NPN雙極型晶體管抗輻照加固研究

李 飛

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北 石家莊 050057）

1 引 言

航天器在軌飛行時(shí)，會(huì)與宇宙空間中各種高能帶電粒子發(fā)生交互作用。這些高能帶電粒子對(duì)航天器本身結(jié)構(gòu)材料及功能材料（如電子器件）的性能有著強(qiáng)烈的輻射影響[1-10]。這些輻射效應(yīng)將可能引發(fā)電子器件的異?；蚴ъ`，甚至最終導(dǎo)致航天器發(fā)生災(zāi)難性的事故。所以，對(duì)雙極型器件的輻射效應(yīng)進(jìn)行有效評(píng)價(jià)，對(duì)于優(yōu)化航天器的選材和設(shè)計(jì)及提高航天器的在軌服役可靠性，具有十分重要的工程實(shí)際意義。為了正確評(píng)價(jià)雙極型器件的在軌服役行為，需要研究帶電粒子輻射環(huán)境下雙極型器件的損傷效應(yīng)和機(jī)理，長(zhǎng)期以來(lái)研究人員在這方面做過(guò)大量工作。

20世紀(jì)90年代初，E.W.Enlow 等[11]首次發(fā)現(xiàn)在某些雙極器件中存在輻照損傷效應(yīng)，這一現(xiàn)象引起該領(lǐng)域研究人員的極大關(guān)注，并對(duì)此進(jìn)行了大量研究。雖然國(guó)內(nèi)外對(duì)雙極器件輻照損傷效應(yīng)進(jìn)行了大量研究[11-21]，但在器件的制作工藝對(duì)雙極晶體管抗輻照影響的研究卻并不多見(jiàn)[21]，輻照對(duì)于Si 和表面SiO2之間界面的影響，以及如何在制作工藝中減少這一影響，均需作進(jìn)一步了解。為解決此問(wèn)題，同時(shí)為國(guó)產(chǎn)雙極器件制作工藝提供實(shí)驗(yàn)支持，在此，對(duì)工作晶體管進(jìn)行110keV 電子輻照，研究輻照后Si-SiO2界面的變化和晶體管直流參數(shù)的變化，并闡述其成因和解決方法。

2 實(shí)驗(yàn)樣品和實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)樣品為某制作工藝相同但基區(qū)表面SiO2質(zhì)量不同的雙極型晶體管。輻照總劑量為100krad，輻照劑量率100rad/s。

實(shí)驗(yàn)采取原位測(cè)試的方法，雙極晶體管參數(shù)利用半導(dǎo)體參數(shù)分析儀進(jìn)行采集，測(cè)試參數(shù)為雙極晶體管基極電流（IB）、集電極電流（IC）和電流增益（β=IC/IB）。同時(shí)對(duì)輻照的樣品進(jìn)行DLTS 深能級(jí)瞬態(tài)譜測(cè)試。輻照實(shí)驗(yàn)及其參數(shù)的測(cè)量均是在室溫下進(jìn)行，每次參數(shù)的測(cè)試都在輻照或退火后20 min 內(nèi)完成。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 輻照后直流參數(shù)的變化及成因

對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品輻照后測(cè)試的直流參數(shù)研究表明，不同的電參數(shù)對(duì)于輻照的敏感程度是不同的。圖1所示為在不同總劑量水平下的基極電流IB、集電極電流IC隨基-射結(jié)偏壓VBE的變化情況。

圖1 NPN 晶體管 IB、IC 隨 VBE 變化

由圖1(a)可見(jiàn)，基極電流IB的所有曲線呈現(xiàn)由下到上變化，即隨著輻照總劑量的增加電流向增大方向平移?；鶚O電流IB在VBE較小時(shí)的變化程度比VBE較大時(shí)表現(xiàn)得更為明顯，且隨著輻照總劑量的增加，VBE較小時(shí)與VBE較大時(shí)相比，基極電流IB的增量更加顯著。從圖1(b)可以看出，與基極電流IB變化相比，集電極電流IC在整個(gè)輻照過(guò)程中則沒(méi)有明顯變化。

為了對(duì)各種條件下的輻照損傷進(jìn)行比較，選取的所有電參數(shù)均取自基極-發(fā)射結(jié)電壓為0.65V 時(shí)的值，在此引入一個(gè)參數(shù)——過(guò)?；鶚O電流（ΔIB），定義為：

圖2所示為總輻照劑量不同時(shí)，雙極晶體管過(guò)剩基極電流ΔIB隨輻照總劑量和基極-發(fā)射結(jié)電壓VBE的變化關(guān)系。橫坐標(biāo)為電壓VBE，縱坐標(biāo)過(guò)?；鶚O電流ΔIB取對(duì)數(shù)，所有曲線由下到上，隨著輻照總劑量的增加向電流增大方向平移。

由圖2可見(jiàn)，隨輻照總劑量的增加，過(guò)?；鶚O電流ΔIB變化有明顯差異。在總輻照劑量率較低時(shí)，過(guò)剩基極電流ΔIB較小，其曲線變化趨勢(shì)平行于n=1時(shí)的理論曲線，說(shuō)明影響IB的主要是氧化物電荷；在總輻照劑量率較高時(shí)，過(guò)?；鶚O電流ΔIB較大，其曲線變化趨勢(shì)平行于n=2 時(shí)的理論曲線，說(shuō)明影響IB的主要是界面態(tài)復(fù)合電流。由圖2曲線分析可以得出，隨著輻照注量的增大，基極復(fù)合電流隨之增大，界面態(tài)復(fù)合電流開(kāi)始占據(jù)主導(dǎo)地位。因此，降低輻照后的界面態(tài)復(fù)合電流，是增強(qiáng)雙極型晶體管抗輻照能力的一個(gè)關(guān)鍵因素。

圖2 過(guò)剩基極電流隨輻照總劑量變化

3.2 工藝優(yōu)化及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述結(jié)論，對(duì)雙極型晶體管表面SiO2的生長(zhǎng)條件進(jìn)行優(yōu)化。為對(duì)比工藝優(yōu)化前后的輻照損傷情況，引入?yún)?shù)歸一化電流增益1/Δβ，直流電參數(shù)均取自基極-發(fā)射結(jié)電壓為0.65V 時(shí)的值。

圖3所示為NPN 雙極晶體管表面SiO2生長(zhǎng)條件優(yōu)化前后的歸一化電流增益隨輻照總劑量的變化關(guān)系。

圖3 歸一化電流增益隨輻照總劑量變化

由圖可見(jiàn)，隨輻照總劑量的增加，無(wú)論是優(yōu)化前還是優(yōu)化后，NPN 雙極晶體管歸一化電流增益一直在衰減；相比于優(yōu)化前的晶體管，優(yōu)化后的晶體管衰減的曲線稍緩，衰減速度會(huì)慢一些。對(duì)同樣劑量率輻照后的NPN 雙極晶體管，優(yōu)化后的歸一化電流增益的衰減明顯比優(yōu)化前低很多。

用DLTS 深能級(jí)瞬態(tài)譜分析方法測(cè)試和分析界面態(tài)的情況，可以得到如圖4所示的曲線。

圖4 界面態(tài)電荷數(shù)隨溫度的變化

圖中橫坐標(biāo)為溫度（單位為K），縱坐標(biāo)為電荷數(shù)（單位C），靠近橫坐標(biāo)的兩條基本重合的曲線是優(yōu)化前后NPN 雙極型晶體管輻照之前界面態(tài)的電荷數(shù)，中間一條曲線是總輻照劑量在100krad 時(shí)，優(yōu)化后晶體管界面態(tài)電荷數(shù)量，最上方曲線是總輻照劑量在100krad 時(shí)，優(yōu)化前晶體管界面態(tài)電荷數(shù)量?？梢钥闯觯赥=320K 時(shí)，在經(jīng)過(guò)相同總輻照劑量的輻照后，優(yōu)化前的界面態(tài)電荷數(shù)約是優(yōu)化后界面態(tài)電荷數(shù)的10 倍，高出近一個(gè)數(shù)量級(jí)。

4 綜合分析研究

由圖1、圖2和圖3可看出，過(guò)?；鶚O電流和歸一化電流增益表現(xiàn)出同步的變化趨勢(shì)，即過(guò)?；鶚O電流的增大導(dǎo)致了歸一化電流增益的降低，而過(guò)?；鶚O電流增大的主要原因是隨總輻照劑量的增加，界面態(tài)電荷數(shù)在不斷增長(zhǎng)。

由圖3和圖4可看出，NPN 雙極型晶體管表面SiO2的質(zhì)量對(duì)抗輻照能力有顯著的影響。當(dāng)達(dá)到相同的總劑量時(shí)，優(yōu)化后的NPN 晶體管的歸一化電流增益變化明顯小于優(yōu)化前的晶體管，通過(guò)DLTS 深能級(jí)瞬態(tài)譜測(cè)試證實(shí)了優(yōu)化后的晶體管界面態(tài)電荷數(shù)要比優(yōu)化前的晶體管低一個(gè)數(shù)量級(jí)。對(duì)上述兩個(gè)結(jié)論的詳細(xì)討論如下：

電離輻照會(huì)在覆蓋于NPN 雙極晶體管基-射結(jié)上的隔離氧化層中產(chǎn)生氧化物陷阱電荷，在界面產(chǎn)生界面陷阱電荷。基區(qū)表面的復(fù)合電流、氧化物陷阱電荷、界面陷阱電荷，三者之間有以下關(guān)系[21]：

其中：NIT和NOT分別為輻照感生的界面陷阱電荷和氧化物陷阱電荷。式中α=1/2qεε0Na，是一個(gè)與電子電荷、介電常數(shù)以及襯底摻雜有關(guān)的量。

經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，在輻照過(guò)程中，NPN 雙極晶體管歸一化電流增益衰減主要是因?yàn)樵谳椪者^(guò)程中基極電流增加，即出現(xiàn)過(guò)剩基極電流[12-14,21]。而過(guò)?；鶚O電流則是由于輻照過(guò)程中，基區(qū)表面復(fù)合電流增加的結(jié)果。這一現(xiàn)象會(huì)發(fā)生的主要原因分析如下：

1)位于基區(qū)表面Si-SiO2界面的界面陷阱電荷的形成，會(huì)導(dǎo)致表面復(fù)合速率增加；

2)在基區(qū)-發(fā)射區(qū)結(jié)上的氧化層中的正氧化物電荷積累形成的電場(chǎng)導(dǎo)致P 型基區(qū)耗盡，引起表面復(fù)合電流的增加，致使基極電流進(jìn)一步增大。由晶體管增益定義（β=IC/IB）和圖1實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在輻照過(guò)程中集電極電流基本不變。因此，過(guò)?；鶚O電流越大，引起的歸一化電流增益衰減就越嚴(yán)重。

3)空間電荷模型認(rèn)為，在一定的輻照條件下，覆蓋于基區(qū)表面的氧化層內(nèi)產(chǎn)生大量的亞穩(wěn)俘獲空穴以及慢輸運(yùn)空穴[21]，會(huì)積累形成分布于整個(gè)氧化層中的空間電荷，從而形成的空間電場(chǎng)，阻礙輻照感生空穴的運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，部分空穴到達(dá)Si-SiO2界面，最后被界面陷阱俘獲形成界面陷阱電荷。SiO2層質(zhì)量的好壞，決定了在相同輻照條件下，空穴產(chǎn)生的概率和數(shù)量，概率越大，數(shù)量越多，成為界面陷阱的電荷就越多。這些界面陷阱電荷會(huì)成為復(fù)合中心而導(dǎo)致基區(qū)復(fù)合電流增加，進(jìn)而導(dǎo)致晶體管基極電流增加和增益減小。這也是圖3和4中SiO2生長(zhǎng)條件優(yōu)化前NPN 晶體管損傷更為嚴(yán)重的原因。

5 結(jié) 束 語(yǔ)

對(duì)NPN 雙極型晶體管在輻照前后的參數(shù)變化做出觀察，研究過(guò)?；鶚O電流、歸一化電流增益等在各條件下的變化規(guī)律，能夠發(fā)現(xiàn)界面態(tài)電荷數(shù)、優(yōu)化生長(zhǎng)條件后的SiO2層等因素對(duì)界面態(tài)電荷數(shù)的影響方式，進(jìn)而通過(guò)工藝與材料上的調(diào)整，有效緩解器件直流電參數(shù)在輻射后的性能退化。在制作雙極器件時(shí)，從抗輻射加固的角度考慮，應(yīng)盡力加強(qiáng)SiO2層的質(zhì)量，以確保獲得更為理想的抗輻照能力。