硅外延平面NPN雙極晶體管的總劑量輻射損傷缺陷研究

彭 超，雷志鋒，張 鴻，張戰(zhàn)剛，何玉娟

(工業(yè)和信息化部電子第五研究所 電子元器件可靠性物理及其應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 511370)

雙極型器件具有電流驅(qū)動(dòng)能力好、線性度高、噪聲低、匹配特性好等優(yōu)點(diǎn)，其在模擬集成電路、混合信號(hào)集成電路及超高速射頻集成電路中取得了廣泛應(yīng)用。上述優(yōu)勢(shì)也使得雙極線性電路(如運(yùn)算放大器、比較器、電壓調(diào)整器等)大量應(yīng)用于空間電子學(xué)系統(tǒng)。但雙極晶體管在空間應(yīng)用時(shí)會(huì)面臨惡劣的輻射環(huán)境?？臻g高能輻射粒子會(huì)在雙極晶體管的氧化層中沉淀能量，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，并最終導(dǎo)致氧化層陷阱電荷和界面陷阱的產(chǎn)生[1-2]。這些輻射誘生缺陷作為復(fù)合中心，直接引起了雙極晶體管性能的退化[3-5]。雖然雙極晶體管的總劑量效應(yīng)研究已開展多年，但大多研究均只基于宏觀電特性退化開展輻射損傷機(jī)理分析，對(duì)直接引起器件性能退化的缺陷特性的研究較少[6-8]。深能級(jí)瞬態(tài)譜(deep level transient spectroscopy, DLTS)是檢測(cè)半導(dǎo)體材料中深能級(jí)陷阱最有效的方法之一[9-10]。其檢測(cè)靈敏度可達(dá)半導(dǎo)體材料摻雜濃度的萬分之一甚至更低，能獲取多數(shù)或少數(shù)載流子陷阱的大量信息，如陷阱能級(jí)位置、陷阱密度和俘獲截面等。DLTS較適用于肖特基結(jié)、PN結(jié)等簡單結(jié)構(gòu)的陷阱測(cè)試[11-12]。通過在測(cè)試結(jié)構(gòu)兩端施加快速變化的脈沖偏壓，監(jiān)測(cè)空間電荷區(qū)電容的瞬態(tài)變化即可實(shí)現(xiàn)陷阱的測(cè)試。本文針對(duì)未加固和加固的硅外延平面雙極晶體管分別開展總劑量輻照試驗(yàn)，結(jié)合輻照試驗(yàn)后的常規(guī)電特性測(cè)試和DLTS缺陷特性測(cè)試研究雙極晶體管輻射損傷退化機(jī)理，為雙極晶體管的抗輻射加固提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)樣品及試驗(yàn)條件

圖1 試驗(yàn)選用的硅外延平面NPN三極管結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Cross-section of NPN transistor used in our experiment

本文選取了兩款結(jié)構(gòu)相同的硅外延平面NPN三極管作為試驗(yàn)樣品。其器件結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中一款器件相對(duì)另一款器件做了抗輻射加固處理，改善了基區(qū)表面狀態(tài)。總劑量輻照試驗(yàn)在北京大學(xué)進(jìn)行，采用國際通用的60Co γ射線作為實(shí)驗(yàn)室模擬輻射源。試驗(yàn)選用的劑量率為0.1 rad(Si)/s，輻照總劑量為50 krad(Si)。輻照過程中，器件選取了兩種不同的偏置條件(表1)。

表1 總劑量輻照試驗(yàn)器件偏置狀態(tài)Table 1 Bias condition of NPN transistors during TID irradiation

在輻照前、后分別開展器件的Gummel曲線和DLTS測(cè)試。Gummel曲線的測(cè)試條件為：發(fā)射極接掃描電壓，從-0.2 V掃描至-0.8 V，基極和集電極均接地。深能級(jí)陷阱測(cè)量采用PhysTech公司的FT1230 HERA-DLTS測(cè)試系統(tǒng)，重點(diǎn)針對(duì)NPN三極管的發(fā)射結(jié)開展深能級(jí)瞬態(tài)譜測(cè)試和分析，獲取其缺陷特性。測(cè)試過程中P型基極接低電位，N型集電極接高電位。DLTS測(cè)試過程中設(shè)定的主要參數(shù)為：反向偏壓VR=1 V，脈沖電壓VP=-0.2 V，測(cè)試周期TW=0.3 s，脈沖寬度TP=10 ms，掃描溫度50～450 K。在溫度掃描時(shí)，可同時(shí)測(cè)試不同溫度下發(fā)射結(jié)的C-V和I-V曲線。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 輻射導(dǎo)致的三極管電性能退化

圖2顯示了不同偏置輻照前后NPN型雙極晶體管基極電流Ib和集電極電流Ic隨電壓的變化關(guān)系(Gummel曲線)。由圖2a可知，對(duì)于未加固器件，反偏輻照會(huì)導(dǎo)致NPN晶體管基極電流增加。另外，當(dāng)發(fā)射結(jié)電壓|VEB|較小時(shí)，Ib增加量較大；當(dāng)發(fā)射結(jié)電壓|VEB|較大時(shí)，Ib增加量減小。當(dāng)|VEB|=0.5 V時(shí)，Ib由輻照前的8.82×10-8A變?yōu)?.67×10-7A，增加了316%；當(dāng)|VEB|=0.4時(shí)，Ib由輻照前的3.31×10-9A變?yōu)?.47×10-8A，增加了1個(gè)數(shù)量級(jí)。NPN晶體管的基極電流Ib可表示為：

Ib=IpE+IrE+IrB-ICBO

(1)

式中：IpE為發(fā)射結(jié)空穴擴(kuò)散電流；IrE為發(fā)射結(jié)復(fù)合電流；IrB為基區(qū)電子復(fù)合電流；ICBO為集電結(jié)反向飽和電流。IpE取決于發(fā)射結(jié)面積、發(fā)射區(qū)寬度、空穴擴(kuò)散系數(shù)等參數(shù)；ICBO和集電結(jié)面積、集電結(jié)空穴擴(kuò)散系數(shù)、集電區(qū)寬度等參數(shù)有關(guān)。這些參數(shù)受輻射的影響較小，因此基極電流中的IpE和ICBO成分受輻射的影響也較小。但I(xiàn)rE和IrB這兩個(gè)復(fù)合電流分量反比于少數(shù)載流子壽命。輻射誘生的缺陷會(huì)顯著降低少數(shù)載流子壽命，從而導(dǎo)致復(fù)合電流成分的增加。由式(1)可知，輻射導(dǎo)致的發(fā)射結(jié)復(fù)合電流或基區(qū)復(fù)合電流增加是基極電流增加的主要原因。

a——未加固器件反偏；b——未加固器件零偏；c——加固器件反偏；d——加固器件零偏圖2 不同偏置輻照前后基極電流Ib和集電極電流Ic隨電壓VEB的變化關(guān)系Fig.2 Ib and Ic as a function of VEB before and after irradiation

此外，NPN晶體管的集電極電流Ic可表示為：

Ic=InC+ICBO

(2)

式中，InC為集電結(jié)電子擴(kuò)散電流。InC和ICBO成分受輻射的影響均較小，這可解釋輻射前后NPN晶體管的集電極電流變化較小。

電離輻射會(huì)在三極管的鈍化氧化層中電離產(chǎn)生大量的電子-空穴對(duì)，其中氧化層中的電子遷移率要遠(yuǎn)大于空穴，因此電子在電場(chǎng)的作用下快速地移出氧化層。空穴的遷移速率小，其緩慢地向Si/SiO2界面移動(dòng)并最終被界面附近的氧空位缺陷俘獲，形成帶正電的氧化物陷阱電荷。另外，在空穴向界面移動(dòng)過程中，還會(huì)導(dǎo)致界面處Si—H鍵斷裂，形成界面態(tài)陷阱電荷[13-14]。這兩種缺陷的產(chǎn)生都會(huì)使表面復(fù)合速率增加，引起復(fù)合電流增大，從而導(dǎo)致基極電流增加。另外，在VBE偏壓較小時(shí)，復(fù)合電流成分對(duì)基極電流的貢獻(xiàn)更大。這也可解釋在低VBE偏壓下觀察到了更明顯的基極電流增加。對(duì)于零偏輻照，同樣觀察到了NPN晶體管基極電流的增加，如圖2b所示。但零偏狀態(tài)下器件基極電流的退化程度要小于反偏輻照。當(dāng)|VEB|=0.5時(shí)，50 krad(Si)輻照使Ib由輻照前的7.23×10-8A增加為1.80×10-7A，增長了149%?？梢?，偏置狀態(tài)是影響氧化層中輻射損傷形成的一個(gè)重要因素。零偏狀態(tài)下，氧化層中的電場(chǎng)強(qiáng)度很低。研究表明，對(duì)于總劑量輻照，輻射導(dǎo)致的氧化層陷阱電荷和界面態(tài)密度均正比于輻照過程中氧化層的電場(chǎng)。偏置電場(chǎng)的降低，導(dǎo)致氧化層中陷阱電荷密度的降低，因此對(duì)基極電流和集電極電流的影響也降低。

加固工藝的采用可有效改善NPN晶體管的抗輻照特性，如圖2c、d所示。在反偏輻照狀態(tài)下，當(dāng)|VEB|=0.5時(shí)，加固器件的基極電流Ib由輻照前的7.51×10-8A增加為1.19×10-7A，增加了58.4%；而對(duì)于零偏輻照，當(dāng)|VEB|=0.5時(shí)，加固器件的基極電流Ib比輻照前增加了31.1%。輻照后基極電流的退化要明顯小于未加固器件。

由Gummel特性曲線，可得到輻照前后未加固雙極晶體管電流增益隨電壓的變化關(guān)系，如圖3所示。其中電流增益可表示為：

(3)

輻照會(huì)導(dǎo)致NPN晶體管電流增益的明顯退化。對(duì)于反偏輻照，對(duì)應(yīng)|VEB|=0.65時(shí)電流增益由輻照前的89減小為53，降低了40.4%；對(duì)于零偏輻照，對(duì)應(yīng)|VEB|=0.65時(shí)電流增益由輻照前的78減小為57，降低了26.9%。電流增益隨偏置狀態(tài)的退化規(guī)律與基極電流的退化規(guī)律一樣，即反偏是比零偏最惡劣的偏置狀態(tài)。對(duì)于加固器件，也觀察到了較為明顯的電流增益退化，達(dá)到了23.8%。

圖3 輻照前后未加固雙極晶體管電流增益β隨電壓VEB的變化關(guān)系Fig.3 Current gain as a function of VEB for unhardened device before and after irradiation

圖4示出了不同偏置輻照后，過?；鶚O電流ΔIb隨電壓的變化。過?；鶚O電流定義為輻照前后雙極晶體管基極電流的變化量[15]，即：

ΔIb=Ib,rad-Ib,pro

(4)

式中，Ib,pro和Ib,rad分別為輻照前后的基極電流。過?；鶚O電流可由下式表示：

(5)

式中：Ki為常數(shù)；Di為總電離劑量；k為玻爾茲曼常數(shù)；T為溫度；n為理想因子；VEB為發(fā)射極-基極結(jié)偏壓。根據(jù)之前的分析，ΔIb主要來自發(fā)射結(jié)或基區(qū)的復(fù)合電流增加。理想情況下，在輻照過程中，若過?；鶚O電流以發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)的復(fù)合電流為主，則理想因子n=2；若過?；鶚O電流來源于空間電荷區(qū)及中性基區(qū)的復(fù)合電流，則理想因子1

如圖4所示，在兩種不同偏置下晶體管ΔIb隨VEB變化曲線的理想因子n介于1～2之間。因此，輻射導(dǎo)致的ΔIb是由發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)和中性基區(qū)的復(fù)合電流共同引起的。輻照在鈍化氧化層中引入的大量界面態(tài)，會(huì)導(dǎo)致空間電荷區(qū)的表面復(fù)合電流增加，進(jìn)而產(chǎn)生過?；鶚O電流。對(duì)于NPN三極管，位于p型基區(qū)上方氧化層中的氧化物正陷阱電荷的累積會(huì)導(dǎo)致基區(qū)耗盡，Si/SiO2界面附近少子濃度增加，增加表面復(fù)合率，同樣會(huì)導(dǎo)致基極電流的增加。

圖4 不同偏置輻照后過剩基極電流ΔIb隨電壓VEB的變化Fig.4 ΔIb as a function of VEB after different biases irradiation

圖5顯示了輻照前后不同溫度下的發(fā)射結(jié)I-V曲線。1個(gè)明顯的特征是輻照導(dǎo)致發(fā)射結(jié)反向飽和電流的增加。當(dāng)溫度為150 K時(shí)，輻照前對(duì)應(yīng)0.5 V反向電壓的發(fā)射結(jié)反向電流為2.42×10-11A，輻照后為2.16×10-10A；當(dāng)溫度為450 K時(shí)，輻照前對(duì)應(yīng)0.5 V反向電壓的發(fā)射結(jié)反向電流為7×10-11A，輻照后為2.43×10-10A。輻照導(dǎo)致發(fā)射結(jié)反向電流增加了1個(gè)數(shù)量級(jí)。對(duì)于發(fā)射結(jié)(n+p)，其反向飽和電流[16]可表示為：

(6)

其中，JD和JG分別為反向飽和電流中的擴(kuò)散電流和產(chǎn)生電流成分。由上式可知，反向電流中的擴(kuò)散電流成分反比于載流子的擴(kuò)散長度Ln，而擴(kuò)散長度又正比于載流子壽命。輻射感生缺陷導(dǎo)致少子壽命的降低，最終導(dǎo)致擴(kuò)散電流增加。此外，輻射缺陷會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生電流增加。綜上所述，輻射使擴(kuò)散電流和產(chǎn)生電流成分均增加，最終導(dǎo)致了發(fā)射結(jié)反向飽和電流增加。

圖5 不同溫度下未加固器件的發(fā)射結(jié)I-V曲線Fig.5 I-V curves of emitter for unhardened device under different temperatures

由圖5還可看到，輻照前反向飽和電流受溫度的影響較大，而在輻照后反向飽和電流受溫度的影響明顯減小。反向飽和電流中的JD和JG與溫度T的關(guān)系如下：

(7)

(8)

2.2 輻射導(dǎo)致的缺陷特性變化

圖6顯示了經(jīng)不同偏置輻照前后NPN雙極晶體管的深能級(jí)瞬態(tài)譜的結(jié)果。圖中信號(hào)峰對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)溫度反映了深能級(jí)缺陷的能級(jí)位置，而縱坐標(biāo)高度對(duì)應(yīng)于深能級(jí)瞬態(tài)譜信號(hào)強(qiáng)度。由圖6可見，在輻照前后的NPN晶體管的深能級(jí)瞬態(tài)譜中均出現(xiàn)了1個(gè)明顯的負(fù)信號(hào)峰。缺陷信號(hào)峰所在的溫度范圍為350～450 K之間，其對(duì)應(yīng)1個(gè)少子陷阱中心。輻照會(huì)導(dǎo)致該負(fù)信號(hào)峰峰值強(qiáng)度變大且向左移動(dòng)，即缺陷的密度和能級(jí)位置會(huì)發(fā)生變化。

提取圖6中DLTS信號(hào)峰峰值對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度和溫度，基于阿倫尼烏斯方程進(jìn)行擬合，可計(jì)算得出輻照前后NPN晶體管的缺陷信息(包括缺陷能級(jí)和缺陷密度)，結(jié)果在圖7和表2給出。對(duì)于未加固器件，輻照前器件內(nèi)的少子缺陷能級(jí)位置約為ET-EV=0.667 eV；經(jīng)過反偏輻照后缺陷能級(jí)大約為ET-EV=0.533 eV。輻照后缺陷能級(jí)位置變深，更接近Si禁帶中心。同時(shí)，輻照還會(huì)導(dǎo)致缺陷密度的增加。對(duì)于反偏輻照的情況，輻照使缺陷密度由輻照前的1.50×1014cm-3增加為2.39×1014cm-3。根據(jù)肖克萊-里德-霍爾模型可知，缺陷對(duì)器件電參數(shù)的影響取決于缺陷能級(jí)位置和缺陷密度。

圖7 阿倫尼烏斯方程擬合曲線Fig.7 Arrhenius equation fitting curve

表2 根據(jù)DLTS測(cè)試結(jié)果提取的缺陷信息Table 2 Traps information extracted from DLTS results

缺陷能級(jí)越接近禁帶中心的缺陷復(fù)合效率越高，對(duì)器件造成的損傷越大。缺陷密度越高，其損傷也越大。因此，晶體管輻射損傷的程度由缺陷能級(jí)和缺陷密度綜合作用的效果而定。對(duì)于未加固的器件可得到的結(jié)論是：輻照會(huì)導(dǎo)致NPN晶體管中原生缺陷的密度增加和缺陷能級(jí)變深，其效果均會(huì)導(dǎo)致器件電學(xué)性能退化。

對(duì)于加固器件，沒有觀察到能級(jí)為EV+0.667 eV的深能級(jí)缺陷。輻照前，其缺陷能級(jí)位置大約為EV+0.954 eV。該缺陷接近導(dǎo)帶位置，為淺能級(jí)，對(duì)器件性能的影響較小。加固器件在輻照后同樣觀察到了缺陷能級(jí)的變深，但缺陷密度沒有表現(xiàn)出明顯的退化。對(duì)于加固器件，由于改善了基區(qū)表面狀態(tài)，調(diào)整了基區(qū)表面濃度，電離輻射誘生的缺陷能級(jí)位置均更遠(yuǎn)離禁帶中央，使得復(fù)合率降低，從而導(dǎo)致輻照后器件性能退化減弱。

3 結(jié)論

本文基于60Co γ射線輻照研究了國產(chǎn)NPN雙極晶體管的輻射損傷機(jī)理。輻照導(dǎo)致的雙極晶體管性能退化主要表現(xiàn)為基極電流增加和電流增益降低。在低的發(fā)射結(jié)偏壓下，觀察到了更明顯的基極電流增加。這表明基極電流的退化主要來源于發(fā)射結(jié)復(fù)合電流的增加，而復(fù)合電流的增加又來源于輻射導(dǎo)致的額外的氧化層缺陷。對(duì)比不同偏置下的試驗(yàn)結(jié)果，NPN晶體管在反向偏置下出現(xiàn)了比零偏下更惡劣的退化。NPN管發(fā)射結(jié)的缺陷測(cè)試結(jié)果表明，輻射會(huì)導(dǎo)致缺陷密度的增加和缺陷能級(jí)的改變。通過對(duì)比加固器件和非加固器件的DLTS測(cè)試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)其原生缺陷存在較大差異。通過改善器件的缺陷狀態(tài)，可提高器件的抗輻射性能。