BPSG膜雙極晶體管的抗電離輻照性能研究

呂 曼 張小玲 張彥秀 謝雪松 孫江超 王鵬鵬 呂長(zhǎng)志

1（北京工業(yè)大學(xué) 北京 100124）2（北京燕東微電子有限公司 北京 100015）

BPSG膜雙極晶體管的抗電離輻照性能研究

呂 曼1張小玲1張彥秀2謝雪松1孫江超1王鵬鵬1呂長(zhǎng)志1

1（北京工業(yè)大學(xué) 北京 100124）
2（北京燕東微電子有限公司 北京 100015）

對(duì)SiO2+BPSG+SiO2鈍化結(jié)構(gòu)和SiO2+SiN鈍化結(jié)構(gòu)的雙極晶體管和JW117集成穩(wěn)壓器進(jìn)行了60Co的γ輻照和不同溫度下退火行為研究。結(jié)果表明，覆蓋BPSG鈍化膜的器件抗輻照性能明顯強(qiáng)于SiN鈍化膜的器件。BPSG對(duì)Na+具有很好的吸收作用，SiO2層中的Na+很大部分被吸收到BPSG膜中，降低了雙極晶體管基區(qū)的表面復(fù)合速率，減少過(guò)?；鶚O電流，這可能是BPSG鈍化膜器件抗輻照性能好的主要原因。通過(guò)對(duì)器件輻照后不同溫度下的退火實(shí)驗(yàn)，保證了BPSG鈍化膜器件輻照后的工作可靠性。

BPSG，鈍化層，電離輻照，退火

隨著空間技術(shù)以及核技術(shù)的快速發(fā)展，雙極晶體管電路的抗輻照性能和電子系統(tǒng)的可靠性研究日益受到人們重視。大量研究表明，雙極晶體管受電離輻照總劑量效應(yīng)主要表現(xiàn)為電流增益下降和漏電流的增加，主要原因?yàn)檠趸瘜与姾傻姆e累和Si/SiO2界面陷阱電荷的增加。因此，提高器件電路在電離輻照環(huán)境下的可靠性研究成為一項(xiàng)重要課題。

硼磷硅玻璃(BPSG: boro-phospho-silicate-glass)鈍化憑借其填充能力和回流特性等方面的優(yōu)點(diǎn)在半導(dǎo)體工藝中得到廣泛使用，國(guó)內(nèi)外對(duì)器件的鈍化工藝進(jìn)行了研究[1–4]，但是其優(yōu)良特性在器件抗輻照性能上的表現(xiàn)卻幾乎未見(jiàn)報(bào)道。本文重點(diǎn)研究BPSG鈍化與SiN鈍化器件在電離輻照總劑量效應(yīng)下的不同響應(yīng)，并分析了BPSG鈍化器件的抗輻照機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)樣品及方法

實(shí)驗(yàn)樣品為國(guó)產(chǎn)制作工藝相同、僅鈍化膜不同的JW117集成穩(wěn)壓器以及集成穩(wěn)壓器內(nèi)部雙極晶體管的陪測(cè)樣片。鈍化層為SiO2+SiN，JW117的編號(hào)為1#、2#，陪測(cè)樣片的編號(hào)為5#、6#；鈍化層為SiO2+BPSG+SiO2，JW117的編號(hào)為11#、12#，陪測(cè)樣片的編號(hào)為17#、18#，鈍化膜均采用低溫PECVD方法制備。為測(cè)試方便，雙極晶體管樣品均用雙列直插式管殼封裝。

輻照實(shí)驗(yàn)在60Co γ源上進(jìn)行，輻照劑量率0.5 Gy/s(Si)。為實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠，實(shí)驗(yàn)樣品的所有參數(shù)測(cè)試均在室溫條件下輻照后30 min內(nèi)完成。

雙極晶體管采用Keithley4200測(cè)試儀與屏蔽盒組成的測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試參數(shù)包括基極電流(IB)、集電極電流(IC)、電流增益(β = ΔIC/ΔIB)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖1為國(guó)產(chǎn)集成穩(wěn)壓器JW117樣品中輻照最敏感參數(shù)基準(zhǔn)電壓Vref隨輻照總劑量的變化關(guān)系。根據(jù)產(chǎn)品使用手冊(cè)，Vref＜1.2 V時(shí)，器件失效。從圖1(b)中可以看出，SiN鈍化的器件(1#、2#)累積總劑量為200 Gy和230 Gy時(shí)器件失效。而采用SiO2+BPSG+SiO2“三明治”結(jié)構(gòu)鈍化的器件(11#、12#)在1000 Gy時(shí)仍未失效，在1200 Gy時(shí)Vref＜1.2 V，器件失效(見(jiàn)圖1a)。可見(jiàn)BPSG鈍化在器件的抗輻照性能上起到重要作用。

為了進(jìn)一步探究BPSG抗輻照性能更強(qiáng)的原因，本文對(duì)兩種測(cè)試樣片的雙極晶體管進(jìn)行了測(cè)試。圖2為雙極晶體管的歸一化電流增益(β∶β0)隨輻照總劑量增加的變化關(guān)系。從圖中可以看出，隨著輻照總劑量的增加，兩種鈍化工藝的雙極晶體管參數(shù)持續(xù)退化。無(wú)論是NPN晶體管或LPNP晶體管，SiN鈍化的雙極晶體管(5#、6#)比BPSG鈍化的雙極晶體管(17#、18#)電流增益下降更嚴(yán)重。由此可見(jiàn)，BPSG鈍化的雙極晶體管抗輻照性能更強(qiáng)。另外，在相同電離輻照總劑量下，LPNP晶體管比NPN晶體管損傷更嚴(yán)重，這是由于LPNP電流在基區(qū)表面橫向運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。

圖1 JW117的基準(zhǔn)電壓Vref隨輻照總劑量(Si)的變化關(guān)系(a) 整體圖, (b) 局部放大圖Fig.1 Vref of JW117 vs. total dose.(a) overall figure, (b) partial enlarged figure

圖2 雙極晶體管歸一化電流增益隨輻照總劑量(Si)積累的變化關(guān)系 (a) NPN, (b) LPNPFig.2 β∶β0 of BJT vs. total dose. (a) NPN, (b) LPNP

2.2理論分析

線性集成電路中晶體管電流增益的衰減，主要是出現(xiàn)過(guò)剩電流的緣故。NPN晶體管中過(guò)剩基極電流的增加是由于表面復(fù)合電流以及耗盡層復(fù)合電流增加所致。而Si/SiO2界面輻照過(guò)程中產(chǎn)生的界面態(tài)，尤其是禁帶中心附近的界面態(tài)[5]，作為復(fù)合中心起作用。增加表面復(fù)合速率，增大表面復(fù)合電流，成為L(zhǎng)PNP晶體管電流增益下降的主要原因。LPNP晶體管損傷比NPN晶體管更嚴(yán)重，是因?yàn)長(zhǎng)PNP晶體管中發(fā)射區(qū)注入的少子(空穴)，從發(fā)射區(qū)向集電區(qū)橫向運(yùn)動(dòng)，所以基區(qū)上方的負(fù)荷電流對(duì)LPNP晶體管影響更大，導(dǎo)致電離輻照對(duì)LPNP晶體管的損傷更強(qiáng)，含有LPNP晶體管的線性電路對(duì)電離輻照也特別敏感[6]。

輻照會(huì)導(dǎo)致器件氧化層內(nèi)產(chǎn)生大量的亞穩(wěn)俘獲空穴和慢輸運(yùn)空穴而積累形成空間電荷，這些空間電荷分布于整個(gè)氧化層中。氧化層中的電荷運(yùn)輸?shù)絊i/SiO2界面，形成深陷阱[7]，導(dǎo)致過(guò)量的基極電流增加，電流增益下降。氧化層中可動(dòng)離子電荷(主要是Na+)可以在Si/SiO2界面的垂直方向和水平方面移動(dòng)，引起氧化層感應(yīng)的電荷以及界面陷阱電荷的數(shù)量和位置發(fā)生變化，增加基區(qū)表面復(fù)合速率，導(dǎo)致過(guò)?；鶚O電流增加，電流增益下降。因此，減少氧化層中的Na+是提高器件抗輻照性能的主要方法之一。

SiN鈍化膜對(duì)外界環(huán)境中的Na+具有很強(qiáng)的阻擋作用，而B(niǎo)PSG鈍化膜卻可以吸收器件氧化層中的Na+。Na+在BPSG中的溶解度比SiO2高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因此在形成BPSG過(guò)程中，SiO2中大部分Na+被吸收到BPSG層中而遠(yuǎn)離Si/SiO2界面，降低了SiO2中的可動(dòng)Na+。Na+被吸收和固定，使氧化層中的Na+數(shù)量大大減少，這是BPSG膜抗輻照性能強(qiáng)的主要原因。

BPSG膜中P的作用主要是吸收Na+，而B(niǎo)的作用主要是降低回流溫度。BPSG中的B、P以B2O3、P2O5形式存在，這些氧化物在空氣中容易吸水，造成器件吸潮，可靠性下降。為解決這一問(wèn)題，鈍化過(guò)程中，BPSG膜上覆蓋一層致密的SiO2膜。通過(guò)溫濕試驗(yàn)(溫度85oC，濕度100%)的加速壽命試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果已排除器件吸潮問(wèn)題，保證了器件工作的可靠性。

2.3退火效應(yīng)

雙極晶體管輻照后退火效應(yīng)的研究也是考察器件可靠性的重要指標(biāo)[8]，圖3為雙極晶體管在不同溫度下退火時(shí)間與歸一化電流增益的關(guān)系。

圖3 雙極晶體管不同溫度下退火時(shí)間與歸一化電流增益的關(guān)系 (a) NPN, (b) LPNPFig.3 β∶β0 of BJT vs. annealing at different temperatures. (a) NPN, (b) LPNP

雙極晶體管輻照后的退火可以反映出缺陷的行為，這與器件典型參數(shù)的退化直接相關(guān)，尤其是器件在輻照后常溫退火過(guò)程中出現(xiàn)的界面態(tài)后生效應(yīng)[9]，這是因?yàn)楣に囘^(guò)程中引入了多的界面態(tài)所致。同時(shí)，由于界面態(tài)對(duì)LPNP型晶體管電離輻照損傷的影響更大，所以出現(xiàn)25oC下LPNP比NPN歸一化電流增益有更明顯的下降。另外，BPSG鈍化的LPNP晶體管比SiN鈍化的LPNP晶體管表現(xiàn)明顯。這與BPSG膜在輻照的高溫條件下對(duì)Na+的吸收和固定作用強(qiáng)，而低溫下就會(huì)釋放Na+有關(guān)。但是，BPSG鈍化的晶體管在退火過(guò)程中電流增益一直保持在SiN鈍化的晶體管之上，并有飽和趨勢(shì)。

NPN和LPNP晶體管分別在溫度為100oC和150oC 高溫退火[10]，輻照損傷恢復(fù)顯著。NPN和LPNP晶體管的退火效果不同，可能與基區(qū)表面上的界面陷阱電荷的屬性有關(guān)。因?yàn)殡p極晶體管中電子和空穴都參與導(dǎo)電，而界面陷阱電荷的屬性可正可負(fù)，這樣，界面陷阱電荷的復(fù)合中心作用使器件電流增益下降嚴(yán)重。

3 結(jié)語(yǔ)

(1) BPSG鈍化可以提高器件的抗輻照性能，與SiN鈍化相比，JW117電路的抗輻照性能提升顯著。

(2) BPSG吸附氧化層中很大一部分的Na+，使基區(qū)表面復(fù)合速率減小，過(guò)?；鶚O電流減少，雙極晶體管損傷變小，這是BPSG膜抗輻照性能強(qiáng)的最主要原因。

(3) 常溫退火時(shí)，器件參數(shù)恢復(fù)緩慢，并且由于界面態(tài)后生效應(yīng)，電流增益出現(xiàn)了小幅下降，在高溫退火時(shí)，NPN和LPNP晶體管恢復(fù)不同，是因?yàn)檠趸瘜与姾珊徒缑嫦葳咫姾伤璧臏囟炔煌?/p>

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CLCTL72

Study on ionizing radiation effects of bipolar transistor with BPSG films

LV Man1ZHANG Xiaoling1ZHANG Yanxiu2XIE Xuesong1SUN Jiangchao1WANG Pengpeng1LV Changzhi1

1(Beijing University of Technology,Beijing 100124,China)
2(Beijing Yan Dong Microelectronics Company Limited, Beijing 100015, China)

Background:Because of the damage induced by ionizing radiation, bipolar transistors in integrated voltage regulator could induce the current gain degradation and increase leakage current. This will bring serious problems to electronic system. Purpose: In order to ensure the reliability of the device work in the radiation environments, the device irradiation reinforcement technology is used. Methods: The characteristics of60Co γ irradiation and annealing at different temperatures in bipolar transistors and voltage regulators (JW117) with different passive films for SiO2+BPSG+SiO2and SiO2+SiN have been investigated. Results: The devices with BPSG film enhanced radiation tolerance significantly. Because BPSG films have better absorption for Na+in SiO2layer, the surface recombination rate of base region in a bipolar transistor and the excess base current have been reduced. It may be the main reason for BJT with BPSG film having a good radiation hardness. And annealing experiments at different temperatures after irradiation ensure the reliability of the devices with BPSG films. Conclusions: A method of improving the ionizing irradiation hardness of bipolar transistors is proposed. As well as the linear integrated circuits which containing bipolar transistors, an experimental basis for the anti-ionizing radiation effects of bipolar transistors is provided.

BPSG, Passivation layer, Ionizing radiation, Annealing

TL72

10.11889/j.0253-3219.2013.hjs.36.060203

呂曼，女，1984年出生，2009年畢業(yè)于遼寧工程技術(shù)大學(xué)，現(xiàn)為北京工業(yè)大學(xué)碩士研究生，從事半導(dǎo)體器件輻照特性研究

2013-03-05，

2013-03-25