NPN雙極型晶體管抗輻照加固研究

李 飛

（中國電子科技集團公司第十三研究所，河北 石家莊 050057）

1 引 言

航天器在軌飛行時，會與宇宙空間中各種高能帶電粒子發(fā)生交互作用。這些高能帶電粒子對航天器本身結(jié)構(gòu)材料及功能材料（如電子器件）的性能有著強烈的輻射影響[1-10]。這些輻射效應(yīng)將可能引發(fā)電子器件的異常或失靈，甚至最終導(dǎo)致航天器發(fā)生災(zāi)難性的事故。所以，對雙極型器件的輻射效應(yīng)進行有效評價，對于優(yōu)化航天器的選材和設(shè)計及提高航天器的在軌服役可靠性，具有十分重要的工程實際意義。為了正確評價雙極型器件的在軌服役行為，需要研究帶電粒子輻射環(huán)境下雙極型器件的損傷效應(yīng)和機理，長期以來研究人員在這方面做過大量工作。

20世紀90年代初，E.W.Enlow 等[11]首次發(fā)現(xiàn)在某些雙極器件中存在輻照損傷效應(yīng)，這一現(xiàn)象引起該領(lǐng)域研究人員的極大關(guān)注，并對此進行了大量研究。雖然國內(nèi)外對雙極器件輻照損傷效應(yīng)進行了大量研究[11-21]，但在器件的制作工藝對雙極晶體管抗輻照影響的研究卻并不多見[21]，輻照對于Si 和表面SiO2之間界面的影響，以及如何在制作工藝中減少這一影響，均需作進一步了解。為解決此問題，同時為國產(chǎn)雙極器件制作工藝提供實驗支持，在此，對工作晶體管進行110keV 電子輻照，研究輻照后Si-SiO2界面的變化和晶體管直流參數(shù)的變化，并闡述其成因和解決方法。

2 實驗樣品和實驗方法

實驗樣品為某制作工藝相同但基區(qū)表面SiO2質(zhì)量不同的雙極型晶體管。輻照總劑量為100krad，輻照劑量率100rad/s。

實驗采取原位測試的方法，雙極晶體管參數(shù)利用半導(dǎo)體參數(shù)分析儀進行采集，測試參數(shù)為雙極晶體管基極電流（IB）、集電極電流（IC）和電流增益（β=IC/IB）。同時對輻照的樣品進行DLTS 深能級瞬態(tài)譜測試。輻照實驗及其參數(shù)的測量均是在室溫下進行，每次參數(shù)的測試都在輻照或退火后20 min 內(nèi)完成。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 輻照后直流參數(shù)的變化及成因

對實驗樣品輻照后測試的直流參數(shù)研究表明，不同的電參數(shù)對于輻照的敏感程度是不同的。圖1所示為在不同總劑量水平下的基極電流IB、集電極電流IC隨基-射結(jié)偏壓VBE的變化情況。

圖1 NPN 晶體管 IB、IC 隨 VBE 變化

由圖1(a)可見，基極電流IB的所有曲線呈現(xiàn)由下到上變化，即隨著輻照總劑量的增加電流向增大方向平移。基極電流IB在VBE較小時的變化程度比VBE較大時表現(xiàn)得更為明顯，且隨著輻照總劑量的增加，VBE較小時與VBE較大時相比，基極電流IB的增量更加顯著。從圖1(b)可以看出，與基極電流IB變化相比，集電極電流IC在整個輻照過程中則沒有明顯變化。

為了對各種條件下的輻照損傷進行比較，選取的所有電參數(shù)均取自基極-發(fā)射結(jié)電壓為0.65V 時的值，在此引入一個參數(shù)——過剩基極電流（ΔIB），定義為：

圖2所示為總輻照劑量不同時，雙極晶體管過剩基極電流ΔIB隨輻照總劑量和基極-發(fā)射結(jié)電壓VBE的變化關(guān)系。橫坐標為電壓VBE，縱坐標過剩基極電流ΔIB取對數(shù)，所有曲線由下到上，隨著輻照總劑量的增加向電流增大方向平移。

由圖2可見，隨輻照總劑量的增加，過剩基極電流ΔIB變化有明顯差異。在總輻照劑量率較低時，過剩基極電流ΔIB較小，其曲線變化趨勢平行于n=1時的理論曲線，說明影響IB的主要是氧化物電荷；在總輻照劑量率較高時，過剩基極電流ΔIB較大，其曲線變化趨勢平行于n=2 時的理論曲線，說明影響IB的主要是界面態(tài)復(fù)合電流。由圖2曲線分析可以得出，隨著輻照注量的增大，基極復(fù)合電流隨之增大，界面態(tài)復(fù)合電流開始占據(jù)主導(dǎo)地位。因此，降低輻照后的界面態(tài)復(fù)合電流，是增強雙極型晶體管抗輻照能力的一個關(guān)鍵因素。

圖2 過剩基極電流隨輻照總劑量變化

3.2 工藝優(yōu)化及實驗結(jié)果

根據(jù)上述結(jié)論，對雙極型晶體管表面SiO2的生長條件進行優(yōu)化。為對比工藝優(yōu)化前后的輻照損傷情況，引入?yún)?shù)歸一化電流增益1/Δβ，直流電參數(shù)均取自基極-發(fā)射結(jié)電壓為0.65V 時的值。

圖3所示為NPN 雙極晶體管表面SiO2生長條件優(yōu)化前后的歸一化電流增益隨輻照總劑量的變化關(guān)系。

圖3 歸一化電流增益隨輻照總劑量變化

由圖可見，隨輻照總劑量的增加，無論是優(yōu)化前還是優(yōu)化后，NPN 雙極晶體管歸一化電流增益一直在衰減；相比于優(yōu)化前的晶體管，優(yōu)化后的晶體管衰減的曲線稍緩，衰減速度會慢一些。對同樣劑量率輻照后的NPN 雙極晶體管，優(yōu)化后的歸一化電流增益的衰減明顯比優(yōu)化前低很多。

用DLTS 深能級瞬態(tài)譜分析方法測試和分析界面態(tài)的情況，可以得到如圖4所示的曲線。

圖4 界面態(tài)電荷數(shù)隨溫度的變化

圖中橫坐標為溫度（單位為K），縱坐標為電荷數(shù)（單位C），靠近橫坐標的兩條基本重合的曲線是優(yōu)化前后NPN 雙極型晶體管輻照之前界面態(tài)的電荷數(shù)，中間一條曲線是總輻照劑量在100krad 時，優(yōu)化后晶體管界面態(tài)電荷數(shù)量，最上方曲線是總輻照劑量在100krad 時，優(yōu)化前晶體管界面態(tài)電荷數(shù)量。可以看出，在T=320K 時，在經(jīng)過相同總輻照劑量的輻照后，優(yōu)化前的界面態(tài)電荷數(shù)約是優(yōu)化后界面態(tài)電荷數(shù)的10 倍，高出近一個數(shù)量級。

4 綜合分析研究

由圖1、圖2和圖3可看出，過剩基極電流和歸一化電流增益表現(xiàn)出同步的變化趨勢，即過剩基極電流的增大導(dǎo)致了歸一化電流增益的降低，而過剩基極電流增大的主要原因是隨總輻照劑量的增加，界面態(tài)電荷數(shù)在不斷增長。

由圖3和圖4可看出，NPN 雙極型晶體管表面SiO2的質(zhì)量對抗輻照能力有顯著的影響。當達到相同的總劑量時，優(yōu)化后的NPN 晶體管的歸一化電流增益變化明顯小于優(yōu)化前的晶體管，通過DLTS 深能級瞬態(tài)譜測試證實了優(yōu)化后的晶體管界面態(tài)電荷數(shù)要比優(yōu)化前的晶體管低一個數(shù)量級。對上述兩個結(jié)論的詳細討論如下：

電離輻照會在覆蓋于NPN 雙極晶體管基-射結(jié)上的隔離氧化層中產(chǎn)生氧化物陷阱電荷，在界面產(chǎn)生界面陷阱電荷。基區(qū)表面的復(fù)合電流、氧化物陷阱電荷、界面陷阱電荷，三者之間有以下關(guān)系[21]：

其中：NIT和NOT分別為輻照感生的界面陷阱電荷和氧化物陷阱電荷。式中α=1/2qεε0Na，是一個與電子電荷、介電常數(shù)以及襯底摻雜有關(guān)的量。

經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，在輻照過程中，NPN 雙極晶體管歸一化電流增益衰減主要是因為在輻照過程中基極電流增加，即出現(xiàn)過剩基極電流[12-14,21]。而過剩基極電流則是由于輻照過程中，基區(qū)表面復(fù)合電流增加的結(jié)果。這一現(xiàn)象會發(fā)生的主要原因分析如下：

1)位于基區(qū)表面Si-SiO2界面的界面陷阱電荷的形成，會導(dǎo)致表面復(fù)合速率增加；

2)在基區(qū)-發(fā)射區(qū)結(jié)上的氧化層中的正氧化物電荷積累形成的電場導(dǎo)致P 型基區(qū)耗盡，引起表面復(fù)合電流的增加，致使基極電流進一步增大。由晶體管增益定義（β=IC/IB）和圖1實驗結(jié)果可知，在輻照過程中集電極電流基本不變。因此，過剩基極電流越大，引起的歸一化電流增益衰減就越嚴重。

3)空間電荷模型認為，在一定的輻照條件下，覆蓋于基區(qū)表面的氧化層內(nèi)產(chǎn)生大量的亞穩(wěn)俘獲空穴以及慢輸運空穴[21]，會積累形成分布于整個氧化層中的空間電荷，從而形成的空間電場，阻礙輻照感生空穴的運動，經(jīng)過一定時間后，部分空穴到達Si-SiO2界面，最后被界面陷阱俘獲形成界面陷阱電荷。SiO2層質(zhì)量的好壞，決定了在相同輻照條件下，空穴產(chǎn)生的概率和數(shù)量，概率越大，數(shù)量越多，成為界面陷阱的電荷就越多。這些界面陷阱電荷會成為復(fù)合中心而導(dǎo)致基區(qū)復(fù)合電流增加，進而導(dǎo)致晶體管基極電流增加和增益減小。這也是圖3和4中SiO2生長條件優(yōu)化前NPN 晶體管損傷更為嚴重的原因。

5 結(jié) 束 語

對NPN 雙極型晶體管在輻照前后的參數(shù)變化做出觀察，研究過剩基極電流、歸一化電流增益等在各條件下的變化規(guī)律，能夠發(fā)現(xiàn)界面態(tài)電荷數(shù)、優(yōu)化生長條件后的SiO2層等因素對界面態(tài)電荷數(shù)的影響方式，進而通過工藝與材料上的調(diào)整，有效緩解器件直流電參數(shù)在輻射后的性能退化。在制作雙極器件時，從抗輻射加固的角度考慮，應(yīng)盡力加強SiO2層的質(zhì)量，以確保獲得更為理想的抗輻照能力。