態(tài)數(shù)量減少,但能級(jí)較深. 能級(jí)越深,對(duì)晶體管的性能影響越大. 隨著劑量率的減小,氧化物電荷不僅能級(jí)向中帶移動(dòng),數(shù)量也明顯增多. 綜上所述,無(wú)論是高劑量率輻照還是低劑量率輻照,3DG111 晶體管主要產(chǎn)生界面態(tài)和氧化物電荷電離缺陷. 與高劑量率輻照相比,低劑量率輻照會(huì)產(chǎn)生能級(jí)較深的界面態(tài)和氧化物電荷,從而導(dǎo)致空間電荷區(qū)的復(fù)合電流變大,進(jìn)而導(dǎo)致基極電流增大.

從表1 所列數(shù)據(jù)可以得出,經(jīng)氫氣浸泡處理后高劑量率輻照的晶體管和未經(jīng)氫氣處理直接進(jìn)行低劑量率輻照的晶體管相比,輻照后產(chǎn)生的缺陷種類(lèi)、缺陷能級(jí)、俘獲截面和缺陷濃度等參數(shù)均非常接近. 因此,氫氣浸泡處理加劇了晶體管的輻射損傷,且產(chǎn)生的缺陷與低劑量率輻照的缺陷特征相同. 這說(shuō)明,對(duì)于3DG111 晶體管,氫氣浸泡處理后高劑量率輻照和低劑量率輻照兩種條件下,微觀輻射損傷機(jī)制相同. 因此,氫氣浸泡處理可以作為一種ELDRS 效應(yīng)加速試驗(yàn)方法的有效手段.

表1 氫氣浸泡預(yù)處理與未經(jīng)處理晶體管輻照后缺陷參數(shù)對(duì)比Table 1. Comparison of defect parameters of a transistor with/without hydrogen-immersion pretreatment.

近年來(lái),Rashkeev 等[22]和Chen 等[23]針對(duì)雙極型器件ELDRS 效應(yīng)的解釋提出了基于氫的雙分子模型,該模型認(rèn)為器件內(nèi)部各種形式的氫是導(dǎo)致器件出現(xiàn)低劑量率增強(qiáng)效應(yīng)的根本原因. 其基本過(guò)程如圖7 所示,雙極型器件在受到輻照時(shí),會(huì)在SiO2層內(nèi)生成電子-空穴對(duì),并發(fā)生電子-空穴復(fù)合和空穴與含氫缺陷反應(yīng)兩個(gè)過(guò)程[24],兩個(gè)過(guò)程之間存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系. 在高劑量率輻照時(shí),主要發(fā)生電子-空穴復(fù)合,此時(shí)生成的界面態(tài)數(shù)量較少; 當(dāng)輻照劑量率較低時(shí),電子-空穴對(duì)生成較少,此時(shí)電子-空穴復(fù)合減慢,空穴的移動(dòng)變得更加容易,導(dǎo)致空穴和含氫缺陷反應(yīng)加劇,生成更多的界面態(tài). 而氫氣浸泡后,由于氫分子與氧原子和硅原子產(chǎn)生結(jié)合[25]. 器件內(nèi)部會(huì)引入大量的氫分子,氫分子會(huì)對(duì)電子和空穴復(fù)合產(chǎn)生干擾,同時(shí)被輻照后的氫分子可以裂解為氫離子,提高器件內(nèi)部空穴的濃度. 此時(shí)會(huì)起到和低劑量率輻照同樣的效果. 根據(jù)本文的試驗(yàn)結(jié)果,可以認(rèn)為低劑量率輻照時(shí)影響的不只是界面態(tài)的數(shù)量,還可以影響界面態(tài)的能級(jí). 當(dāng)界面態(tài)能級(jí)處于更深位置時(shí),同樣可以加劇器件的輻照損傷.

圖7 輻照中的SiO2 中的空穴傳輸、俘獲和質(zhì)子釋放的示意圖[24]Fig. 7. Schematic illustration of hole transport,trapping and proton release in SiO2 irradiated[24].

長(zhǎng)期以來(lái),國(guó)內(nèi)外對(duì)低劑量率效應(yīng)的研究均著眼于界面態(tài)的變化情況而忽視了氧化物電荷的變化. 根據(jù)本文的DLTS 結(jié)果顯示,雙極型器件低劑量率輻照和氫氣浸泡后輻照都會(huì)使氧化物電荷的數(shù)量顯著增加. 根據(jù)目前研究顯示,電子器件SiO2層中主要有兩種氧空位結(jié)構(gòu)[26]: 二聚體(dimer)結(jié)構(gòu) V oδ和褶皺結(jié)構(gòu) V oγ ,氧空位會(huì)和晶體管內(nèi)部的氫結(jié)合成含氫空位,基于密度泛函理論計(jì)算可知,單氫缺陷結(jié)構(gòu) V oδH 和 V oγH 為空穴的深能級(jí)俘獲心,雙氫缺陷結(jié)構(gòu) V oδH2和 V oγH2為淺能級(jí)俘獲心[27]. 輻照產(chǎn)生的電子和空穴會(huì)被這些缺陷所俘獲,形成氧化物電荷[28]. 根據(jù)本文的試驗(yàn)結(jié)果,氧化物電荷也會(huì)影響器件的復(fù)合電流,是一種與ELDRS效應(yīng)密切相關(guān)的缺陷.

綜上可以得知,氫氣浸泡和低劑量率輻照在氧化物電荷和界面態(tài)上生成上可以起到相似的作用.因此可以得出,氫氣浸泡是一種合理的加速試驗(yàn)方法,且在微觀缺陷和宏觀電性能方面均有很好的吻合效果.

5 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)比研究有/無(wú)氫氣浸泡高劑量率輻照和未經(jīng)氫氣浸泡低劑量率輻照三種情況下晶體管的電性能和缺陷參數(shù),提出氫氣浸泡可以作為一種有效的ELDRS 效應(yīng)加速試驗(yàn)的方法,并得到如下結(jié)論.

1) 3DG111 型晶體管存在明顯的ELDRS 效應(yīng). 它表現(xiàn)為在低劑量率輻照時(shí),電性能退化明顯加劇. 造成退化加劇的主要原因是低劑量率輻照時(shí)氧化物電荷濃度增加,同時(shí)氧化物電荷和界面態(tài)能級(jí)均向中帶移動(dòng),導(dǎo)致晶體管空間電荷區(qū)復(fù)合加劇,最終導(dǎo)致晶體管損傷程度增大.

2) 經(jīng)過(guò)氫氣浸泡后進(jìn)行高劑量率輻照的晶體管,其電性能退化程度與低劑量率輻照時(shí)相似. 對(duì)比兩者的微觀缺陷情況可以得知,兩者的缺陷能級(jí)和數(shù)量幾乎完全相同. 因此認(rèn)為氫氣浸泡后再輻照是一種有效的ELDRS 效應(yīng)加速試驗(yàn)方法,且損傷情況與低劑量率輻照吻合得很好.

根據(jù)本文的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn),目前我們提出一種氫氣浸泡輻照加速試驗(yàn)的基本思路. 首先對(duì)樣品進(jìn)行開(kāi)帽處理,使內(nèi)部芯片完全暴露. 隨后將樣品浸泡于濃度為100%的氫氣氣氛中,壓強(qiáng)可根據(jù)容器安全范圍進(jìn)行選取. 浸泡至少40 h 后,將樣品從容器中取出,完成規(guī)定劑量的輻照試驗(yàn).