偏置條件對國產(chǎn)SiGe BiCMOS 器件總電離輻射效應的影響

王利斌 王 信 吳 雪 李小龍 劉默寒 陸 嫵

1（新疆大學物理科學與技術學院 烏魯木齊830046）

2（中國科學院新疆理化技術研究所 中國科學院特殊環(huán)境功能材料與器件重點實驗室 烏魯木齊830011）

3（新疆電子信息材料與器件重點實驗室 烏魯木齊830011）

4（模擬集成電路重點實驗室 重慶400060）

自20世紀70年代以來，微電子器件和集成電路仍沿著摩爾定律和國際半導體技術路線圖的發(fā)展趨勢進步。但從應用角度講，硅基器件速度已經(jīng)接近物理極限，在保持線性特性的基礎上進一步提升其速度和改善其頻率特性愈發(fā)困難。為了滿足射頻通信等應用對高性能器件的需求，該領域的研究重點逐漸轉向新型半導體材料和結構的器件，如鍺硅異質結（SiGe HBTs）工藝器件。SiGe HBTs 是最早在硅上實現(xiàn)能帶工程的實用器件。帶隙漸變使其具有卓越的耐低溫特性，去除了龐大的保溫裝置，極大地降低了飛行器發(fā)射成本［1-2］。SiGe BiCMOS工藝技術將SiGe HBTs高頻、低噪、高速、耐低溫特性的優(yōu)點，同工藝成熟、價格低廉、集成高、功耗低的Si CMOS 優(yōu)勢集合到一起，成為近年來深空探測不斷發(fā)展的推動力，是空間微電子應用領域關注的熱點［3］。

應用在航天器中的電子器件長期暴露在空間輻射環(huán)境中，必然遭受到各種宇宙射線輻射，會產(chǎn)生輻射效應和常規(guī)可靠性兩方面的問題。其中電離總劑量效應問題凸顯，電離總劑量效應是空間質子和電子經(jīng)電離作用對器件產(chǎn)生的永久性損傷，是航天電子系統(tǒng)輻射效應研究的主要問題之一。SiGe HBTs由于禁帶寬、本征基區(qū)薄等特殊器件結構，一般認為它具有很強的抗電離總劑量能力，國內外相關研究也證實了這點［4］。有國外課題組［5-6］對IBM公司的各代SiGe HBTs器件進行了詳細的研究，國內中科院新疆理化技術研究所、清華大學、西安電子科技大學等單位也較早地對國產(chǎn)SiGe HBTs 器件進行了相關研究［7-10］，發(fā)現(xiàn)其均具有非常優(yōu)異的抗總劑量輻射效應和位移損傷效應的性能，但在國產(chǎn)SiGe HBTs器件上有很明顯的低劑量率增強效應（ELDRS），而IBM公司器件上不存在［11-13］。

但是隨著制備工藝的優(yōu)化和結構的完善，比SiGe HBTs 應用前景更加廣闊的SiGe BiCMOS 工藝器件在輻射環(huán)境中的長期可靠性出現(xiàn)新的表現(xiàn)形式，CMOS 工藝對電離總劑量（Total ionizing dose， TID）損傷更為敏感，嚴重制約了SiGe BiCMOS工藝器件的應用和國產(chǎn)化進程。因此，研究SiGe BiCMOS 工藝器件的TID 響應限制至關重要。對此，國外Fleetwood等［14-16］對IBM第一代到第四代SiGe BiCMOS 工藝器件進行了詳細而系統(tǒng)的電離總劑量輻射研究，發(fā)現(xiàn)其同樣具有非常好的抗電離總劑量輻射效應和位移損傷效應的性能，而且沒有發(fā)現(xiàn)ELDRS 的存在。由于設備條件限制等原因，國內SiGe BiCMOS工藝的研究起步較晚，大部分還處于研發(fā)階段，沒有工程實用化，所以國內對國產(chǎn)SiGe BiCMOS 工藝器件相關報道極少［17-19］。為促進國產(chǎn)SiGe BiCMOS 技術的發(fā)展及其在航天領域的應用，對國產(chǎn)SiGe BiCMOS 工藝器件抗電離總劑量輻射響應的研究是十分必要且迫切的。為了全面評估國產(chǎn)新型0.35 μm SiGe BiCMOS工藝器件的抗電離總劑量輻射響應，本文對該器件進行了不同偏置條件下的高劑量率實驗，發(fā)現(xiàn)其具有非常好的抗總電離劑量輻射效應性能，且偏置條件對0.35 μm SiGe BiCMOS器件的抗電離總劑量性能影響非常大。

1 樣品及試驗條件

本文選取了國內自主研發(fā)的新型0.35 μm SiGe BiCMOS工藝器件，在中國科學院新疆理化技術研究所的60Co γ輻射環(huán)境下進行了三種不同偏置（基射結正偏、基射結反偏和基射結零偏）狀態(tài)的高劑量率輻照實驗。本文輻照實驗選取1 Gy(Si)/s 的高劑量率，總劑量累積到12 kGy(Si)。器件每累積吸收劑量2 kGy(Si)，將其取出并用美國4200-SCS半導體參數(shù)分析儀在室溫下對其參數(shù)進行測量，測試過程均保持在15 min 以內。對不同偏置條件下電參數(shù)隨總劑量輻照響應結果進行了分析，得到基極電流Ib和集電極電流Ic隨輻照累積劑量的變化關系，并對其進行了Gummel 特性曲線的測試，得到Ib和Ic隨基極-發(fā)射極電壓VBE的變化關系。

2 實驗結果

隨劑量而增大，從而導致了圖2中電流增益以及峰值電流增益隨劑量的不斷退化。表明Ib是SiGe BiCMOS器件的主要敏感參數(shù)，Ic基本不受電離輻射效應的影響。當輻照總劑量累積到12 kGy(Si)時，3種偏置條件下器件峰值hEF仍高于170，說明其在高劑量率輻照下有著良好的抗電離總劑量輻照性能。在不同偏置條件下正偏Ib和hEF退化程度最小，零偏次之，反偏時的退化最大，說明反偏為其最劣偏置。

圖1 SiGe BiCMOS器件Gummel特性曲線隨累積劑量的變化：(a)正偏；(b)反偏；(c)零偏（彩色見網(wǎng)絡版）Fig.1 Gummel characteristic curves of SiGe BiCMOS device changes with TID:(a)forward bias;(b)reverse bias;(c)zero bias（color online）

圖1 和圖2 給出了國產(chǎn)0.35 μm SiGe BiCMOS工藝器件正偏、反偏和零偏的Gummel特性和電流增益hEF（hEF=Ic/Ib）經(jīng)電離總劑量輻照的變化示意圖。從圖1中可以明顯看出，隨著輻照累積劑量從0 增加到12 kGy(Si)，器件的集電極電流Ic基本無明顯變化，而基極電流Ib在低于VBE=0.8 V 時明顯

圖2 SiGe BiCMOS器件直流電流增益隨累積劑量的變化：(a)正偏；(b)反偏；(c)零偏Fig.2 Variation of DC current gain of SiGe BiCMOS devices with TID:(a)forward bias;(b)reverse bias;(c)zero bias

為了進一步分析高劑量率輻照條件對不同偏置國產(chǎn)SiGe BiCMOS 工藝器件輻照響應特性的影響，我們引入兩個參量分別是過?；鶚O電流ΔIB（Ib-post-Ib-pre）和歸一化電流增益hEF-post/hEF-pre，其中Ib-post和Ib-pre以及hEF-post和hEF-pre分別選取了輻照前后VBE=0.7 V 時所對應的Ib和hEF，如圖3～4 所示。從圖3中可以看出，隨著累積劑量的增加，各偏置條件下ΔIB不斷增大，歸一化電流增益不斷減小，趨勢如圖4所示。直至電離總劑量累積到12 kGy(Si)時，發(fā)現(xiàn)反偏狀態(tài)下過?；鶚O電流、歸一化電流增益退化最嚴重，零偏次之，正偏最小。

圖3 SiGe BiCMOS器件正偏、反偏和零偏過?；鶚O電流隨累積劑量的變化Fig.3 Variation of forward bias,reverse bias,and zero bias excess base currents with TID in SiGe BiCMOS devices

圖4 SiGe BiCMOS器件正偏、反偏和零偏歸一化電流增益隨累積劑量的變化Fig.4 Variation of forward bias,reverse bias,and zero bias normalized current gain with TID in SiGe BiCMOS devices

3 分析和討論

從上述實驗結果可以看出，隨著電離總劑量的累積，直流電流增益的退化主要是由于基極電流Ib的增加引起的。由于注入基極的載流子的數(shù)量只取決于基極的摻雜和施加的偏壓，因此，在給定的偏置條件上，在發(fā)射極耗盡區(qū)增加的復合，并不會降低集電極電流。如果耗盡區(qū)復合增加，發(fā)射極和基極電流會增加，但集電極電流保持不變。

基極電流主要由體電流Iblunk和表面基極電流Isurface組成，基極電流Ib在器件中的組成如圖5所示。其中基極電流Ib的組成如式（1）所示。

式中：Iseb為EB 結附近的表面復合電流；Ireb為EB結勢壘區(qū)的表面復合電流；Irb為基區(qū)復合電流；Iep為基區(qū)向發(fā)射區(qū)注入的空穴電流；Icbo為BC結的反向飽和電流。

Ireb、Irb為主的體電流主要與輻射在基極造成深能級位移缺陷有關，由于γ射線的能量較小，無法在器件基極產(chǎn)生位移損傷，而且Icbo極小，可忽略，所以60Co γ輻射環(huán)境下基極電流的變化是由于表面基極電流Isurface增大引起的，Iep有效控制Ic幾乎不變，基極表面復合電流Iseb對電離輻射更加敏感。基極表面復合電流Iseb如式（2）所示［20］。

式中：q為電子電荷量（C）；Sb為基區(qū)表面復合速度（cm/s）；Ab為基區(qū)表面復合表面積（cm2）；ne為表面非平衡載流子電子濃度（cm-3）。

電離輻射引起器件增益退化的主要物理機制有以下幾方面：（1）高劑量率電離輻射會在SiO2層中產(chǎn)生大量的電子-空穴對。（2）大部分電子-空穴對會在幾個皮秒內復合，部分逃逸的電子-空穴對經(jīng)電場作用發(fā)生分離。被復合的逃逸電子由于質量小、遷移率高，會在電場力的作用下快速地被掃出氧化層；質量大、低遷移率的空穴以“跳躍”的形式在氧化層中輸運。（3）空穴的俘獲及氫的釋放。一方面空穴h+被氧化層中中性氧空位缺陷VO俘獲產(chǎn)生氧化物陷阱，另一方面也可能被氧化層中中性含氫缺陷VH俘獲生成氧化物陷阱并釋放氫離子H+，且H+輸運過程中很難被電子中性化。（4）界面陷阱電荷的生成?？昭ㄝ斶\過程中被俘獲產(chǎn)生的氫離子擴散至界面處，與界面處Si-H 鍵發(fā)生鈍化反應，造成Si-H 鍵斷裂生成界面處陷阱，其過程如式（3）～（5）所示。

圖5 基極電流的組成Fig.5 Composions of base current

電離輻照效應對器件發(fā)射結的影響如圖6 所示。界面態(tài)在基區(qū)表面附近累積會使表面能帶如圖7 所示的彎曲，并會在表面產(chǎn)生一個附加正電場，影響器件表面特性，使PN 結耗盡區(qū)向P 型基區(qū)擴散，導致基區(qū)表面拓展，基區(qū)表面復合面積Ab增大。SiGe BiCMOS 工藝器件中發(fā)生的復合過程是以SRH 復合為主，其表面界態(tài)密度與電子、空穴的復合速度成正比。在基區(qū)Si/SiO2表面，輻照感生的界面陷阱密度增大也會大幅度地增加載流子的表面復合速度Sb。非平衡電子濃度與注入電流密度及氧化層中的正電荷密度有關，氧化物陷阱電荷增加和界面態(tài)增長都會使表面處非平衡電子濃度ne增大。

圖6 電離輻照效應對器件發(fā)射結的影響：(a)未輻照；(b)輻照后Fig.6 Ionizing radiation effects on emitter of device:(a)before irradiation;(b)after irradiation

綜上所述，在單一偏置條件下，高劑量率電離輻射會使Ab、Sb、ne增大，電子質量q 不變，從而導致Iseb增大，進而引起歸一化直流電流增益的退化。

圖7 界面態(tài)導致的能帶彎曲Fig.7 Energy band bending caused by interface states

而圖1和圖2中不同偏置條件下電離輻射對器件基極電流及增益的變化的差別，是因為外加偏置的存在，影響器件氧化層中內電場，導致二氧化硅層中氧化物陷阱電荷和界面陷阱電荷產(chǎn)生數(shù)目差異，最終造成基射結反偏時損傷最大，零偏次之，正偏最小。發(fā)射結上方的SiO2層內電場是由邊緣電場決定的，邊緣電場如圖8所示。若以發(fā)射結零偏（VBE=0 V）的內電場為參考點，發(fā)射結正偏時，由于外加電場的存在，內電場減弱，耗盡層變窄。邊緣電場的減弱，SiO2層內電子-空穴對復合率增加，逃逸空穴數(shù)目減少，即“跳躍”的形式在氧化層中輸運的空穴減少，與含氫氧空位型缺陷結合產(chǎn)生的氧化物陷阱電荷減少，釋放的氫離子濃度降低，導致氧化層內氧化物陷阱電荷和界面態(tài)數(shù)量減少，所以累積相同劑量時正偏電流增益損傷程度較?。划敯l(fā)射結反偏時，情況正好相反，致使電流增益損傷程度更加嚴重。

圖8 電離輻照邊緣電場對發(fā)射結的影響：(a)正偏;(b)反偏；(c)零偏Fig.8 Effects of edge electric field of ionizing radiation on emitter:(a)forward bias;(b)reverse bias;(c)zero bias

4 結論

實驗結果表明：國產(chǎn)0.35 μm SiGe BiCMOS工藝器件在高劑量率輻照下抗電離總劑量輻照的性能非常好，可以達到數(shù)千戈瑞水平，且基極電流和電流增益比集電極電流對輻射更敏感。主要機制是輻射在SiGe BiCMOS 器件基射結氧化層中誘導產(chǎn)生的界面態(tài)和氧化物陷阱電荷，引起表面復合電流增大，使基極電流增大，從而導致器件電流增益退化。偏置條件對國產(chǎn)SiGe BiCMOS 工藝器件的影響非常大，在不同偏置條件輻射下，基射結反偏損傷最大，零偏次之，正偏最小，反偏為最劣偏置條件。其主要機制是器件在不同偏置條件下二氧化硅氧化層內電場不同，導致凈氧化物陷阱電荷和界面陷阱電荷產(chǎn)生數(shù)目的差異所致。本實驗為國產(chǎn)SiGe BiCMOS 工藝器件在空間輻射環(huán)境中的應用給出了參考。下一步將研究SiGe BiCMOS器件在低劑量率時不同偏置條件下的輻照效應。