氧化層厚度對NPN雙極管輻射損傷的影響

席善斌 陸 嫵 王志寬 任迪遠(yuǎn) 周 東 文 林 孫 靜

1（新疆電子信息材料與器件重點(diǎn)實驗室，中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所 烏魯木齊 830011）

2（中國科學(xué)院研究生院 北京 100049）

3（模擬集成電路國家重點(diǎn)實驗室 重慶 400060）

1991年Enlow等發(fā)現(xiàn)某些雙極晶體管具有低劑量率輻射損傷增強(qiáng)效應(yīng)(enhanced low dose rate sensitivity, ELDRS)，具體表現(xiàn)為雙極器件和集成電路的低劑量率輻射損傷明顯高于高劑量率，且高劑量率輻照后進(jìn)行與低劑量率輻照等時的室溫退火并不能模擬這種損傷的差異。此后有大量的關(guān)于ELDRS效應(yīng)的報道，這些研究涉及不同類型雙極器件(包括運(yùn)算放大器、A/D 轉(zhuǎn)換器、比較器等)和電路的ELDRS效應(yīng)及損傷機(jī)理[1–5]，以及不同的輻照環(huán)境(如偏置條件、溫度等)對雙極器件的總劑量率效應(yīng)和ELDRS效應(yīng)的影響[6–9]。但是，對于半導(dǎo)體制造工藝參量的變化對雙極器件的輻射效應(yīng)及ELDRS效應(yīng)影響的研究，卻較少報道。研究發(fā)現(xiàn)，雙極器件的電離輻照效應(yīng)與器件的類型和制造工藝等有非常密切的關(guān)系[6,10,11]。

因此，研究半導(dǎo)體制造工藝對雙極器件的電離輻照效應(yīng)的影響具有重要意義，可為雙極器件抗低劑量率輻照加固技術(shù)的研究提供實驗依據(jù)。

為進(jìn)一步了解雙極器件的電離輻照損傷特性的影響因素，我們設(shè)計制作了具有相同工藝條件但屏蔽氧化層厚度不同的兩種橫向NPN型雙極晶體管，研究不同劑量率下的輻射效應(yīng)和退火特性。本文主要介紹氧化層厚度對 NPN雙極晶體管輻射效應(yīng)的影響，并作機(jī)制探討。

1 材料與方法

NPN雙極晶體管，模擬集成電路國家重點(diǎn)實驗室提供，分為兩組：常規(guī)厚度氧化層和薄氧化層雙極晶體管。輻照實驗在中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所60Co源上進(jìn)行。輻照劑量率為0.13 mGy(Si)/s和0.5 Gy(Si)/s，總劑量為1 000 Gy(Si)。樣品置于根據(jù)美軍標(biāo)準(zhǔn)制作的鉛鋁屏蔽盒內(nèi)，以消除低能散射的影響，防止劑量增強(qiáng)效應(yīng)的發(fā)生。

樣品晶體管輻照時作正向偏置：基極極接+2 V，發(fā)射極和集電極接地。雙極晶體管采用美國惠普公司生產(chǎn)的HP4142半導(dǎo)體參數(shù)分析儀測試，測試參數(shù)：雙極晶體管基極電流(IB)、集電極電流(IC)、電流增益(β=IC/IB)。輻照與參數(shù)測量均在室溫下進(jìn)行，測試均在輻照或退火后20 min內(nèi)完成。

2 實驗結(jié)果

NPN雙極晶體管的高低劑量率的輻射效應(yīng)及室溫退火特性表明，NPN雙極晶體管對電離輻射非常敏感，在所測試的參數(shù)中IB和β=IC/IB變化顯著，而IC變化很小。為對各種條件下的輻射損傷進(jìn)行比較，所有電參數(shù)取值時自基-射結(jié)電壓均為0.6 V，并引入兩個參數(shù)：過剩基極電流(ΔIB=IBpost–IB0)、歸一化電流增益(β/β0)。

圖1為不同氧化層厚度的NPN雙極晶體管的ΔIB隨輻照總劑量及室溫退火時間的變化。相同劑量率下，氧化層厚度對NPN雙極晶體管的電離輻照效應(yīng)影響顯著，表現(xiàn)為薄氧化層NPN雙極晶體管的ΔIB明顯高于常規(guī)厚氧化層NPN雙極晶體管的ΔIB，且差距隨輻照總劑量增大；對于相同氧化層厚度的NPN雙極晶體管，高劑量率輻照時的ΔIB明顯低于低劑量率輻照時，且在與低劑量率輻照等時的室溫退火過程中有恢復(fù)初值的趨勢，但趨勢很小。圖1結(jié)果表明，常規(guī)厚度氧化層和薄氧化層的樣品均表現(xiàn)出明顯的ELDRS效應(yīng)。

圖2為不同氧化層厚度的NPN雙極晶體管的歸一化電流增益隨輻照總劑量及室溫退火時間的變化。相同劑量率輻照下，薄氧化層NPN雙極晶體管的電流增益退化更為明顯。不同氧化層厚度的NPN晶體管均有明顯的 ELDRS效應(yīng)，但顯著程度是否一樣還需進(jìn)一步分析。Pershenkov等[12]用劑量率因子K來描述雙極晶體管的 ELDRS效應(yīng)：K=ΔIBL/ΔIBH，其中 ΔIBL和 ΔIBH分別表示低、高劑量率輻照時過?；鶚O電流大小。根據(jù)美軍標(biāo)MIL-STD-883G，若K>1.5，則存在ELDRS效應(yīng)，且K越大表示ELDRS效應(yīng)越明顯；若K≤1.5，則不存在ELDRS效應(yīng)。

圖1 不同氧化層厚度NPN雙極晶體管過?；鶚O電流(ΔIB)隨輻照總劑量及室溫退火時間的變化Fig.1 The excess base current (ΔIB) of NPN BJTs vs total dose (a) and RT annealing time (b).

圖2 不同氧化層厚度的NPN雙極晶體歸一化電流增益隨輻照總劑量及室溫退火時間變化規(guī)律Fig.2 Normalized current gain (β/β0) vs. total dose (a) and RT annealing time (b).

圖3為兩種氧化層厚度NPN雙極晶體管的K值隨輻照總劑量的變化規(guī)律。常規(guī)厚度氧化層的NPN晶體管的K值大于薄氧化層，即氧化層厚的NPN雙極晶體管ELDRS效應(yīng)更明顯。另外，對于薄氧化層NPN雙極晶體管，在總劑量D=100 Gy(Si)時，K=0.685；而厚常規(guī)厚氧化層NPN雙極晶體管在這個點(diǎn)的K=3.5。

圖3 K值隨輻照總劑量的變化規(guī)律Fig.3 The dose rate coefficient vs. total dose.

3 討論

電離輻射在晶體管的隔離氧化層中產(chǎn)生大量的電子–空穴對。在氧化物電場作用下，電子和空穴朝相反方向運(yùn)動[13]。由于電子在氧化物中的漂移速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空穴[1]，大量電子會迅速漂移出氧化物，而大部分空穴則會被氧化物陷阱俘獲形成氧化物正電荷。同時，在空穴緩慢向Si-SiO2界面移動的過程中，和界面附近的Si-H鈍化鍵反應(yīng)生成氫離子。空穴或氫離子被界面附近的氧化物陷阱或界面陷阱俘獲，形成凈正氧化物電荷或界面陷阱電荷[1,3,5,6,11]。

用多級俘獲模型[14]描述空穴在 SiO2氧化層中的遷移過程，電離輻射產(chǎn)生的空穴會經(jīng)歷多次被陷阱俘獲又發(fā)射的過程。陷阱有深淺，淺陷阱中的空穴易于重新擺脫束縛，而一旦被深陷阱俘獲，發(fā)射幾率很小。文獻(xiàn)[1]認(rèn)為深陷阱在離界面20 nm內(nèi)呈高斯分布，且在界面處達(dá)最大值，而淺陷阱在SiO2體內(nèi)呈無規(guī)則分布。空穴被淺陷阱俘獲后成為亞穩(wěn)態(tài)氧化物陷阱電荷，這種電荷的大量存在是空間電場形成的主要原因。而氧化層體內(nèi)的亞穩(wěn)態(tài)氧化物陷阱電荷的數(shù)量與空穴的產(chǎn)生率(g)及平均輸運(yùn)時間(t0)有關(guān)。g越大，t0越大，則氧化層內(nèi)的亞穩(wěn)態(tài)氧化物陷阱電荷的數(shù)量越大?？昭ǖ钠骄斶\(yùn)時間[5](t0=L/(μpE0)，L為氧化層厚度)是指在恒定電場下空穴穿過氧化層的平均時間，它與輻照劑量率無關(guān)，而與氧化層中的電場、輻照溫度、氧化層厚度及氧化層的陷阱濃度等有關(guān)。氧化層中電場增強(qiáng)或輻照溫度升高均能加快空穴的輸運(yùn)速度，減小t0。由文獻(xiàn)[13]，t0與L3成正比關(guān)系，這是由于氧化層增厚、氧化層內(nèi)陷阱濃度增加以電場減小而引起的。

本文的兩種氧化層厚度的 NPN雙極晶體管均表現(xiàn)出明顯的ELDRS效應(yīng)(圖1、圖2)，這可由空間電場模型[1–4,9,14]解釋。該模型認(rèn)為高劑量率輻照時，在基區(qū)氧化層內(nèi)迅速產(chǎn)生大量的亞穩(wěn)態(tài)或慢輸運(yùn)的淺氧化物陷阱電荷，這些電荷在氧化層內(nèi)形成較強(qiáng)的帶正電空間電場，阻礙輻射感生的正電荷(包括空穴和H+)到達(dá)Si-SiO2界面，少數(shù)輻射感生的空穴和極少數(shù)的H+經(jīng)很長時間能到達(dá)Si-SiO2界面，其余被深陷阱俘獲，或在界面處與鈍化鍵發(fā)生反應(yīng)生成界面缺陷。在低劑量率輻照時，由于其輻射感生正電荷的產(chǎn)生速率遠(yuǎn)低于高劑量率輻照，其基區(qū)氧化層內(nèi)產(chǎn)生的亞穩(wěn)態(tài)或慢輸運(yùn)的淺氧化物陷阱電荷少，形成的空間電場也較弱。所以，在弱電場、長時間的輻照下，輻射感生的空穴和H+有足夠的時間輸運(yùn)到Si-SiO2界面，并與鈍化鍵反應(yīng)生成界面缺陷。低劑量率輻照比高劑量率有更多的凈正氧化物電荷和界面缺陷，從而增加了過剩基極電流，最終造成了低劑量率輻射損傷增強(qiáng)效應(yīng)的產(chǎn)生。

由空間模型對 ELDRS效應(yīng)的解釋，氧化層厚度相同的雙極晶體管表現(xiàn)出明顯的 ELDRS效應(yīng)，這主要是在不同輻照劑量率時，由空穴的產(chǎn)生率不同造成的(氧化層厚度相同時，空穴的平均輸運(yùn)時間相同)。而厚氧化層雙極晶體管的ELDRS效應(yīng)明顯強(qiáng)于薄氧化層(圖3)，與不同厚度氧化層的空穴平均輸運(yùn)時間不同有關(guān)。高劑量率輻照時的空穴產(chǎn)生率高，空間電場建立速度和強(qiáng)度隨t0增加(即空穴輸運(yùn)的速度降低)；對低劑量率輻照，雖然空間電場的建立速度和強(qiáng)度也隨t0增加，但其空穴產(chǎn)生率遠(yuǎn)低于高劑量率，形成的空間電場就很弱， 則t0的增加對空間電場的建立影響較小。于是，t0越大，高、低劑量率輻照時建立的空間電場間的差距越大，ELDRS效應(yīng)就越明顯。厚氧化層內(nèi)t0大于薄氧化層，其ELDRS效應(yīng)就明顯強(qiáng)于薄氧化層。文獻(xiàn)[1]、[3]、[7–9]報道的氧化層內(nèi)電場和輻照溫度上升均能降低雙極器件的 ELDRS效應(yīng)，因為輻照時電場增加或溫度上升降低了t0。故t0的大小決定著器件的ELDRS效應(yīng)明顯程度，當(dāng)t0降至一定數(shù)值時，可能就不存在ELDRS效應(yīng)。

綜上所述，當(dāng)輻照劑量率相同時，厚氧化層內(nèi)空間電場建立的速度和強(qiáng)度均大于薄氧化層，因此厚氧化層內(nèi)建立的空間電場對空穴和 H+向 Si-SiO2界面的阻礙作用更強(qiáng)。另外，相同總劑量下，厚氧化層內(nèi)產(chǎn)生的空穴總量高于薄氧化層，且增加的空穴總量大多位于氧化層的上表面，由于其t0大，這部分增加的空穴可能被厚氧化層內(nèi)強(qiáng)的空間電場所阻礙，而不能輸運(yùn)到Si-SiO2界面。因此，厚氧化層的凈正氧化物電荷和界面態(tài)的數(shù)量小于薄氧化層，輻照劑量率相同時，薄氧化層雙極晶體管的輻照損傷大于厚氧化層。

4 結(jié)語

通過上述研究可以得出以下結(jié)論：

(1) 常規(guī)厚氧化物及薄氧化物的NPN雙極晶體管均表現(xiàn)出明顯的 ELDRS效應(yīng)，且常規(guī)氧化物BJTs的ELDRS效應(yīng)更顯著；

(2)輻照劑量率相同時，薄氧化物BJT的輻照損傷明顯大于常規(guī)厚度氧化物，不同氧化層厚度的NPN雙極晶體管間的電離輻照效應(yīng)的差異，主要緣于空穴在不同厚度氧化層中的輸運(yùn)速度不同。薄氧化層中空穴的輸運(yùn)速度高于厚氧化層，降低了氧化物體內(nèi)空間電場的強(qiáng)度，導(dǎo)致薄氧化層擁有更多的凈正氧化物電荷及界面態(tài)，增加了過剩基極電流。

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