預加溫處理對雙極晶體管過?；鶚O電流理想因子的影響機制*

董磊 楊劍群 甄兆豐 李興冀

(哈爾濱工業(yè)大學材料科學與工程學院, 哈爾濱 150001)

基于60Co g射線輻照源, 針對有/無Kovar合金金屬帽的橫向PNP晶體管(LPNP), 探究預加溫處理對雙極晶體管電離輻射損傷的影響.通過半導體參數(shù)測試儀對輻照前后LPNP晶體管電性能參數(shù)進行測試.利用深能級瞬態(tài)譜分析儀(DLTS), 對輻照前后LPNP晶體管電離缺陷進行表征.研究結果表明, 未開帽處理的晶體管過?；鶚O電流(DIB)增加更明顯, 理想因子n隨發(fā)射結電壓(VEB)的增加逐漸降低, 轉換電壓(Vtr)明顯向低發(fā)射結電壓方向移動.分析認為這是由于基區(qū)表面輻射誘導界面態(tài)復合率發(fā)生變化, 界面態(tài)數(shù)量增多導致n值的變化.DLTS譜證實界面態(tài)是導致LPNP晶體管電性能退化的主要原因, 未開帽處理的LPNP晶體管中輻照誘導的界面態(tài)數(shù)量明顯增多, 這是由于采用Kovar合金制備的金屬帽中含有大量的氫, 氫的存在會促進界面態(tài)的形成.而對于開帽處理的LPNP晶體管, 在預處理過程中除去金屬帽后器件內氫氣逸出, 腔內氫氣含量降低, 因此導致晶體管內部產(chǎn)生的界面態(tài)數(shù)量減少, 使LPNP晶體管電性能退化程度降低.

1 引 言

航天器在軌服役期間, 會受到空間帶電粒子及射線的干擾, 其電子系統(tǒng)及電子元器件內部會產(chǎn)生電離、位移、單粒子效應等, 嚴重影響電子元器件的使用壽命[1?6].不同結構及類型的電子元器件對輻射效應的敏感性不同, 對于雙極晶體管來說, 其對電離輻射效應具有很強的敏感性[7?10].雙極晶體管是重要的雙極電路的基本組成單元, 對其電離輻射效應進行深入研究, 具有重要的工程意義.

電子元器件的生產(chǎn)封裝過程中, 會不可避免的從外部引入雜質元素氫.氫作為影響器件抗輻照能力的重要潛在因素, 國際上對此進行大量的研究.目前在封裝過程中普遍采用Kovar合金作為晶體管的金屬帽材質, 通過殘余氣體分析 (RGA:residual gas analysis)對 Kovar合金進行檢測, 發(fā)現(xiàn)在器件空腔內含有1~2%的氫氣存在, 而氫氣的來源被普遍認為是在Kovar合金上的鍍金過程中釋放出來的[11?13].

器件在投入使用前會進行預加溫處理進行優(yōu)選, 即經(jīng)過長時間加溫過程將性能退化嚴重的器件篩選出來.在預加溫過程中升溫會改變器件中氫的狀態(tài), 存在形式不同的氫均會對器件的電離效應產(chǎn)生關鍵性的影響作用[14?15].隨著預輻照升溫應力的增強, MOS器件及雙極器件的電學性能退化或改善還與器件采用特定的工藝及測試條件等因素有著密切關系, 尚未有明確的規(guī)律.

通過研究發(fā)現(xiàn), 預處理過程中器件對輻射效應的響應與器件的封裝狀態(tài)有關[16?18].研究表明: 在輻照過程中, 密閉環(huán)境下氫分子擴散在器件腔內并易與晶體管內金屬及氧化物反應, 生成金屬氫化物或含氫氧空位, 在輻照過程中參與促進界面態(tài)的形成, 對晶體管的電學性能造成影響; 溫度會影響H+釋放的數(shù)量, 而在一定溫度條件下, SiO2層中氫氣含量過高也會導致界面態(tài)發(fā)生退火.因此, 輻照過程中界面態(tài)數(shù)量不光取決于H+釋放的多少, 還與溫度、氫氣濃度以及含氫缺陷的數(shù)量等諸多因素有關.目前各種因素的影響機制尚不清晰.預處理過程中有/無Kovar合金作為器件封裝材料對器件內部氫的狀態(tài)影響的研究結果表明, 雙極晶體管的電離輻射特性與預加溫處理及Kovar合金之間的相關性很密切, 然而, 目前國際尚未直接證明二者對雙極晶體管電離輻射損傷的影響機制.深入開展預加溫處理對開帽/未開帽雙極晶體管電離輻射損傷機理研究, 可為尋求電子元器件抗輻射加固方法奠定有力基礎, 具有重要的工程指導意義.

采用60Co g射線做為輻照源, 針對橫向PNP雙極晶體管作為研究對象, 通過電學性能測試結合深能級缺陷分析, 深入研究預加溫處理過程中,Kovar合金對LPNP晶體管電離輻射損傷的影響機制.

2 試驗器件與試驗方法

選用國產(chǎn)LPNP雙極晶體管作為研究對象,進行電離效應損傷機理研究時, 為清楚比較開帽處理對晶體管電離輻射效應的影響, 將部分所選用的LPNP晶體管進行金屬帽切割去除處理, 其中金屬帽的材質為Kovar合金.由于芯片出廠前尚未進行預加溫處理, 因此將所選用LPNP晶體管均置于200 ℃加熱爐中恒溫加熱44 h, 進行預加溫處理.為了排除試驗結果是由于輻照過程中二次粒子因素的干擾, 將預加溫處理后未開帽的LPNP晶體管也均采取開帽處理, 并立即將所有樣品進行輻照試驗.試驗采用60Co g射線輻照源進行輻照試驗, 所采用的輻照測試條件為: 輻照總劑量為100 krad(Si); 輻照劑量率為 100 rad(Si)/s; 試驗過程中, 所有晶體管均在室溫環(huán)境下進行輻照且晶體管的所有管腳均處于接地狀態(tài).

采用KEITHLEY 4200-SCS半導體參數(shù)儀,對輻照前后LPNP晶體管進行Gummel曲線測試.測試條件如下: 發(fā)射極接掃描電壓, 從 0.2 V 掃描至 0.8 V, 即VEB= 0.2—0.8 V, 掃描步長為 0.01 V;基極和集電極均接 0 V 電壓, 即VB=VC=VBC=0 V.基于Gummel特性曲線還可以得出LPNP晶體管電流增益及其倒數(shù)的變化量隨吸收劑量的變化關系, 以及晶體管過?；鶚O電流DIB隨發(fā)射結電壓VEB的變化關系來定性表征電離缺陷的演化規(guī)律.

基于深能級瞬態(tài)譜(DLTS)測試系統(tǒng), 針對兩種LPNP晶體管內部的微觀缺陷狀態(tài)進行分析,深入分析LPNP晶體管電離輻照損傷微觀機理.選取晶體管中摻雜濃度較低的集電區(qū)進行測試, 測試參數(shù)設定如下: 反向偏壓VR= 5 V, 脈沖電壓VP= 0.1 V, 測試周期TW= 4.096 s, 脈沖寬度TP= 0.01 s, 測試的掃描溫度為 150—330 K.

3 實驗結果與分析

3.1 電性能測試分析

對開帽/未開帽兩種類型LPNP雙極型晶體管Gummel特性曲線的對比情況如圖1所示.圖中給出了在劑量率為100 rad(Si)/s的60Co g射線輻照條件下, 晶體管的基極電流(IB)和集電極電流(IC)對電離效應影響的實驗結果.圖1(a)描述的是LPNP晶體管IB隨發(fā)射結電壓VEB的變化情況.隨著吸收劑量的增加, 兩種LPNP晶體管的IB逐漸增大, 此外, 與發(fā)射結電壓VEB較大時相比, 當發(fā)射結電壓VEB較小時,IB增加倍數(shù)較大.圖1(b)描述的是LPNP晶體管IC隨發(fā)射結電壓VEB的變化情況.隨著吸收劑量的增加, 兩種預處理方式的LPNP晶體管IC均無明顯變化.

前面的結果已經(jīng)表明, 雙極晶體管在受到電離輻射損傷后,IC基本上保持不變, 而電流增益退化的主要表現(xiàn)為IB增加.通過探究輻照后雙極晶體管的過剩基極電流(DIB)與發(fā)射結電壓(VEB)的變化關系, 可以深入分析不同缺陷對雙極晶體管電離輻射的作用機制, 從而得出預處理過程中Kovar合金對LPNP晶體管電離輻射效應的影響.基極電流是載流子在基區(qū)擴散與復合形成的復合電流,表達式為IB=IB-pre+DIB, 其中IB-pre為雙極晶體管的初始基極電流值, DIB為基極電流的變化量, 也被稱為雙極晶體管的過?；鶚O電流.

針對雙極晶體管的電離輻射損傷效應, 引入理想因子n, 理想情況下, 在輻照過程中, 如果器件復合類型以表面復合為主, 則理想因子n= 2.表達式為

圖1 劑量率 100 rad(Si)/s條件下 g 輻射吸收劑量對開帽/未開帽處理的 LPNP 雙極型晶體管的 (a) IB 和 (b) IC 隨VEB變化曲線的影響Fig.1.Variations of (a) IB and (b) IC with base-emitter for the LPNP bipolar transistors with/without cap under dose rate of 100 rad(Si)/s with a 60Co gamma irradiation source.

其中fT為熱電壓, 指在閉合電路中由于兩點間存在溫差而出現(xiàn)的電位差.該物理量即可以表示擴散系數(shù)和遷移率的內在聯(lián)系, 也表示載流子在半導體中定向運動的難易程度.

圖2為相同劑量率Co60g輻照條件下, 兩種LPNP晶體管的過?；鶚O電流DIB隨發(fā)射結電壓VEB的變化關系.圖中可以清楚看出, 隨著吸收劑量的增加, 兩種LPNP晶體管的DIB均明顯增加;而理想因子n隨VEB變化呈現(xiàn)出兩個斜率特征,在VEB較小區(qū)段時, 理想因子趨于n= 2; 當VEB在較大區(qū)段 (VEB> 0.4 V) 時, 1

圖2 60Co g 射線輻照條件下開帽/未開帽處理的 LPNP雙極晶體管基極電流變化量與發(fā)射結電壓的關系Fig.2.Variations of DIB with VEB for the LPNP transistors with/without cap irradiated by 60Co gamma source.

通過LPNP晶體管DIB隨發(fā)射結電壓VEB的變化分析電離效應對LPNP晶體管基極電流的影響.表達式為[19]

式中,q為電子電荷,fT為熱電壓,ni代表 Si體中本征載流子濃度,PE為發(fā)射極周長,E為空間電荷區(qū)復合達最大處的電場, Ds為表面復合速率的變化量, 與界面態(tài)密度的變化量密切相關, 有以下關系式:

其中:nth代表熱速率;s為復合中心處俘獲電荷的橫截面大小; DNit表示界面態(tài)密度增量.根據(jù)文獻[20],電場E方程推導為

其中,eSi為 Si的介電常數(shù),ns為基區(qū)界面處多數(shù)載流子濃度.基于 (4) 式可知, 在VEB一定時, 隨著氧化物電荷減少, 表面載流子濃度ns隨之降低,導致晶體管DIB的理想因子n值減小.這是由于輻照的初始階段, 界面態(tài)陷阱的累積不足以抵消氧化物電荷對表面載流子濃度的影響[21].因此在VEB較小時, DIB的理想因子n數(shù)值近似于2; 在VEB較大時, DIB的理想因子n數(shù)值處于1與2之間.

氧化物電荷的累積會導致空穴穿過耗盡層進入到中性基區(qū), 再通過復合誘導理想因子n數(shù)值逐步趨近于1.隨著吸收劑量的增加, 界面態(tài)陷阱密度增加導致發(fā)射結耗盡區(qū)發(fā)生復合, 這也是產(chǎn)生DIB的重要原因.其中 DIB–VEB曲線斜率發(fā)生變化時所處發(fā)射結電壓被定義為晶體管的轉換電壓Vtr.界面態(tài)陷阱的不斷累積, 不光會增加基極電流, 而且影響理想因子的數(shù)值變化, 轉換電壓逐漸降低.這是由于隨著吸收劑量的增加, 表面載流子濃度ns降低所引起的.而ns降低的潛在因素是輻照過程中產(chǎn)生的帶負電的界面態(tài)數(shù)量增多引起的靜電效應[19], 或是氫在n型基區(qū)摻雜鈍化作用所致[22].

從圖2可以明顯看出, 在相同輻照條件下, 預加溫過程中未開帽處理的晶體管DIB變化更大,且隨著吸收劑量的增加, 轉換電壓Vtr明顯向低發(fā)射結電壓方向移動.通過上述分析可知,n值的變化是由于界面態(tài)數(shù)量增多所導致的結果.在輻照過程中, 與預加溫過程中開帽處理的晶體管相比, 未開帽的LPNP晶體管n值變化程度更大, 說明器件內部產(chǎn)生的界面態(tài)更多, 分析認為未開帽晶體管中氫的濃度相對較高, 導致在n型基區(qū)摻雜鈍化作用所引起的結果.

3.2 深能級缺陷分析

圖3 60Co g 射線輻照條件下, 有/無進行開帽處理的 LPNP雙極晶體管深能級瞬態(tài)譜圖Fig.3.DLTS spectra of the LPNP transistors packaged with/without cap irradiated by 60Co gamma source.

基于上述LPNP晶體管電性能結果分析可知,導致晶體管電學性能退化的微觀機制主要受界面態(tài)的影響.現(xiàn)將兩種LPNP晶體管中界面態(tài)缺陷信息進行對比, 通過深能級缺陷分析來驗證上述試驗結果.圖3為溫度范圍從 150 K掃描到 330 K、劑量率為100 rad(Si)/s條件的60Co g輻照過程中,兩種LPNP晶體管DLTS譜的測試結果.由圖可見, 兩種LPNP晶體管均在溫度為250—330 K之間出現(xiàn)了一個明顯的深能級缺陷信號峰.由于缺陷信號峰峰尖所在的溫度坐標不同, 將未開帽晶體管對應的信號峰命名為H(295), 將開帽晶體管對應的信號峰命名為H(320).利用阿倫尼烏斯方程計算得出: 采用開帽處理的LPNP晶體管中的類深能級缺陷能級ET?EV= 0.642 eV, 俘獲截面s=4.16 × 10–17cm2, 缺陷濃度NT= 4.10 × 1015cm–3;未進行開帽處理的LPNP晶體管中的類深能級缺陷能級ET?EV= 0.579 eV, 俘獲截面s= 1.38 ×10–17cm2, 缺陷濃度NT= 3.33 × 1015cm–3.通過計算結果可以看出, 相同輻照條件下, 未開帽處理的晶體管中引入的缺陷能級位置更接近Si禁帶中心, 缺陷濃度較低.

本文中信號峰所處位置與文獻[23]中的試驗結果相似, 表明60Co g射線輻照誘導LPNP雙極型晶體管產(chǎn)生電離輻射損傷缺陷為界面態(tài)陷阱.通常, 為了解釋界面態(tài)陷阱的反應機制, 常采用Shaneyfelt等[24]提出的空穴/氫離子輸運(HT)2模型.該模型認為, 空穴向 Si/SiO2界面?zhèn)鬏敃r, 會在界面附近形成陷阱電荷.隨著空穴成為陷阱電荷或者被電子中和, 界面附近的氫原子可以在帶正電的氧化物陷阱處形成氫離子, Si/SiO2界面附近的氫離子被釋放, 傳輸?shù)絊i/SiO2界面的氫離子與界面發(fā)生相互作用, 同時生成界面態(tài)陷阱[25].

通過圖3可以看出, 在相同輻照條件下, 與開帽處理過的LPNP晶體管相比, 未開帽處理的晶體管在輻照后DLTS特征峰向左移動, 表明輻照在未開帽處理的LPNP晶體管中引入的缺陷能級位置更接近禁帶中心.由肖克萊-里德-霍爾模型[26]可知, 缺陷能級位置越接近禁帶中心, 則復合效率越高, 進而對晶體管造成的損傷越嚴重.此外, 缺陷能級位置及缺陷濃度均是導致晶體管性能退化的重要因素, 我們之前研究已經(jīng)證實, 與缺陷濃度相比, 缺陷能級位置占主導地位, 是使晶體管電學性能退化加劇的根本原因[27].通過上述分析可以說明預處理過程中未開帽處理LPNP晶體管內部受到電離輻射損傷更為嚴重.

基于上述分析, 通過探究LPNP雙極晶體管電流增益變化量(Db)及其電流增益倒數(shù)變化量D(1/b)隨吸收劑量的關系, 直觀反映出輻照前后晶體管電性能變化規(guī)律, 為證明開帽處理對電離輻射損傷的影響機制, 揭示器件宏觀電學性能退化與微觀缺陷演化的對應關系.電流增益b是表征雙極晶體管輻射損傷效應最為重要的電性能參數(shù).本試驗采取共發(fā)射極接線方式進行測試, 當發(fā)射結正偏電壓VEB= 0.65 V 時,IC與IB的比值定義為電流增益, 即b=IC/IB, 電流增益變化量的表達式為:Db=b-b0, 電流增益倒數(shù)變化量的表達式為:D(1/b)=1/b-1/b0, 式中b0和b分別為晶體管輻照前和輻照后的電流增益值.圖4(a)和圖4(b)分別為相同劑量率60Co g射線輻照條件下, 開帽/未開帽處理的LPNP晶體管Db和D(1/b)隨吸收劑量的變化曲線.如圖所示, 對于兩種類型的LPNP型晶體管而言, 隨著吸收劑量的增加,LPNP晶體管的Db明顯下降, 晶體管D(1/b)逐漸升高且退化無飽和趨勢.上述結果表明, 兩種類型的LPNP晶體管均發(fā)生明顯的電離輻射損傷.其中, 在相同輻照條件下, 在預加溫過程中未開帽處理的晶體管Db和D(1/b)退化程度更為明顯.

圖4 劑量率 100 rad/s條件下 g 輻射吸收劑量對開帽/未開帽處理的LPNP雙極晶體管(a)電流增益變化量的影響和(b)電流增益倒數(shù)變化量的影響Fig.4.(a)The relationship between total dose and current gain for LPNP bipolar transistors with/without cap under dose rate of 100 rad (Si)/s with a 60Co gamma irradiation source.(b) The relationship between total dose and the reciprocal of current gain for LPNP bipolar transistors with/without cap under dose rate of 100 rad (Si)/s with a 60Co gamma irradiation source.

上述試驗結果表明, 預加溫過程中, 與開帽處理的LPNP晶體管相比, 未進行開帽處理的晶體管電性能退化嚴重, 在器件內部產(chǎn)生的界面態(tài)數(shù)量更多.試驗分析認為這是由于密封器件中含有大量的氫 (包括氫氣、水汽), 晶體管的金屬帽材質為Kovar合金, 其中氫氣主要來源于Kovar合金內部吸附氣氛在熱應力作用下釋放出來, 由于在密封環(huán)境中, 釋放的氫氣只能擴散在器件腔體內, 結合晶體管中金屬材料形成金屬氫化物, 在水汽的作用下, 加速器件的電性能退化程度.與之相比, 非密閉晶體管內部不能保留氫氣, 因此采用開帽處理的晶體管電性能更好.

4 結 論

采用電性能測試與DLTS譜分析兩種手段相結合, 探究60Co g射線輻照過程中, 開帽處理與未開帽處理LPNP晶體管的電性能及電離輻照誘導微觀缺陷的演化規(guī)律.通過試驗分析, 得到以下結論:

1)兩種類型LPNP晶體管的電學性能參數(shù)變化趨勢相似, 輻照后晶體管IB隨吸收劑量的增加逐漸增大,IC在輻照前后無明顯的變化.D(1/b)均隨吸收劑量的增加有明顯的退化趨勢, 其中, 未進行開帽處理過的LPNP晶體管電性能退化程度較大.

2)通過微觀機理分析表明, 隨著吸收劑量的增加, 未開帽處理的LPNP晶體管DIB增加明顯,理想因子n隨VEB的增加逐漸降低, 轉換電壓Vtr明顯向低發(fā)射結電壓方向移動.這是基區(qū)表面輻射誘導界面態(tài)復合率的變化所導致的,n值的變化是界面態(tài)數(shù)量增多所導致的結果.通過DLTS譜分析可知, 與開帽處理過的LPNP晶體管相比, 電離輻射在未開帽晶體管內部產(chǎn)生的界面態(tài)能級位置更接近于禁帶中心.分析認為, 這主要由于密封器件中存在大量的氫氣和水汽, 氫氣的存在會促進界面態(tài)的形成, 而水汽會加劇器件電性能的退化程度.與之相比, 開帽處理過的晶體管內部不能保留氫氣, 因此晶體管電性能更好.