基極注入HPM導(dǎo)致的雙極型晶體管失效分析

范菊平,游海龍,賈新章

(1.西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院,陜西西安 710071; 2.西安電子科技大學(xué)寬禁帶半導(dǎo)體材料與器件教育部重點實驗室,陜西西安 710071)

基極注入HPM導(dǎo)致的雙極型晶體管失效分析

范菊平1,2,游海龍1,2,賈新章1,2

(1.西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院,陜西西安 710071; 2.西安電子科技大學(xué)寬禁帶半導(dǎo)體材料與器件教育部重點實驗室,陜西西安 710071)

為了研究高功率微波對雙極型晶體管的作用,在雙極型晶體管基極直接注入高功率微波效應(yīng)實驗現(xiàn)象的基礎(chǔ)上,建立了高功率微波作用于雙極型器件的物理過程與模型,并通過器件仿真,分析確定了高功率微波引起器件失效的主要原因是:高功率微波產(chǎn)生的感應(yīng)電壓脈沖,引起雙極型器件基區(qū)燒毀形成熔絲和產(chǎn)生大量缺陷.基區(qū)燒毀面積與缺陷數(shù)量隨高功率微波作用的時間和功率的增大而增大,不同的燒毀面積引起失效器件的直流特性將發(fā)生變化.器件仿真與實驗結(jié)果能較好吻合,驗證了文中結(jié)論.

高功率微波;雙極型晶體管;直流特性;燒毀面積

高功率微波(High Power Microwave,HPM)是指頻率在300 MHz～300 GHz之間,量子能在10-5eV～10-3eV之間的電磁脈沖,它通過與電子系統(tǒng)的電磁耦合產(chǎn)生電效應(yīng),感應(yīng)出電壓、電流脈沖,從而作用于半導(dǎo)體器件[1].隨著半導(dǎo)體器件特征尺寸的不斷減小、集成規(guī)模的增大以及高功率微波源技術(shù)的發(fā)展,高功率微波導(dǎo)致半導(dǎo)體器件失效以及失效機理的研究成為近年來的研究熱點[2-3].雙極型晶體管器件(Bipolar Junction Transistor,BJT)是典型的、基礎(chǔ)型半導(dǎo)體器件,它在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中,尤其是大功率應(yīng)用中仍然廣泛采用.作為典型的半導(dǎo)體器件,針對雙極型器件的HPM效應(yīng)研究也將有助于其他器件的相關(guān)理論研究[4].

由于HPM作用過程復(fù)雜,以往對半導(dǎo)體器件的HPM效應(yīng)研究多采用實驗方法來研究器件失效閾值以及HPM源特性對器件特性的影響[5-6],而對HPM作用于器件的過程以及器件失效的機理研究較少.筆者基于半導(dǎo)體雙極型器件HPM效應(yīng)的實驗現(xiàn)象,從HPM作用于器件的物理過程出發(fā),通過物理模型等效、失效機理分析提取等,給出了HPM引起雙極型器件失效的過程,并建立了物理模型.實驗結(jié)果與模擬結(jié)論的對比,驗證了其有效性.

1 效應(yīng)實驗現(xiàn)象

雙極型晶體管的HPM效應(yīng)實驗,對于HPM作用于器件的過程以及為導(dǎo)致器件失效理論基礎(chǔ)研究提供了方向.在研究半導(dǎo)體器件的HPM效應(yīng)實驗中,HPM作用于器件的方式通常有兩種:輻照法與直接注入法.其中直接注入法通過采用微帶線或同軸線,將高功率微波直接導(dǎo)入到測試器件特定輸入端.直接注入法相對簡單,且能準(zhǔn)確地測量入射的功率,常用于器件的高功率微波效應(yīng)研究.

文中研究的雙極晶體管HPM效應(yīng)實驗,微波源輸出的微波通過“定向耦合器”注入到“測試器件”,其微波源為千瓦級L波段微波脈沖源及百千瓦級X波段微波脈沖源.“測試器件”是在工作狀態(tài)下接受HPM作用的,器件結(jié)構(gòu)以及偏置狀態(tài)如圖1所示.在常規(guī)應(yīng)用中,作為電流放大的BJT多以共射極的連接方式工作,當(dāng)HPM從基極注入時,HPM效應(yīng)更加顯著,更容易導(dǎo)致器件特性退化與失效.因此,文中將微波功率直接注入到BJT器件的基極.從實驗結(jié)果看到,在HPM作用下,引起了測試器件的特性退化及失效[7].

圖1 測試器件結(jié)構(gòu)與配置狀態(tài)

在不同的功率與作用時間下,從特性退化或失效的測試器件的直流特性分析結(jié)果看,不同失效器件主要的實驗現(xiàn)象如圖2～4所示.圖2為實驗前后直流輸出特性曲線.可以看到,實驗前器件(圖2(a))對應(yīng)于IB=0.10 m A的集電極電流IC約為8.00 m A,相應(yīng)的直流電流放大系數(shù)為80左右.實驗后(圖2(b))輸出曲線已壓縮成幾乎與X軸重合的直線,相應(yīng)的直流電流放大系數(shù)趨于0.雖然圖2采用不同的IC坐標(biāo)刻度顯示試驗后的特性曲線細(xì)節(jié),也只顯示出IB=1.00 m A和IB=0.90 m A的兩條特性曲線,其他9條特性曲線也幾乎重合,對應(yīng)的IC趨于0.而與IB=1.00 m A和IB=0.90 m A對應(yīng)的IC分別只有約0.25 m A和0.03 m A.可見,電流放大系數(shù)嚴(yán)重退化.

圖2 嚴(yán)重退化器件輸出特性對比

圖3顯示了實驗前后發(fā)生嚴(yán)重退化的器件輸出特性曲線,實驗后的輸出特性曲線不但電流放大系數(shù)明顯減小到約為試驗前的70%,更大的特點是特性曲線發(fā)生了畸變.而圖4中的HPM效應(yīng)實驗后器件直流特性曲線顯示,喪失了放大特性,表現(xiàn)在輸出特性曲線上與不同基極注入電流IB對應(yīng)的輸出特性已壓縮成幾乎與X軸重合的直線,即對應(yīng)的集電極電流IC很小,趨于0.采用不同的IC坐標(biāo)刻度顯示,試驗后的特性曲線細(xì)節(jié)如圖3所示,表明已不具備晶體管的放大特性.

2 微波作用于BJT的物理過程與模型

根據(jù)雙極型晶體管HPM效應(yīng)實驗過程與結(jié)果,可以假設(shè)HPM會引起器件的功能退化、失效和燒毀,

圖3 特性發(fā)生畸變的器件實驗前后特性曲線對比

圖4 器件失效后輸出特性曲線

其原因是由于通過微帶線注入HPM在器件引腳產(chǎn)生的感應(yīng)電壓脈沖.基于實驗現(xiàn)象與假設(shè),可建立HPM作用于器件的物理過程和模型,通過仿真來研究器件失效的過程;利用仿真與實驗現(xiàn)象的對比,來確定器件的失效機理.

2.1 器件特性失效的物理過程

基于HPM作用于器件的結(jié)果以及HPM效應(yīng)原理,基極注入HPM引起B(yǎng)JT器件失效的物理過程可假設(shè)為:HPM通過互連線、引腳感應(yīng)脈沖電壓,注入基極的脈沖電壓引起基區(qū)高場強從而產(chǎn)生局部大電流,在大電流作用下,器件溫度升高而使器件燒毀失效.具體物理過程如下:

(1)HPM通過微帶線在器件引腳上感應(yīng)產(chǎn)生脈沖電壓.

(2)感應(yīng)的電壓脈沖從基極注入,在偏置為共射偏置的情況下,當(dāng)脈沖為正幅值時,注入的脈沖使得基極的電勢高于發(fā)射極和集電極的電勢,發(fā)射結(jié)與集電結(jié)均為正偏,PN結(jié)導(dǎo)通,電流流過發(fā)射結(jié)與集電結(jié).由于集電結(jié)的摻雜濃度低,而發(fā)射極的摻雜濃度高,且集電結(jié)面積大,而發(fā)射結(jié)的結(jié)面積小,致使電流密度主要集中在發(fā)射結(jié),在大電流的作用下,發(fā)射結(jié)自熱并迅速升溫.

(3)當(dāng)負(fù)幅值脈沖到來時,發(fā)射結(jié)與集電結(jié)轉(zhuǎn)為反偏,場強變大,器件截止,電流變小,自熱產(chǎn)生熱量小于擴散熱量,器件溫度降低.

(4)當(dāng)下一個周期的正脈沖到來時,器件再次被加熱.由于微波的高頻率特性,輸入功率大于擴散功率,1個脈沖周期時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量大于擴散熱量,每個脈沖周期有一定的熱量被積累起來.隨著脈沖的不斷重復(fù),器件的溫度逐步升高,器件溫度的上升使得硅的本征載流子增多,增加了局部區(qū)域的電導(dǎo)率.流過發(fā)射結(jié)的電流隨著溫度的增加而增大,而溫度的增加又使電流進一步增大,最終導(dǎo)致器件局部溫度過高而燒毀,形成熔絲,并產(chǎn)生了大量缺陷.

2.2 BJT器件微波效應(yīng)仿真的物理模型

依據(jù)基極注入HPM引起B(yǎng)JT器件失效的物理過程,器件仿真中涉及的主要模型如下.

(1)HPM感應(yīng)電壓脈沖[8].針對直接注入引腳的HPM主要考慮其感應(yīng)的電壓脈沖效應(yīng).假設(shè)高功率微波的波形為方波脈沖,即電場為

通過麥克斯韋方程計算得到不同強度的E0將感應(yīng)不同幅度的電壓脈沖,其中,E0由HPM參數(shù)決定.在實際表征高功率微波中,常采用d Bm表征功率的絕對值,這樣便于表述和計算.其與功率的換算公式為

對于一定匹配阻值的傳輸線,電壓脈沖幅值HPM的功率通過計算或查表可得[2].

(2)半導(dǎo)體器件物理模型.器件內(nèi)部物理過程的變化采用半導(dǎo)體物理模型對其進行描述,針對雙極型晶體管HPM作用下涉及到的主要器件物理模型,采用載流子傳輸模型、載流子的產(chǎn)生—復(fù)合模型和雪崩產(chǎn)生模型等[9]進行描述.

3 器件仿真

采用ISE-TCAD軟件對雙極型晶體管HPM效應(yīng)進行仿真.利用軟件中的MDRAWN工具對器件進行二維結(jié)構(gòu)建模,并通過DESSIS仿真器件進行退化和失效過程.DESSIS是一個多維度的仿真器,用它可以進行器件級仿真,它集成了先進的物理模型和豐富的數(shù)理方法,能夠精確仿真BJT等一系列半導(dǎo)體器件.

圖5 HPM基極注入BJT的電流密度分布(全電流密度的冪次表示采用計算機語言形式表示)

3.1 器件二維結(jié)構(gòu)的建立

器件二維結(jié)構(gòu)利用ISE-TCAD中的MDRAW工具實現(xiàn),采用的坐標(biāo)系為直角坐標(biāo)系.在這個坐標(biāo)系中,BJT器件的結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示,器件從頂部到底部依次結(jié)構(gòu)為發(fā)射極、基極、集電極、襯底.整個器件襯底的摻雜為磷,為P型摻雜,符合均勻分布,濃度為1×1015;基極摻雜的雜質(zhì)為硼,摻雜峰值為1×1018,結(jié)深為1μm,橫向擴散系數(shù)為0.8;發(fā)射極的摻雜為磷,摻雜峰值為1×1020,橫向擴散系數(shù)為0.8,結(jié)深為0.4μm,分布為高斯分布.

3.2 仿真條件

器件偏置情況為共射極偏置,采用了1 GHz 26 dBm的HPM從雙極晶體管的基極注入.器件模擬采用漂移、擴散理論,其中用到的一些主要參量(如遷移率、熱導(dǎo)率、電子空穴產(chǎn)生率等)考慮了高溫和強電場的依賴關(guān)系,復(fù)合率的計算考慮了SRH復(fù)合、俄歇復(fù)合、復(fù)合中心的復(fù)合以及界面態(tài)復(fù)合.對于這些剛性、耦合的非線性方程組,可以通過歸一化來去除方程組的剛性,采用耦合和非耦合相結(jié)合的混和算法來進行非線性方程組的數(shù)值求解,利用時域有限差分法得到器件的瞬態(tài)物理特性.兩個極處采用歐姆接觸邊界條件,并與溫度為300 K的熱阱接觸.器件初始溫度為300 K,器件內(nèi)初始載流子濃度和電位分布為零偏壓時的平衡分布.高溫時,器件熱量的擴散采用熱導(dǎo)進行分析.

3.3 仿真結(jié)果與分析

圖5為HPM基極注入,在正向感應(yīng)脈沖幅值達(dá)到7.5 V時器件內(nèi)部的電流密度分布.如圖5所示,在正向?qū)〞r,發(fā)射結(jié)的電流密度達(dá)到了9.1×108A/μm2,而集電結(jié)的電流密度只有1.1×106A/μm2.由器件偏置情況和注入脈沖幅值可知,在脈沖幅值達(dá)到7.5 V時,器件的發(fā)射結(jié)與集電結(jié)正偏導(dǎo)通,所以場強在脈沖達(dá)到7.5 V時,驟然下降.由于器件偏置為共射極,在脈沖達(dá)到7.5 V時,發(fā)射結(jié)與集電結(jié)都為正偏,且B-E結(jié)的正偏電壓高于B-C結(jié)的正偏電壓.又因集電結(jié)的結(jié)面積大于發(fā)射結(jié)的結(jié)面積,所以在正偏導(dǎo)通時發(fā)射結(jié)的電流密度遠(yuǎn)大于集電結(jié)的電流密度.從圖5電流密度的分布位置可知,造成器件溫度升高的電流密度主要分布在基極與發(fā)射極之間區(qū)域的發(fā)射結(jié)處,且越靠近器件電極和器件表面位置的電流密度越大[10].

對于基極注入的HPM源,假設(shè)感應(yīng)電壓形式為方波電壓源.依據(jù)功率和電壓幅值的計算方法,感應(yīng)電壓正弦信號源電壓幅值電壓的幅值為7.5 V,頻率為1 GHz.參數(shù)為1 GHz 26 dBm的HPM其感應(yīng)電壓脈沖形式如圖6所示.圖6顯示了基極注入HPM感應(yīng)脈沖電壓作用下器件場強的變化情況.橫軸為脈沖時間,左縱軸為HPM感應(yīng)電壓脈沖幅值,右縱軸為脈沖引起的器件內(nèi)部場強.從圖6可以得出,在脈沖電壓從0 V開始上升時,器件內(nèi)部的場強也開始上升,當(dāng)脈沖電壓上升到7.5 V時,器件場強上升到3×105V/cm.

注入脈沖變?yōu)樨?fù)值時,電流反向.從基極抽出正偏時,注入到擴散電容中的電荷隨著電荷的不斷抽出,器件的發(fā)射結(jié)和集電結(jié)由正偏變?yōu)榉雌?器件場強不斷增加達(dá)到9.2×105V/cm.從圖6的場強曲線可知,器件雖然反偏,但發(fā)射結(jié)與集電結(jié)都沒有發(fā)生擊穿,流過發(fā)射結(jié)和集電結(jié)的反偏電流較小.

圖7顯示了HPM感應(yīng)脈沖與溫度的關(guān)系:當(dāng)正向脈沖時,器件溫度隨脈寬的持續(xù)而線性增加;在脈沖幅值為負(fù)值時,器件溫度隨脈寬的持續(xù)而指數(shù)下降;在脈沖不斷重復(fù)后,器件溫度幅值隨脈沖的不斷重復(fù)而指數(shù)增加.

器件溫度增加的主要原因是:流過器件的電流密度較大,大量電子與晶格原子碰撞使得晶格原子的震動加劇;由于電流密度的分布不均,被電流加熱的器件溫度分布也不均;本征激發(fā)的載流子隨被加熱部分溫度的上升而增加,載流子的增加導(dǎo)致器件局部電導(dǎo)率增加,而又會促使局部電流進一步增加,這樣相互促進,形成惡性循環(huán),最終使器件燒毀.

圖6 HPM感應(yīng)電壓脈沖及器件內(nèi)部場強關(guān)系

圖7 HPM感應(yīng)脈沖與器件溫度關(guān)系

4 實驗與仿真結(jié)果對比分析

HPM作用于雙極型晶體管物理過程的仿真結(jié)果表明,HPM產(chǎn)生的感應(yīng)脈沖將引起器件內(nèi)部溫度升高.由于器件溫度的分布不均,硅材料晶格原子震動的劇烈程度不同,震動劇烈的晶格原子以發(fā)射聲子的形式將能量傳遞出去.如果晶格原子的能量足夠高,則將脫離晶格格點,從而形成缺陷.溫度梯度越大,產(chǎn)生的缺陷越多.高溫區(qū)域通過向低溫區(qū)域傳遞能量而降低溫度.器件自熱產(chǎn)生的能量從高溫區(qū)傳遞到低溫區(qū)的時間大于自熱時間,當(dāng)器件反偏停止自熱后,器件產(chǎn)生的能量不能全部傳導(dǎo)出去,使器件在下次正偏自熱時,仍有一部分能量駐留在器件中,駐留的能量使溫度升高,從而增加了硅本征載流子,使局部電導(dǎo)率增加,在下次的自熱中將產(chǎn)生更多的能量.隨著脈沖的不斷重復(fù),駐留在器件中的能量成倍增加.因此,在重復(fù)脈沖的作用下,器件的溫度將以指數(shù)形式增加,最終達(dá)到硅材料的融化溫度而燒毀,并在燒毀區(qū)域產(chǎn)生大量缺陷.

由BJT器件HPM效應(yīng)實驗結(jié)果看到,器件特性退化主要表現(xiàn)為放大倍數(shù)降低,由于器件在HPM作用下自熱而溫度不斷升高,當(dāng)局部溫度達(dá)到1 688 K時,硅材料融化.注入HPM功率的不同和注入重復(fù)脈沖的持續(xù)時間的不同,基區(qū)融化的面積也不同.在持續(xù)相同重復(fù)脈沖時間時,基區(qū)燒毀面積隨注入HPM的功率增加而增加,在相同注入HPM功率時,基區(qū)燒毀面積隨持續(xù)重復(fù)脈沖時間的增加而增加.不同的燒毀面積對器件放大倍數(shù)的影響分為以下3種情況:

(1)燒毀面積較小時,基區(qū)產(chǎn)生缺陷數(shù)量和熔絲面積較小.產(chǎn)生缺陷會使器件的復(fù)合電流增加,熔絲將使器件的漏電流增加,器件特性退化,其實驗結(jié)果如圖2所示.

(2)在基區(qū)大面積燒毀但還沒有被全部燒毀時,器件共射極正向放大,隨著器件集電極的電壓增加,器件進入飽和區(qū).由基極、集電極摻雜濃度可知,集電結(jié)的空間電荷區(qū)主要在集電結(jié)基區(qū)一側(cè),集電極的電壓增加使集電結(jié)在基區(qū)處的空間電荷不斷展寬,當(dāng)基區(qū)空間電荷區(qū)擴展到熔絲處時,基區(qū)局部穿通,C-E結(jié)導(dǎo)通,集電極電流突增.但是基區(qū)穿通后熔絲的導(dǎo)電能力有限,只會在10～13 V范圍內(nèi)對集電極電流造成較大影響.其仿真結(jié)果如圖8所示,特性曲線也出現(xiàn)了畸變,與實驗結(jié)果圖3現(xiàn)象吻合.

圖8 器件基區(qū)大面積燒毀后的特性曲線

圖9 器件基區(qū)全部燒毀后的特性曲線

(3)在基區(qū)全部燒毀后,器件的B、E、C都相互導(dǎo)通,BJT器件體現(xiàn)為電阻特性,不再具有放大作用.仿真結(jié)果如圖9所示,器件輸出特性表現(xiàn)為電阻特性,與圖4趨勢吻合.

由于仿真器件結(jié)構(gòu)、微波注入能量實驗控制等問題,仿真結(jié)果只能反映基本趨勢,無法與實驗結(jié)果完全一致.為了進一步對失效器件進行微觀失效分析,圖10是失效器件的金相顯微鏡照片,進一步驗證了文中分析結(jié)果的正確性.其中,圖10(a)是放大100倍的照片,圖10(b)是放大500倍的照片.在500倍下,可以清楚看到E-B結(jié)的局部襯底已經(jīng)被燒熔,形成熔絲電阻,該電阻的存在破壞了E-B結(jié)之間正常的二極管特性,從而使雙極晶體管失效.

圖10 燒毀器件的全相顯微鏡照片

5 結(jié)束語

結(jié)合雙極型器件在正向偏置下基極注入HPM的實驗現(xiàn)象,建立了HPM作用于雙極型器件的物理過程與模型.通過仿真分析與實驗對比,得到了在HPM基極注入后造成器件退化和失效的主要原因:HPM產(chǎn)生的感應(yīng)電壓脈沖引起基區(qū)燒毀形成熔絲和產(chǎn)生大量缺陷,當(dāng)注入HPM功率較小或重復(fù)脈沖持續(xù)時間較短時,基區(qū)的燒毀面積較小,使得在正向放大時的漏電流增大和缺陷造成復(fù)合電流增大,從而使得器件的放大倍數(shù)減小,器件特性退化;當(dāng)注入功率增大或重復(fù)脈沖持續(xù)時間增加時,基區(qū)的燒毀面積也因此而增大,在正向放大測量時,由于基區(qū)局部穿通,導(dǎo)致正向放大特性不僅退化而且還發(fā)生了畸變,如果注入功率或重復(fù)脈沖持續(xù)時間再繼續(xù)增大,則在發(fā)射區(qū)與集電區(qū)之間的基區(qū)將全部燒毀,導(dǎo)致發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)熔絲電阻導(dǎo)通,在正向放大測量時,體現(xiàn)電阻特性,喪失雙極型晶體管特性.文中的研究結(jié)果對半導(dǎo)體器件

HPM效應(yīng)以及器件失效閾值研究具有一定意義.

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(編輯:齊淑娟)

Mechanism analysis and physical process of bipolar junction transistor failure due to HPM injection from the base

FAN Juping1,2,YOU Hailong1,2,JIA Xinzhang1,2
(1.School of Microelectronic,Xidian Univ.,Xi’an 710071,China;2.Ministry of Education Key Lab. of Wide Band-Gap Semiconductor Materials and Devices,Xidian Univ.,Xi’an 710071,China)

In order to determine the influence of HPM on BJT,the physical process and model are proposed based on the experimental phenomena of BJT injecting HPM from the base.Simulation results by using the model and process proposed in the paper show that the main mechanism of failure and degradation of BJT caused by HPM is that the induced voltage pulse generated by HPM leads to the burn-up and the formation of the fuse element and defect in the base.The burnt area and the number of defects which vary with the power and time of HPM on the devices cause the device failure and the change of DC characteristics.The simulation result is in good agreement with the phenomena of the BJT HPM effect experiment,which indicates that the analysis in this paper is correct.

high power microwave;bipolar junction transistors;DC characteristics;burn area

TN015

A

1001-2400(2014)01-0092-06

10.3969/j.issn.1001-2400.2014.01.017

2013-05-13 < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時間:

時間:2013-09-16

國家自然科學(xué)基金資助項目(60906051)

范菊平(1968-),男,高級工程師,西安電子科技大學(xué)博士研究生,E-mail:13572180798@163.com.

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1076.TN.20130916.0926.201401.114_013.html