雙極型晶體管總劑量效應(yīng)的統(tǒng)計(jì)特性*

李順 宋宇 周航 代剛 張健

1) (中國(guó)工程物理研究院微系統(tǒng)與太赫茲研究中心, 成都 610200)

2) (內(nèi)江師范學(xué)院物理與電子信息工程學(xué)院, 內(nèi)江 641112)

3) (電子科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院, 成都 611731)

4) (中國(guó)工程物理研究院電子工程研究所, 綿陽(yáng) 621000)

雙極型晶體管的總電離劑量輻照效應(yīng)主要體現(xiàn)在基極電流(IB)的退化, 其作用機(jī)理是電離輻射在SiO2中及Si/SiO2界面作用導(dǎo)致的氧化物陷阱電荷面密度(Not)和界面陷阱電荷面密度(Nit)的增長(zhǎng).本文基于定制設(shè)計(jì)的柵控橫向PNP晶體管, 開(kāi)展了大樣本、多劑量點(diǎn)的電離總劑量效應(yīng)實(shí)驗(yàn), 獲得了雙極型晶體管IB, Not, Nit的分散性及其隨總劑量變化的統(tǒng)計(jì)特性, 初步建立了晶體管損傷分散性與Not分散性的關(guān)聯(lián).該研究成果可以有效支撐雙極型電路輻射可靠性的機(jī)理研究與定量評(píng)估.

1 引 言

由于半導(dǎo)體器件制造過(guò)程中存在材料的不一致性和工藝的波動(dòng)性, 即便是同一廠商、同一批次的半導(dǎo)體器件, 其電學(xué)參數(shù)也具有樣本間分散性(sample-to-sample variability).這種分散性可以通過(guò)統(tǒng)計(jì)特性描述.半導(dǎo)體器件的分散性可分為自身因素導(dǎo)致的本征分散性 (intrinsic variability)和外部因素導(dǎo)致的外在分散性 (extrinsic variability)[1].自身因素是由器件之間原子級(jí)差異造成的, 主要來(lái)源包括摻雜分布、邊緣粗糙度和膜厚變化.外在因素的主要來(lái)源包括工藝波動(dòng)和不同位置、不同損耗、不同使用條件引起的器件性能波動(dòng)等[1].

運(yùn)算放大器等硅基雙極型器件是電子產(chǎn)品中常用的關(guān)鍵元器件.在衛(wèi)星等空間應(yīng)用條件下, 由于受到電離輻射, 會(huì)產(chǎn)生總電離劑量(total ionization dose, TID)效應(yīng).由于上述自身因素和外部因素的影響, 雙極器件的總劑量效應(yīng)也會(huì)呈現(xiàn)一定的分散性.文獻(xiàn)[2?10]研究了不同制造商、不同批次、不同晶圓、不同芯片、不同晶體管導(dǎo)致的雙極器件總劑量效應(yīng)的分散性.文獻(xiàn)[3]對(duì)總劑量輻照下電壓比較器LM111、LM211和LM311的輸入偏置電流的分散性進(jìn)行了研究, 發(fā)現(xiàn)不同制造廠家的效應(yīng)差距可達(dá)100倍之多.文獻(xiàn)[5]研究了108 A運(yùn)算放大器及其單管的批次間、晶圓間、芯片間分散性, 發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)測(cè)試更低層級(jí)器件獲得運(yùn)算放大器的良率.文獻(xiàn)[6, 7]對(duì)國(guó)家半導(dǎo)體(National Semiconductor)公司多種型號(hào)放大器的總劑量效應(yīng)分散性進(jìn)行了研究, 發(fā)現(xiàn)器件間分散性、晶圓間分散性顯著大于溝道間分散性.文獻(xiàn)[8]研究了多種放大器(LM111/LM124/OP-27/OP-484/RH1014/RH1056)批次間分散性受中子輻射的影響.我們最近的研究表明, NPN和PNP型雙極器件的中子-伽馬輻照協(xié)同效應(yīng)(irradiation synergistic effect)具有顯著的樣本間分散性, 該分散性支撐實(shí)現(xiàn)了協(xié)同效應(yīng)對(duì)初始位移損傷依賴性的自洽建模[11,12].雙極型器件的基本組成單元是雙極型晶體管, 其輻射分散性是器件統(tǒng)計(jì)特性的基礎(chǔ), 但當(dāng)前研究尚未深入到晶體管層次, 對(duì)晶體管總劑量效應(yīng)的統(tǒng)計(jì)特性及其來(lái)源缺乏清晰的認(rèn)識(shí).

本文基于雙極晶體管總劑量效應(yīng)的微觀機(jī)理,設(shè)計(jì)并制備了用于輻射敏感參數(shù)測(cè)試的柵控橫向PNP晶體管(gated lateral PNP, GLPNP), 開(kāi)展了大樣本晶體管的多劑量點(diǎn)總劑量輻照效應(yīng)實(shí)驗(yàn)和測(cè)試, 研究了晶體管基極電流(base current,IB)、氧化物陷阱電荷面密度(Not)、界面態(tài)陷阱電荷面密度(Nit)在總劑量輻射下的分散性及變化.研究獲得了晶體管及材料層級(jí)的總劑量效應(yīng)統(tǒng)計(jì)特性,分析了總劑量效應(yīng)分散性的晶體管-材料關(guān)聯(lián), 從電離缺陷的微觀角度解釋了晶體管總劑量效應(yīng)分散性的物理起源.

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

雙極型晶體管總劑量效應(yīng)主要體現(xiàn)在基極電流(IB)的退化, 其微觀作用機(jī)理為電離輻射在SiO2材料中和Si/SiO2界面上作用積累的氧化物陷阱電荷面密度和界面態(tài)陷阱電荷面密度的變化[13,14].為了研究晶體管IB總劑量效應(yīng)分散性的微觀起源,我們?cè)O(shè)計(jì)并制備了GLPNP晶體管結(jié)構(gòu).GLPNP的結(jié)構(gòu)和參數(shù)如圖1和表1所示.其主要結(jié)構(gòu)為橫向PNP晶體管, 并在基區(qū)上覆蓋一個(gè)金屬電極, 從而可以施加?xùn)艠O電壓.通過(guò)改變柵極電壓調(diào)節(jié)基區(qū)表面勢(shì), 可以使得表面實(shí)現(xiàn)反型、積累、耗盡等狀態(tài), 從而實(shí)現(xiàn)P型金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(PMOSFET)的柵控特性.通過(guò)該柵控結(jié)構(gòu)的柵掃描(gate sweep curve, GS)曲線和亞閾值掃描(sub-threshold sweep, DS)曲線的測(cè)試可獲得與IB對(duì)應(yīng)的Not和Nit的大小[15?17], 從而探索晶體管基極電流分散性和缺陷面密度分散性的關(guān)聯(lián).

圖1 GLPNP器件的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1.Structure of the GLPNP transistor.

表1 GLPNP的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)Table 1.Structure parameters of the GLPNP transistor.

選取同一批次的GLPNP共40只, 在0.6 krad(Si), 2.6 krad(Si), 4.0 krad(Si), 7.4 krad(Si), 10.8 krad(Si)等5個(gè)總劑量點(diǎn)進(jìn)行序貫電離輻射實(shí)驗(yàn).輻射源為北京大學(xué)的60Co裝置, 中心劑量率大于300 rad(Si)/s.為了保證40個(gè)樣本試驗(yàn)劑量率的均勻性, 將每4只單管封裝在一起(雙排直插), 并將10個(gè)封裝疊成三排嵌入輻照板內(nèi), 在離輻射源較遠(yuǎn)的位置進(jìn)行輻照, 劑量率為3.4 rad(Si)/s.此時(shí), 40只單管幾乎分布在以輻射源為中心的圓弧上, 從而保證劑量率的均勻性.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中器件所有管腳空載, 輻照到上述劑量點(diǎn)后進(jìn)行離線測(cè)試.通過(guò)測(cè)試Gummel特性曲線(即基極、集電極零偏, 發(fā)射結(jié)施加正偏掃描電壓)獲得GLPNP基極電流大小隨基區(qū)-發(fā)射極電壓(VBE)的變化規(guī)律,讀取VBE= 0.6 V時(shí)基極電流數(shù)值, 記錄為IB.輻射感生缺陷面密度Not與Nit的提取從GS和DS曲線上獲得.GS曲線的測(cè)試方法為固定發(fā)射結(jié)電壓為0.5 V, 集電極與基極均零偏, 柵極電壓從5 V掃描到–40 V.此時(shí), GS曲線上峰值電流對(duì)應(yīng)的柵極電壓為平帶電壓, 該電壓在輻照前后的變化即為Not導(dǎo)致的柵壓變化[17].由于在輻照過(guò)程中同時(shí)釋放和湮滅質(zhì)子, 質(zhì)子處于準(zhǔn)平衡狀態(tài), 其濃度在該測(cè)試結(jié)果中的比重很小, 可以忽略.DS曲線即PMOSFET對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)移特性曲線.固定發(fā)射結(jié)電壓1 V, 其余電極零偏, 柵壓從5 V掃描到–40 V,獲得轉(zhuǎn)移特性曲線.從各個(gè)劑量點(diǎn)的轉(zhuǎn)移特性曲線上提取閾值電壓的變化值, 該差值即為Not和Nit共同導(dǎo)致的閾值電壓漂移總量[15,16].該值減去前面求得的Not導(dǎo)致的平帶電壓漂移量, 可獲得Nit導(dǎo)致的閾值電壓漂移量, 即實(shí)現(xiàn)Not與Nit的分離測(cè)試.輻照、測(cè)試的實(shí)驗(yàn)溫度均為室溫.包含跳線在內(nèi), 完成一只器件的以上所有測(cè)試大約需要60 s,完成所有40只器件的所有測(cè)試的時(shí)間在一個(gè)小時(shí)以內(nèi).這種測(cè)試符合GJB548B/MIL-STD-883G關(guān)于總劑量輻照實(shí)驗(yàn)的要求.另外, 李興冀等[18]的研究結(jié)果表明128天的室溫退火也僅造成很小的Not退火, 且不同于氧化物陷阱電荷, 界面陷阱在室溫下不退火[19].因此, 不同樣本間的不同測(cè)試時(shí)間間隔不會(huì)導(dǎo)致顯著的樣本間分散性.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析

3.1 基極電流的統(tǒng)計(jì)特性分析

實(shí)驗(yàn)獲得的不同總劑量條件下40只GLPNP樣本的基極電流的統(tǒng)計(jì)分布見(jiàn)圖2.可以看到, 基極電流的分布是不對(duì)稱的.當(dāng)總劑量較小時(shí), 較多的樣本分布在中值的右側(cè); 總劑量較大時(shí), 較多的樣本分布在中值的左側(cè).對(duì)于4.0 krad(Si)的總劑量, 分布基本對(duì)稱.研究發(fā)現(xiàn)這些分布均滿足對(duì)數(shù)正態(tài)分布(lognormal distribution)[20], 其概率密度函數(shù)(probability distribution function)為

其中,μ為中位數(shù),σ為標(biāo)準(zhǔn)差,A為歸一化常數(shù).擬合曲線如圖2中紅線所示, 可見(jiàn)擬合度較高.擬合獲得的μ和σ分別畫為圖3(a)和圖3(b)中的黑點(diǎn).我們也分析了輻照前基極電流的統(tǒng)計(jì)特性, 其大小滿足高斯正態(tài)分布.

圖3 分布參數(shù) (a) μ 和 (b) σ 隨總劑量的變化規(guī)律Fig.3.Statistical parameters (a) μ and (b) σ as a function of the total dose.

由圖2可以看出, 不同總劑量條件下基極電流均滿足對(duì)數(shù)正態(tài)分布, 但分布的具體參數(shù)隨總劑量的增大發(fā)生了變化.其中分布中位數(shù)μ隨總劑量增大而單調(diào)增大, 初始階段呈現(xiàn)亞線性增長(zhǎng)趨勢(shì), 分布標(biāo)準(zhǔn)差σ隨總劑量增大表現(xiàn)出振蕩行為.

圖2 不同總劑量條件下GLPNP基極電流的分布特性Fig.2.Statistical characteristics of the base current of GLPNP under different total doses as indicated in each subfigure.

3.2 基極電流分散性的起源分析

以往的研究表明, 電離輻射造成的晶體管基極電流有兩個(gè)分量[21,22], 一個(gè)是空間電荷區(qū)表面的復(fù)合電流, 一個(gè)是中性基區(qū)表面的復(fù)合電流.前者起源于發(fā)射極-基極(EB)結(jié)空間電荷區(qū)表面Nit對(duì)載流子的復(fù)合作用, 表達(dá)式為[21,23]

后者起源于中性基區(qū)表面的載流子復(fù)合作用, 其表達(dá)式為[22,23]

其中, ?s(s–1)是Nit(cm–2)造成的表面復(fù)合速率[24,25];PE(cm)是發(fā)射極周長(zhǎng);Em(V/cm)是E-B結(jié)空間電荷區(qū)的最大電場(chǎng), 大小由表面電荷濃度ns(cm–2)決定;ns的大小由Not(cm–2)唯一決定[22];WB(cm)是發(fā)射極到集電極之間的寬度.電離誘導(dǎo)基極復(fù)合電流是表面電勢(shì)ψs的函數(shù)[23].

從該模型可以看出, GLPNP基極電流的總劑量效應(yīng)分散性可以起源于多種因素.電離缺陷方面,Not(決定ns和Em)和Nit(決定 ?s)可能由于氧化物和界面中缺陷前驅(qū)體初始濃度及分布的不同、氫分子濃度的不同[26], 表現(xiàn)出顯著的分散性,從而造成基極電流的統(tǒng)計(jì)特性; 器件結(jié)構(gòu)和摻雜方面, 由于制備工藝, 基區(qū)摻雜濃度、基區(qū)寬度等可能存在樣本間分散性, 也造成基極電流的樣本間分散性和統(tǒng)計(jì)特性.本工作重點(diǎn)關(guān)注電離缺陷的影響, 通過(guò)GLPNP測(cè)試獲得Not和Nit的統(tǒng)計(jì)特性,從而探索它們對(duì)IB統(tǒng)計(jì)特性的貢獻(xiàn).

3.3 電離缺陷的統(tǒng)計(jì)特性及其與基極電流的關(guān)聯(lián)分析

與圖2中IB對(duì)應(yīng)的Not,Nit分布如圖4和圖5所示.圖4和圖5中的(a)—(e)分別為不同總劑量條件下40只晶體管的實(shí)驗(yàn)結(jié)果, 注意圖5中Nit的單位是109cm–2, 不同于圖4 中Not的單位(1010cm–2).研究發(fā)現(xiàn),Not和Nit兩類缺陷的面密度也滿足對(duì)數(shù)正態(tài)分布, 隨總劑量增大,Not,Nit的對(duì)數(shù)正態(tài)分布形貌未發(fā)生變化, 但分布參數(shù)發(fā)生變化.為方便對(duì)比, 刻畫分布的中位數(shù)μ和標(biāo)準(zhǔn)差σ也畫在圖3中, 見(jiàn)紅點(diǎn)(Not)和藍(lán)點(diǎn)(Nit).輻照前的Nit滿足高斯正態(tài)分布, 由于所用樣品電容過(guò)小,無(wú)法獲得輻照前Not的數(shù)值.

圖4 不同總劑量條件下Not的分布特性Fig.4.Statistical characteristics of Not under different total dose irradiations.

圖5 不同總劑量條件下Nit分布特性Fig.5.Statistical characteristics of Nit under different total dose irradiations.

從圖3可以觀察到幾個(gè)重要信息.第一,Not比Nit大若干倍, 表明該劑量率下GLPNP中的電離缺陷以氧化物陷阱電荷為主, 氧化物陷阱電荷向界面陷阱電荷的轉(zhuǎn)化較少.當(dāng)劑量率下降時(shí),Nit所占比重會(huì)逐漸增大, 甚至超過(guò)Not的比重[27].第二,兩類缺陷面密度的統(tǒng)計(jì)中位數(shù)μ均隨總劑量增大而單調(diào)增大.不同的是,Not中位數(shù)的增長(zhǎng)是亞線性的,Nit中位數(shù)的增長(zhǎng)表現(xiàn)出輕微的超線性.兩種不同的非線性起源于非晶二氧化硅中Not產(chǎn)生與Not-Nit轉(zhuǎn)化兩種機(jī)制的相互作用[27].該作用造成一個(gè)非單調(diào)的干涉項(xiàng).在Not中該項(xiàng)為正, 導(dǎo)致Not呈現(xiàn)出對(duì)總劑量的亞線性依賴; 在Nit中該項(xiàng)為負(fù),使得Nit表現(xiàn)出對(duì)總劑量的超線性依賴[27].第三,兩類缺陷的統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差σ隨總劑量變化呈現(xiàn)非常不同的特性.Not的統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差隨總劑量增大而振蕩, 而Nit的統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差隨總劑量增大幾乎單調(diào)增大.

可以通過(guò)對(duì)比IB,Not,Nit的統(tǒng)計(jì)特性來(lái)分析晶體管基極電流分散性與氧化物電離缺陷分散性之間的關(guān)聯(lián).在圖3中可以清楚地看到, 統(tǒng)計(jì)中位數(shù)方面,IB對(duì)總劑量的亞線性依賴與Not的依賴性相同, 而與Nit的超線性依賴不相同.同時(shí), 統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差方面,IB隨總劑量振蕩的行為與Not的行為非常相似, 而非常不同于Nit的單調(diào)增長(zhǎng)行為.這些強(qiáng)烈關(guān)聯(lián)的行為意味著在本文研究的對(duì)象和劑量率條件下,IB主要起源于Not的貢獻(xiàn), 因而IB的分散性主要由Not的分散性決定.Not的大小主要由缺陷前驅(qū)體的濃度決定, 因而可以通過(guò)控制缺陷前驅(qū)體濃度的分散性來(lái)保證IB的樣本間均一性, 從而生產(chǎn)高質(zhì)量的雙極器件.

4 結(jié) 論

本文對(duì)雙極型晶體管總劑量效應(yīng)的統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行了研究, 基于同批次、多樣本定制柵控晶體管的多總劑量點(diǎn)伽馬輻照實(shí)驗(yàn)獲得了器件基極電流大小、氧化物陷阱電荷面密度、界面陷阱電荷面密度的對(duì)數(shù)正態(tài)分布特性, 以及統(tǒng)計(jì)中位數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差隨總劑量增長(zhǎng)的變化規(guī)律.研究發(fā)現(xiàn), 基極電流總劑量效應(yīng)的統(tǒng)計(jì)特性與氧化物陷阱電荷的統(tǒng)計(jì)特性存在很強(qiáng)的相似性和關(guān)聯(lián), 而與界面陷阱電荷的統(tǒng)計(jì)特性非常不同, 意味著在本文研究的對(duì)象和劑量率條件下,IB主要起源于Not的貢獻(xiàn), 因而IB的分散性主要由Not的分散性決定.該研究成果將微電子器件輻射分散性的研究深入到晶體管和材料層次, 可以有效支撐基于物理模型的輻射可靠性機(jī)理研究與定量評(píng)估.