基于柵控橫向PNP雙極晶體管的氫氛圍中輻照損傷機(jī)制*

緱石龍 馬武英 姚志斌 何寶平 盛江坤 薛院院 潘琛

(西北核技術(shù)研究所, 強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西安 710024)

為了研究氫氣與輻射感生產(chǎn)物之間的作用關(guān)系, 以柵控橫向PNP雙極晶體管為研究對象, 分別開展了氫氣氛圍中浸泡后的輻照實(shí)驗(yàn)和輻照后氫氣氛圍中退火實(shí)驗(yàn), 結(jié)果表明: 氫氣進(jìn)入雙極晶體管后會使其輻照損傷增強(qiáng), 并且未浸泡器件輻照后在氫氣中退火也會使晶體管輻射損傷增強(qiáng).基于柵掃描法分離的輻射感生產(chǎn)物結(jié)果表明, 氫氣進(jìn)入晶體管會使得界面陷阱增多, 氧化物陷阱電荷減少, 主要原因是氫氣進(jìn)入氧化層會與輻射產(chǎn)生的氧化物陷阱電荷發(fā)生反應(yīng), 產(chǎn)生氫離子, 從而使界面陷阱增多.基于該反應(yīng)機(jī)理, 建立了包含氫氣反應(yīng)和氫離子產(chǎn)生機(jī)制的低劑量率輻照損傷增強(qiáng)效應(yīng)數(shù)值模型, 模型仿真得到的界面陷阱及氧化物陷阱電荷面密度數(shù)量級和變化趨勢均與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致, 進(jìn)一步驗(yàn)證了氫氣在雙極器件中輻照反應(yīng)機(jī)理的正確性,為雙極器件輻照損傷機(jī)制研究和在氫氛圍中浸泡作為低劑量率輻射損傷增強(qiáng)效應(yīng)加速評估方法的建立提供了參考和理論支撐.

1 引 言

國內(nèi)外研究表明, 氫(H)是雙極器件產(chǎn)生低劑量輻射損傷增強(qiáng)效應(yīng)(enhanced low dose rate sensitivity, ELDRS)的關(guān)鍵因素之一[1-6].不同的鈍化層材料對雙極器件是否具有ELDRS效應(yīng)有著很大的影響, 究其原因也是不同材料向器件中引入的H的含量不同[1-3].并且由于氫氣在當(dāng)今半導(dǎo)體集成電路制造和封裝工藝中無處不在[4], 部分芯片的封裝中含有濃度較高的氫氣(H2), 比如文獻(xiàn)[5,6]報(bào)道, 采用KOVAR殼封裝的芯片封裝腔中含有約1.2%—1.4%的氫氣, 認(rèn)為其來源是KOVAR上鍍金過程釋放的氣體.另外, 現(xiàn)有的雙極器件ELDRS效應(yīng)加速考核方法主要有高溫、變溫輻照以及變劑量率等輻照方法[7,8].針對氫可以使雙極器件輻射損傷增強(qiáng)的現(xiàn)象, 有學(xué)者提出氫氛圍中輻照的ELDRS效應(yīng)加速考核方法[9-11].所以研究氫氣對雙極器件輻照損傷的影響及其物理機(jī)理有著重要的意義.

國外針對氫氣對雙極器件的ELDRS效應(yīng)的影響進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和理論研究, 尤其是美國亞利桑那州立大學(xué)(ASU)和噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL),證明氫氣會直接影響雙極器件和電路的ELDRS效應(yīng)[5,6,12-14].但對其物理機(jī)理的研究存在著不同的觀點(diǎn), 文獻(xiàn)[13-15]認(rèn)為氫氣擴(kuò)散進(jìn)入器件氧化層后會與淺能級氧空位反應(yīng)形成淺能級的含H缺陷, 含H缺陷在輻照過程中俘獲空穴后釋放氫離子(H+), 使界面陷阱增多.文獻(xiàn)[12]提出的雙極器件ELDRS數(shù)值模型認(rèn)為, H2分子也會使得氧化層中含H缺陷增多, 并且會使電子空穴的直接復(fù)合系數(shù)減小.文獻(xiàn)[16]認(rèn)為氫氣進(jìn)入氧化層后會與帶正電的氧化物陷阱電荷反應(yīng), 直接釋放H+使界面陷阱增多.國內(nèi)對氫氣輻照實(shí)驗(yàn)及其物理機(jī)理研究得很少, 文獻(xiàn)[10]以3DG111型雙極晶體管為實(shí)驗(yàn)載體, 研究了氫氣浸泡后的輻照規(guī)律, 并用深能級瞬態(tài)譜儀(deep level transient spectroscopy,DLTS)探測器件中的微觀缺陷種類及密度, 認(rèn)為氫氣浸泡后輻照會使得雙極晶體管中產(chǎn)生能級較深的界面態(tài)和氧化物電荷, 但對氫氣進(jìn)入后具體反應(yīng)機(jī)理沒有提及.

可以看出, 國外對氫氣輻照實(shí)驗(yàn)以及機(jī)理研究很多, 氫氣對雙極器件影響的實(shí)驗(yàn)規(guī)律也基本一致, 但氫氣在氧化層中的反應(yīng)機(jī)制并沒有形成統(tǒng)一的認(rèn)識, 而國內(nèi)對這方面的研究很少.為了進(jìn)一步研究氫氣對雙極器件ELDRS效應(yīng)影響的物理機(jī)理, 本文基于柵控晶體管, 利用鈷源開展了氫氣浸泡后的輻照實(shí)驗(yàn)和未浸泡器件輻照后在氫氛圍中退火實(shí)驗(yàn), 對比了輻照前、輻照中、輻照后氫氣對柵控晶體管的輻射損傷及輻射感生產(chǎn)物的變化規(guī)律的影響, 給出氫氣對雙極器件輻照損傷規(guī)律的影響機(jī)制.另外, 通過建立包含氫氣相關(guān)反應(yīng)和H+產(chǎn)生機(jī)制的雙極器件ELDRS效應(yīng)數(shù)值模型, 驗(yàn)證了提出的氫氣反應(yīng)機(jī)制的正確性, 為氫氣對雙極器件ELDRS效應(yīng)影響研究和雙極器件在氫氛圍中輻照加速考核方法的建立提供了參考和理論支撐.

2 實(shí)驗(yàn)對象及方法

雙極器件中, 輻射產(chǎn)生的界面陷阱和氧化物陷阱電荷對器件電參數(shù)的影響是非線性的, 因此其輻射感生產(chǎn)物不容易分離.為了研究實(shí)驗(yàn)機(jī)理, 所用實(shí)驗(yàn)樣品為便于界面陷阱和氧化物陷阱電荷分離的柵控橫向PNP雙極晶體管(gated-lateral PNP transistors, GLPNP), 其二維結(jié)構(gòu)如圖1所示.與普通雙極PNP晶體管的區(qū)別是在基區(qū)氧化層上方添加了柵電極用于控制基區(qū)表面狀態(tài), 鈍化層為二氧化硅, 采用陶瓷封裝, 基區(qū)寬度為12 μm.

圖1 柵控橫向PNP雙極晶體管二維結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1.Two-dimensional cross section of the gated-lateral PNP transistors.

柵控晶體管的輻射感生產(chǎn)物可以用柵掃描法分離, 具體方法是在GLPNP晶體管柵極加掃描電壓, 使基區(qū)靠近SiO2表面從平帶逐漸過渡到耗盡,再到反型, 在這個(gè)過程中測量基極電流.基極電流最大值的變化與界面陷阱的平均密度變化量( Δ Nit)成正比, 而基極電流最大值對應(yīng)的柵壓變化量與氧化物陷阱電荷平均密度變化量( Δ Not)成正比[17].ΔNit和 Δ Not可通過下式計(jì)算[18]:

其中 Δ IB-peak為輻照前后基極電流最大值的變化量;ΔVpeak是輻照前后基極電流最大值對應(yīng)柵極電壓的變化量; VEB為發(fā)射結(jié)電壓; ni為Si半導(dǎo)體本征載流子濃度; Speak為基極電流最大時(shí)的基區(qū)耗盡層面積; vth為載流子熱速率; σ為載流子復(fù)合截面;Cox是單位面積上的柵電容; q, k, T分別為電子電荷量、玻爾茲曼常數(shù)和絕對溫度.

為了對比氫氣對不同狀態(tài)的柵控晶體管特性的影響, 分別進(jìn)行了兩個(gè)實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)1是為了觀察氫氣對器件輻照前和輻照過程中的影響, 其方案為: 選取10只GLPNP晶體管, 其中5只開蓋后在充滿100% H2的真空容器中浸泡60 h, 在浸泡前與浸泡后分別對樣品進(jìn)行測試, 取出后與另外5只未開蓋的GLPNP晶體管一起在鈷源上以5 rad(Si)/s的劑量率輻照至50 krad(Si), 在不同的總劑量點(diǎn)取出進(jìn)行離線測試.實(shí)驗(yàn)2是為了觀察氫氣對輻照后的晶體管特性的影響, 其方案是選取10只GLPNP晶體管, 在鈷源上以50 rad(Si)/s的劑量率輻照100 krad(Si).然后將器件分為兩組,第一組5只器件開蓋后放入充滿100% H2的真空容器中退火, 另外一組5只器件在空氣中退火, 兩組器件的退火溫度條件都是室溫20 ℃, 在不同時(shí)間點(diǎn)對器件的電參數(shù)進(jìn)行測量.

輻照和退火過程中所有器件管腳短接, 參數(shù)測試采用離線測試, 測試參數(shù)主要為器件在共射極時(shí)的基極、集電極電流曲線和柵掃描曲線.共射極偏置時(shí)的基極、集電極電流測試條件為: 發(fā)射極電壓VE= 2 V, 集電極電壓VC= 0 V, 柵極浮空,基極電壓VB從2 V掃描至1.0 V.柵掃描曲線測試條件為: VC= VB= 0 V, VE= 0.45 V, 柵極電壓VG從10 V掃描至—50 V, 測試時(shí)溫度均為室溫20 ℃.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 氫氣氛圍中浸泡后輻照實(shí)驗(yàn)

分別在氫氣中浸泡前和浸泡后對器件電參數(shù)進(jìn)行了測試, 結(jié)果顯示氫氣浸泡對未輻照的雙極晶體管特性沒有影響.圖2是在氫氣浸泡60 h后取出輻照與未浸泡直接輻照的晶體管歸一化放大倍數(shù)(β/β0)隨總劑量的變化曲線.可以看出, 隨輻照總劑量增加, 晶體管放大倍數(shù)減小, 說明輻照損傷增大.在輻照后每一個(gè)總劑量點(diǎn)下, 氫氣中浸泡的器件放大倍數(shù)要小于未浸泡器件, 即氫氣浸泡后會使得柵控晶體管輻照損傷增強(qiáng), 這也與國內(nèi)外文獻(xiàn)中報(bào)道的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象一致.

圖2 氫氣浸泡后與未浸泡條件下歸一化的晶體管放大倍數(shù)隨輻照總劑量的變化Fig.2.Comparison of β/β0 of transistors with/without soaking in 100% H2 under γ-ray irradiated.

GLPNP晶體管放大倍數(shù)的減小是由基極電流增大導(dǎo)致的, 而基區(qū)上方Si/SiO2界面附近的界面陷阱和氧化物陷阱電荷是使基極電流增大的主要因素[5].因此為了研究氫氣進(jìn)入晶體管中使輻照損傷增強(qiáng)的機(jī)理, 需要分離GLPNP中的界面陷阱和氧化物陷阱電荷.圖3是測量得到的氫氣浸泡與未浸泡器件的柵掃描曲線隨總劑量的變化.可以看出, 氫氣浸泡后輻照對柵控晶體管柵掃描曲線影響很大, 尤其是峰值大小.同一總劑量時(shí), 氫氣浸泡后的器件柵掃描曲線峰值要遠(yuǎn)大于未浸泡器件.圖4是利用柵掃描曲線和(1)式、(2)式分離出的界面陷阱和氧化物陷阱電荷面密度隨總劑量的變化曲線, 其中每條曲線均是5只器件的平均值.可以看出, 隨著總劑量增加, 輻照產(chǎn)生的界面陷阱和氧化物陷阱面密度都增大, 對應(yīng)的晶體管損傷現(xiàn)象是基極電流增大, 放大倍數(shù)減小.對比氫氣中浸泡與未浸泡器件, 發(fā)現(xiàn)氫氣浸泡后輻照產(chǎn)生的界面陷阱與未浸泡器件相比增多, 但氧化物陷阱電荷減少.而對于GLPNP器件, 界面陷阱對基極電流的影響占主導(dǎo)[19], 并且界面陷阱增加量要大于氧化物陷阱電荷的減少, 因此, 氫氣浸泡后器件的輻照損傷是增強(qiáng)的.

圖3 氫氣浸泡后與未浸泡條件下, 不同總劑量時(shí)的晶體管柵掃描曲線Fig.3.Gate sweep results from experiments with/without soaking in 100% H2 under γ-ray irradiated.

圖4 氫氣浸泡后與未浸泡條件下輻射感生產(chǎn)物面密度隨總劑量的變化 (a)界面陷阱; (b)氧化物陷阱電荷Fig.4.Radiation-induced increases in (a) interface traps and (b) oxide trapped charge with/without soaking in 100% H2 under γ-ray irradiated.

3.2 輻照后氫氣氛圍中退火實(shí)驗(yàn)

氫氣氛圍中退火實(shí)驗(yàn)是器件輻照結(jié)束后分別在氫氣中和空氣中退火, 對比退火參數(shù)的變化.圖5(a)和圖5(b)是兩組柵控晶體管輻照前、輻照至100 krad(Si)后分別在空氣中和氫氣中退火不同時(shí)間后的柵掃描曲線.可以看出, 圖5(a)中晶體管輻照后與輻照前相比柵掃描曲線峰值變化很大,但在空氣中退火不同時(shí)間幾乎沒有變化.而圖5(b)中晶體管柵掃描曲線不止在輻照前后變化明顯, 而且在氫氣中退火過程中柵掃描曲線峰值顯著增大,說明氫氣中退火會使柵控晶體管損傷增強(qiáng).

圖5 輻照前、輻照后、以及不同條件下退火后的晶體管柵掃描曲線 (a) 空氣中退火; (b) 氫氣中退火Fig.5.Gate sweep results of pre-irradiation, after-irradiation and annealing: (a) In air; (b) in H2.

圖6 是利用柵掃描曲線和(1)式、(2)式分離出的GLPNP基區(qū)Si/SiO2界面附近的界面陷阱和氧化層陷阱電荷面密度隨總劑量和退火時(shí)間的變化曲線.可以看出, 空氣中退火的器件界面陷阱與氧化物陷阱電荷面密度與剛輻照完相比變化不大, 但氫氣中退火的器件與剛輻照完相比, 界面陷阱顯著增多, 氧化物陷阱電荷減少.

圖6 輻射感生產(chǎn)物隨總劑量和不同條件下退火時(shí)間的變化 (a)界面陷阱; (b)氧化物陷阱電荷Fig.6.Radiation-induced increases in (a) interface traps and (b) oxide trapped charge under annealing in air or 100% H2 for 40 hours.

4 物理機(jī)理分析與仿真

雙極器件氧化層中的氧化物陷阱電荷主要是界面附近的 Voγ型氧空位俘獲空穴形成的深能級陷阱電荷.而界面陷阱是輻照或其他過程使氧化層中產(chǎn)生H+, H+輸運(yùn)到Si/SiO2界面附近與界面處的弱Si—H鍵反應(yīng), 使Si—H鍵斷裂, 形成一個(gè)帶正電的三價(jià)硅或缺陷[20], 因此H+的產(chǎn)生是使界面陷阱增多的重要因素.而氫氣浸泡后器件輻照損傷增強(qiáng)就是因?yàn)闅錃膺M(jìn)入氧化層后在輻照過程中會產(chǎn)生更多的H+, 從而產(chǎn)生更多界面陷阱.但是目前對氫氣在氧化層中產(chǎn)生H+的機(jī)理還沒有達(dá)成一致認(rèn)識.

氫氣浸泡后再輻照實(shí)驗(yàn)中, 輻照之前氫氣進(jìn)入對器件常規(guī)性能沒有影響, 但氫氣進(jìn)入后再輻照會使得界面陷阱增多, 氧化物陷阱電荷減少, 使器件輻照損傷增強(qiáng).氫氣氛圍中退火實(shí)驗(yàn)中, 柵控晶體管輻照結(jié)束后放入氫氣中退火會使得界面陷阱快速生長, 但氧化物陷阱電荷減少.對比兩個(gè)實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn), 在輻照前、輻照中、輻照后氫氣進(jìn)入晶體管所表現(xiàn)出的變化是不同的, 輻照前氫氣進(jìn)入并不會使晶體管性能發(fā)生改變, 但輻照過程中和輻照后氫氣進(jìn)入會使得晶體管性能惡化, 界面陷阱增多、氧化物陷阱電荷減少.區(qū)別是器件輻照之前, 氧化層中界面陷阱和氧化物陷阱電荷很少, 但輻照中或者輻照后氧化層中有大量的界面陷阱和氧化物陷阱電荷.因此, 氫氣浸泡導(dǎo)致柵控晶體管輻照損傷增強(qiáng)的機(jī)理可以由圖7來解釋, 圖7(a)中是輻照前氫氣進(jìn)入器件后大多數(shù)以分子狀態(tài)存在, 氧化層中氧空位也呈電中性; 輻照過程中產(chǎn)生的空穴有一部分會被 Voγ型氧空位俘獲產(chǎn)生深能級的陷阱電荷, 當(dāng)氧化層中產(chǎn)生的氧化物陷阱電荷足夠多時(shí), 氫氣會與之發(fā)生裂解反應(yīng), 生成含H缺陷并釋放H+, 如圖7(b)所示; 含H缺陷再俘獲空穴也會有一定概率放出H+, H+輸運(yùn)到界面使Si—H鍵斷裂從而產(chǎn)生界面陷阱, 如圖7(c)所示.如果氫氣進(jìn)入氧化層主要產(chǎn)生含H缺陷, 則氫氛圍中退火實(shí)驗(yàn)并不會表現(xiàn)出明顯的損傷增強(qiáng)現(xiàn)象.

圖7 氫氣氛圍中浸泡雙極器件損傷增強(qiáng)機(jī)理示意圖Fig.7.Schematic diagram of the damage mechansim of bipolar transistors in the hydrogen environment.

氫氣與氧化物陷阱電荷的反應(yīng)及界面陷阱生長反應(yīng)可以表示為

為了進(jìn)一步驗(yàn)證(3)式和(4)式的正確性, 本文在文獻(xiàn)[21]中所提低劑量輻射損傷增強(qiáng)效應(yīng)數(shù)值模型基礎(chǔ)之上, 又考慮了氫氣相關(guān)反應(yīng)和不同種類的含H缺陷對H+的貢獻(xiàn), 完善了數(shù)值模型.氧化層中H+的產(chǎn)生機(jī)制除了反應(yīng)(1)之外, 單H缺陷(即反應(yīng)(3)產(chǎn)物 VoγH )和雙H缺陷( VoγH2)俘獲空穴后也會釋放H+, 它們的相關(guān)反應(yīng)和對應(yīng)的反應(yīng)勢能如下式所示[22]:其中Ef和Er分別為該反應(yīng)的正向和逆向反應(yīng)勢能, 單位為eV, 利用反應(yīng)勢能可以計(jì)算出相應(yīng)的反應(yīng)系數(shù).數(shù)值模型詳細(xì)的參數(shù)和建模過程已在之前的工作中作了介紹[21], 其核心是建立電子、空穴、H+以及H2分子的連續(xù)性方程和空穴陷阱電荷、界面陷阱等的動態(tài)方程, 用反應(yīng)系數(shù)與反應(yīng)物濃度的乘積表示每種粒子的產(chǎn)生與消失項(xiàng), 加入輻照產(chǎn)生電子空穴對項(xiàng)和初始復(fù)合項(xiàng), 再建立氧化層中電場分布的泊松方程就可以仿真不同總劑量、氫氣濃度或者其他參數(shù)變化時(shí)的界面陷阱和氧化物陷阱電荷的面密度變化.

圖8所示是利用數(shù)值模型仿真得到的不同氫氣濃度條件下界面陷阱和氧化物陷阱電荷面密度隨總劑量的變化曲線.其中0.00001% H2濃度代表的是空氣中的氫氣濃度, 即沒有經(jīng)過氫氣浸泡的器件, 100% H2濃度表示的是上述實(shí)驗(yàn)中氫氣浸泡后的器件, 另外選取了1% H2濃度作為對比.從圖8可以看出, 界面陷阱和氧化物陷阱電荷面密度隨總劑量的變化趨勢與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致, 不同氫氣濃度對應(yīng)的曲線趨勢及數(shù)量級均與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致.并且隨著氧化層中氫氣濃度升高, 同一總劑量下的界面陷阱面密度增大, 而氧化物陷阱電荷面密度減小, 這也與氫氣浸泡實(shí)驗(yàn)中的現(xiàn)象一致.說明了本數(shù)值模型可以用來仿真解釋雙極器件中輻照損傷規(guī)律, 也進(jìn)一步說明了所提物理機(jī)理的正確性.

圖8 仿真得到的不同氫氣濃度下輻照感生面密度隨總劑量變化 (a)界面陷阱; (b)氧化物陷阱電荷Fig.8.Radiation-induced increases in (a) interface traps and (b) oxide trapped charge with different H2 density by simulation.

5 結(jié) 論

本文通過對柵控橫向PNP晶體管進(jìn)行氫氣中浸泡后輻照實(shí)驗(yàn)和輻照后氫氣氛圍中退火實(shí)驗(yàn), 給出了氫氣使雙極器件輻照損傷增強(qiáng)的物理機(jī)理, 并結(jié)合數(shù)值仿真進(jìn)行了驗(yàn)證.結(jié)果表明, 氫氣浸泡后輻照會使得界面陷阱增多, 氧化物陷阱電荷減少;輻照后在氫氛圍中退火也會使得界面陷阱快速生長, 氧化物陷阱電荷減少.但由于界面陷阱的增加和影響占主導(dǎo), 氫氣進(jìn)入會使柵控晶體管輻照損傷增強(qiáng).因此, 雙極器件氫氛圍中輻照的物理機(jī)理是氫氣會和輻照產(chǎn)生的深能級氧化物陷阱電荷反應(yīng),釋放出H+, H+輸運(yùn)至界面附近促進(jìn)界面陷阱的產(chǎn)生.基于該物理過程, 建立了包含氫氣相關(guān)反應(yīng)和其他H+產(chǎn)生機(jī)制的低劑量輻射損傷增強(qiáng)效應(yīng)數(shù)值模型, 仿真結(jié)果在數(shù)量級和趨勢上與實(shí)驗(yàn)規(guī)律相符, 進(jìn)一步明確了氫氣對雙極器件輻照損傷規(guī)律的影響機(jī)制, 研究成果為雙極器件總劑量及ELDRS效應(yīng)研究提供了參考.