三維數值仿真研究鍺硅異質結雙極晶體管總劑量效應*

張晉新 王信 郭紅霞3) 馮娟? 呂玲 李培 閆允一 吳憲祥 王輝

1) (西安電子科技大學空間科學與技術學院,西安 710126)

2) (中國科學院新疆理化技術研究所,烏魯木齊 830011)

3) (西北核技術研究院,西安 710024)

4) (西安交通大學核科學與技術學院,西安 710049)

為探索鍺硅異質結雙極晶體管(SiGe HBT)總劑量效應的損傷機理,采用半導體器件三維模擬工具(TCAD),建立電離輻照總劑量效應損傷模型,分析比較電離輻射在SiGe HBT 不同氧化層結構的不同位置引入陷阱電荷缺陷后,器件正向Gummel 特性和反向Gummel 特性的退化特征,獲得SiGe HBT 總劑量效應損傷規律,并與60Co γ 輻照實驗進行對比.結果表明:總劑量輻照在SiGe HBT 器件中引入的氧化物陷阱正電荷主要在pn 結附近的Si/SiO2 界面處產生影響,引起pn 結耗盡區的變化,帶來載流子復合增加,最終導致基極電流增大、增益下降;其中EB Spacer 氧化層中產生的陷阱電荷主要影響正向Gummel 特性,而LOCOS 隔離氧化層中的陷阱電荷則是造成反向Gummel 特性退化的主要因素.通過數值模擬分析獲得的SiGe HBT 總劑量效應損傷規律與不同偏置下60Co γ 輻照實驗的結論符合得較好.

1 引言

鍺硅異質結雙極晶體管(SiGe HBT)由于硅基能帶工程材料和器件結構的優勢,通過對基區Ge 組分梯度的控制,可實現大跨度的工作溫度范圍[1-3].如在月球—180 ℃—+120 ℃的典型極端寬溫范圍內,SiGe 器件使相關航天探測設備具備去掉龐大保溫裝置的可能,進而降低發射成本[4,5].因此,不同于傳統設計中無源器件作為艙外設備的主流,SiGe HBT 具備了有源器件艙外應用的可能性,能夠顯著提高平臺的有效載荷質量,實現信息獲取、處理與傳輸能力的大幅提升.同時,SiGe HBT利用能帶工程,在增益、頻響特性、噪聲和線性度等方面都表現出優異的電學性能;其還與Si CMOS工藝具有良好的兼容性,對于不同電路應用具有很強的適用性,成為空間極端環境應用中的有力競爭者之一[6,7].

然而,工作于空間輻射環境中的電子系統不可避免地要遭受電離輻射的影響.尤其當器件應用于衛星殼體外部時,短時間內遭受的粒子輻射急劇增加,電離輻射總劑量效應成為不可忽視的損傷因素.在SiGe HBT 實現商業量產之后,針對其總劑量效應的實驗研究工作也隨之展開,結果表明SiGe HBT 抗總劑量效應能力要強于傳統Si BJT,但早期研究的實驗環節設計較為簡單,多采用浮空輻照的實驗條件,對其輻照后的損傷機制仍采用傳統BJT 正向電學特性的方法進行分析,不同氧化層中輻射誘發不同缺陷的影響也鮮有報道[8-12];另一方面,由于總劑量效應作用機理目前尚未形成統一的認識,其數值仿真并不像單粒子效應一樣具有完善的模型,基于數值仿真的SiGe HBT 總劑量效應機理分析報道較少[13,14].我們團隊在前期開展了針對SiGe HBT 在不同輻照偏置、不同輻照劑量率下的總劑量效應實驗研究工作,發現電離輻射總劑量效應在SiGe HBT 器件內部引入的缺陷分布隨著輻照條件發生變化,可能形成復雜的總劑量效應響應形式.

因此,為深入分析SiGe HBT 總劑量效應陷阱電荷駐留方式對器件損傷的影響,本文針對國產SiGe HBT 器件進行總劑量效應三維數值模擬.根據器件實際結構與工藝,構建合理的結構模型;通過在器件不同氧化層的Si/SiO2界面處添加陷阱,來模擬電離輻照后SiGe HBT 電學特性的退化情況;通過分析正向和反向Gummel 特性的變化,獲得不同條件下總劑量效應誘發陷阱電荷分布差異對器件性能退化的影響,結合輻照實驗結果,深入揭示SiGe HBT 總劑量效應關鍵影響因素損傷機理.

2 總劑量效應損傷機理與模擬方法分析

2.1 總劑量效應損傷機理

研究表明,電離輻射總劑量效應是由輻射在氧化層中引入缺陷造成的.高能粒子或光子入射器件氧化層,SiO2吸收射線能量而電離產生大量電子空穴對.大部分電子空穴對短時間內發生復合,逃離初始復合的電子空穴對會在氧化物中電場的作用下分離,電子約在1 ps 內被快速掃出氧化層,而空穴則以較低遷移率在氧化層中緩慢輸運.一部分空穴輸運至氧化物內本征缺陷處被氧空位所俘獲,形成亞穩的氧化物陷阱正電荷(中心),這些中心大約在0.1 eV 的激活能下就發生退火;其余空穴輸運到氧化物邊界處,被界面附近(幾nm 范圍內)的氧空位缺陷俘獲形成穩定的氧化物陷阱正電荷(中心),從而引起耗盡區電勢變化.另一方面,空穴在輸運過程中,打破弱的Si—H 鈍化鍵,空穴和H+在電場作用下輸運到界面,在那里參與反應生成界面陷阱即Pb中心,引起界面處載流子復合.電離輻射總劑量效應通過上述物理反應形成氧化物陷阱電荷(Not)與界面陷阱電荷(Nit)兩種缺陷,對器件電學特性產生影響[13-16].

與SiNPN 雙極晶體管相似,SiGe HBT 輻照后電學性能的退化主要是由基極電流增加(ΔIB)引起的,ΔIB越大,電流增益β衰退越嚴重.對于單一正向工作的pn 結而言,其電流密度可表示為

其中J0為飽和電流密度,n為理想電流因子,通常1 ＜n＜ 2,n越大,電流中非理想因素(復合電流)所占比例越大,電流曲線斜率越低.器件處于正常工作環境中時,基極電流主要取決于發射結空穴擴散電流IpE,由于SiGe HBT 基區摻Ge 后能帶漸變引起的載流子快速遷移,基區復合電流可忽略不計.然而,當SiGe HBT 遭受電離輻射,在材料內部引入輻照損傷缺陷,導致晶體管中的發射結復合電流IrE和基區電子復合電流IrB顯著增加,這兩個電流分量成為影響基極電流變化的主要因素,造成SiGe HBT 電流增益的退化,這些非理想因素主要由耗盡區復合電流和表面復合電流組成,引起SiGe HBT ΔIB的增長.其中,基區外部覆蓋的SiO2氧化層中的輻射感生凈正電荷的積累在結區附近形成額外的空間電場,使得p 型基區表面耗盡,并與pn 結空間電荷層連接起來,增加了耗盡區的總體積,從而增加了耗盡區復合電流.Si/SiO2界面處輻射感生界面缺陷作為額外的復合中心,增加了表面復合速率,增大了表面復合電流.因此,對于SiGe HBT,輻照感生凈正氧化物陷阱電荷和界面態越多,IB越大,增益衰減越顯著.

2.2 總劑量效應模擬方法

進行SiGe HBT 總劑量效應的半導體器件數值模擬,首先需要建立器件模型,包括器件結構模型和物理參數模型.結構模型根據器件實際幾何參數和工藝布局信息進行合理的設計與近似,既能有效反映器件的關鍵結構,又不會過于復雜而增加無效的計算量.物理參數模型則根據器件的半導體物理特性和所關注的電學參數進行選擇[17,18].然后,開展總劑量效應的模擬計算.Sentaurus TCAD 包含了一些輻射模型,但是它們并不適用于所有的情況,因此,大量文獻主要從以下兩方面來解決總劑量效應的模擬問題:一是通過載流子連續性方程中的生成項在給定的區域或材料中引入固定電荷模型,這一模型與吸收劑量下的體電荷相關.但是,Sentaurus TCAD 無法在絕緣層(SiO2)中求解載流子連續性方程,因此,這一模型不適用器件中對輻射敏感的材料層,此外,該模型的默認值是對X 射線輻射有效,而對于其他射線(如伽馬射線)需要進行修正.二是采用traps 模型模擬總劑量效應,其可在Si/SiO2界面處構建陷阱模型,與吸收劑量有關,目前有報道采用的方法是在氧化層以及Si/SiO2界面處添加陷阱模型,模擬γ輻照后器件性能的衰退情況[19].結合我們前期工作的實驗數據,本文采用在Si/SiO2界面嵌入traps 模型來模擬γ輻照下SiGe HBT 總劑量效應,根據模擬計算的數據深入分析SiGe HBT 總劑量效應損傷機理.

3 器件仿真與總劑量效應三維數值模擬

3.1 SiGe HBT 器件建模

數值仿真基于SiGe HBT 實際結構建立器件模型,該樣品采用垂直型雙極晶體管工藝制造,其結構如圖1 所示.在摻雜濃度約為5 × 1015cm—3的大面積p 型襯底和n 型集電區上方,外延硅層并摻入組分漸變的鍺作為基區.引入的Ge 含量從發射極/基極結(E/B 結)和基極/集電極結(B/C 結)處的0%向基區中央緩慢變化至20%,形成緩變異質結,pn 結處的帶隙差使基區實現厚度薄(約0.08 μm)、摻雜濃度高(摻入約1 × 1019cm—3的硼(B))的特性,提高器件響應頻率的同時降低基區電阻.基區上生長氧化層,隨后采用自對準工藝刻蝕淀積多晶硅制作發射區,摻入1.5 × 1020cm—3的砷(As)形成n 型發射極.其他重要結構包括:在重摻B 的p 型外延基區下方集電區內采用LOCOS工藝制造的隔離氧化層,這種氧化隔離工藝會在基區內形成較短的一部分薄氧化層,稱為“鳥嘴效應”區;重摻As 形成n+層引出集電極電極;以及在接近器件邊緣處,采用離子注入工藝注入硼離子并推進形成的環狀重摻p 型隔離墻,作為襯底電極的引出接觸.

圖1 SiGe HBT 結構示意圖Fig.1.Schematic device cross section of SiGe HBT.

總劑量效應是由氧化層及Si/SiO2界面處輻射誘發的陷阱缺陷引起的,仿真應重點考慮pn結耗盡區與氧化層界面處的載流子輸運情況.由圖1 可以看出,對總劑量效應產生影響的陷阱缺陷可能分布于:本征基區(In-base)與基區覆蓋的氧化層區(EB spacer)界面處、發射區與EB spacer界面處、本征基區與LOCOS 隔離氧化層界面處、以及集電區與LOCOS 隔離氧化層界面處.因此模擬計算中一方面應在本征基區、pn 結區、EB spacer與LOCOS 氧化層的Si/SiO2界面處設置較精細的網格提高計算精度,另一方面為了節約計算時間與成本,器件結構模型簡化去掉了襯底結構,設計為發射區、基區和集電區的垂直結構.圖2 給出sentaurus TCAD 構件的器件三維結構模型和器件內部結構二維仿真剖面圖.

圖2 器件結構仿真模型 (a) 器件三維結構;(b) 內部結構二維剖面圖(上)及局部放大視圖(下)Fig.2.Device model of simulation:(a) Three dimensional (3D) structure;(b) two dimensional (2D) cross section of SiGe HBT.

物理模型的合理選擇對數值模擬的精確性有重要影響.首先,作為雙極器件,少子遷移是SiGe HBT 工作原理的關鍵,philips 統一遷移率模型可實現多子和少子遷移率的同步模擬,是最重要的物理模型;其次,考慮器件重摻雜以及Si,Ge 為間接帶隙半導體的特性,使用 Auger 復合模型和SRH復合模型;最后,考慮到發射區、基區與集電區引出處采用重摻雜,還選用了速率飽和模型與禁帶變窄模型.根據劃分的網格,在每一個X,Y,Z坐標確定的節點處求解泊松方程、載流子連續方程、以及玻爾茲曼輸運方程.

3.2 總劑量效應數值模擬

在前期工作[20]中,我們通過60Coγ射線輻照實驗分析認為,γ輻照在SiGe HBT 的發射極/基極(E/B)結和基極/集電極(B/C)結連接的兩處氧化層,即EB spacer 氧化層和LOCOS 氧化層內都誘發陷阱電荷,數值計算采用在EB spacer 和LOCOS 隔離氧化層與有源區的界面處添加陷阱的方式來模擬總劑量效應.γ輻照電離產生的電子在1 ps 內被掃出氧化層,因此計算中只添加空穴陷阱.根據空間電荷理論,輻射誘發的空穴逃脫初始復合后,被俘獲形成的亞穩極易發生退火,而輸運至Si/SiO2界面的空穴被俘獲形成的中心則較為穩定不易退火,其通常位于價帶上1 eV 左右.因此數值模擬中嵌入htraps 模型,陷阱以單一能級分布,距離價帶1.9 eV,濃度2 × 1015cm—3,空穴陷阱捕獲截面為5 × 10—16cm2,電子陷阱捕獲截面為5 × 10—17cm2.

同時,根據實驗結果分析認為,不同偏置在EB 結耗盡區附近的EB spacer 氧化層、BC 結耗盡區附近的LOCOS 隔離氧化層中形成的電場方向不同,造成氧化物陷阱電荷與界面陷阱電荷的分布與積累有所差異,最終導致工作于不同偏置狀態下的SiGe HBT 的電離輻射總劑量效應損傷程度并不相同,且正向Gummel 特性和反向Gummel特性對輻照偏置的響應情況也并不一致[20,21].因此,為探討電離輻射在SiGe HBT 內部誘發陷阱電荷駐留差異對總劑量效應的影響機制,數值模擬中根據不同偏置電場下電離載流子在SiO2層中的輸運方向,選取的traps 模型添加位置具體為:1#樣品在本征基區In-base 與EB spacer 界面添加上述traps;2#樣品在本征基區In-base 與EB spacer界面、本征基區In-base 與LOCOS 隔離氧化層下界面添加traps 模型;3#樣品在本征基區In-base與LOCOS 隔離氧化層下界面添加traps 模型;4#樣品在本征基區In-base 與LOCOS 隔離氧化層上界面添加traps 模型;5#樣品在發射區和EB spacer 界面添加traps 模型;6#樣品在本征基區In-base 與LOCOS 隔離氧化層下界面、在集電區與LOCOS 隔離氧化層下界面添加traps 模型;7#樣品在本征基區In-base 與EB spacer 界面、本征基區In-base 與LOCOS 隔離氧化層上界面添加traps模型.圖3 為不同Si/SiO2界面位置處添加traps模型的示意圖.

圖3 不同Si/SiO2 界面位置處添加traps 模型的示意圖 (a)本征基區In-base 與EB spacer 界面添加traps;(b)本征基區Inbase 與LOCOS 上界面添加trap;(c)發射區和EB spacer 界面添加traps;(d)本征基區In-base 與LOCOS 下界面、集電區與LOCOS 下界面添加trapsFig.3.Traps on different location of Si/SiO2 interface:(a) Traps on interface between In-base and EB spacer;(b) traps on interface between In-base and upside LOCOS;(c) traps on interface between emitter and EB spacer;(d) traps on interface between below side LOCOS and In-base,up side and collector.

4 模擬結果與討論

4.1 SiGe HBT 總劑量效應損傷機制數值仿真研究

早期文獻報道的針對SiGe HBT 總劑量效應的研究一般采用管腳全部接地或浮空的方式進行實驗.文獻[22]在輻照過程中選擇了發射結不同偏置,但輻照后仍采用傳統BJT 正向電學特性分析器件退化情況.因此,本文針對不同偏置影響SiGe HBT 總劑量效應的陷阱電荷駐留機制開展仿真研究.Gummel 特性是雙極晶體管最重要的電學特征,它可以反映雙極晶體管直流電流的放大能力.對于NPN 型晶體管而言,正向Gummel 特性表示了電子電流從發射極向集電極的放大功能,而反向Gummel 特性則代表了電子電流從集電極向發射極的放大特征,在不同電路應用中二者都具有重要作用.傳統Si BJT 為實現正向電流放大能力,通常采用發射區重摻雜,基區摻雜濃度次之,集電區摻雜濃度最低的工藝方法,這不僅在一定程度上減弱了器件的頻率特性,還使得反向放大功能下降.SiGe HBT 電流增益和響應頻率的提高則依賴于基區摻Ge 引入的帶隙變化,使得基區和集電區摻雜都可有所提高,從而減小了區域電阻.各區域之間濃度差的縮小和pn 結處帶隙差的漸變使SiGe HBT 同樣具備良好的反向放大功能.因此,仿真對正向Gummel 特性和反向Gummel 特性都進行了關注.圖4 給出在SiGe HBT 結區與氧化層界面處添加traps 模型前后正向Gummel 與反向Gummel 特性的變化.

圖4 添加traps 模型前后SiGe HBT Gummel 特性變化 (a)正向Gummel;(b)反向GummelFig.4.Gummel characteristics of SiGe HBT in the pre and post traps:(a) Forward Gummel characteristics;(b) reverse Gummel characteristics.

由圖4 可知,電離輻射總劑量效應誘發陷阱電荷后,SiGe HBT 正向和反向Gummel 特性均沒有出現明顯失效.集電極電流IC和發射極電流IE在陷阱電荷的影響下變化很小,而基極電流IB隨著輻照總劑量累積而增大,因此造成電流增益的下降,引起器件性能衰退.

γ輻照引起基區外部SiO2氧化層中氧化物陷阱正電荷的積累,在結區附近形成額外電場,改變了Si/SiO2的界面電勢,造成p 型基區表面耗盡甚至反型,并與pn 結空間電荷層連接起來,增加了耗盡區的總體積,從而增加了基區的耗盡區復合電流.另一方面,Si/SiO2界面處輻射感生界面陷阱電荷作為額外的復合中心,增加了表面復合速率,增大了基區表面復合電流.因此,對于SiGe HBT,輻照感生氧化物陷阱電荷與界面陷阱電荷越多,IB越大,器件放大特性衰減越顯著.

4.2 SiGe HBT 總劑量效應陷阱電荷駐留分布對電學特性的影響機制仿真研究

不同偏置在器件內部引入的電場不同,造成輻射電離產生的載流子的輸運方向、輸運速度、缺陷形成位置不同,基極電流的增加程度有所不同,并非所有位置引入的陷阱電荷都會造成基極電流的增加,而正向Gummel 與反向Gummel對陷阱電荷的分布位置的響應也有所差別.

4.2.1 不同陷阱電荷駐留分布對正向Gummel特性的影響

為分析電離輻射總劑量效應在SiGe HBT 內部誘發缺陷位置的不同,造成器件電學性能變化差異的損傷機制,首先對比了只在器件一處氧化層Si/SiO2界面添加traps模型時,SiGe HBT正向Gummel 特性的變化,即1#樣品在本征基區與EB spacer 界面添加traps,3#樣品在本征基區與LOCOS 隔離氧化層下界面添加traps,4#樣品在本征基區與LOCOS 隔離氧化層上界面添加traps,5#樣品在發射區和EB spacer 界面添加traps.同時為了深入研究不同偏置對SiGe HBT 總劑量效應的影響,引入參數歸一化過剩基極電流,即輻照后基極電流的增量與輻照前基極電流的比值(ΔIB/IB0=(IBpost-IB0)/IB0).根據實驗結果,測量正向Gummel 特性時,器件大約在VBE=0.6 V時正常開啟,因此,正向電參數測試時,統一提取E/B 結電壓為0.6 V 時的IB.圖5(a)給出TCAD仿真獲得的以上4 種樣品添加traps 模型后與未輻照器件的正向Gummel 特性中基極電流的變化,圖5(b)則對比了4 種樣品TCAD 仿真獲得正向Gummel 歸一化過剩基極電流.

由圖5(a)可以看出,TCAD 仿真獲得的SiGe HBT 總劑量效應正向Gummel 特性變化與實驗的變化規律相同:電離輻射誘發的缺陷導致基極電流增加,引起器件增益下降,其中基極電流在基-射結電壓(VBE)較小時增量顯著,當增大至0.8 V 以后電流趨于飽和,基極電流相對增量逐漸減小.對比發現,3#樣品、4#樣品與未添加traps 模型的器件相比,基極電流沒有明顯的增加,1#樣品基極電流增量最大,5#樣品次之.圖5(b)的歸一化過剩基極電流定量地表明1#樣品和5#樣品相比于未輻照器件,基極電流分別增加了4.05 倍與1.84 倍;4#樣品只增加了0.04 倍,而3#樣品在添加traps模型后沒有發生基極電流增加的情況.

圖5 對比只在器件一處Si/SiO2 界面添加traps 模型的正向Gummel 特性變化 (a)正向Gummel 基極電流變化;(b)正向Gummel 特性歸一化過剩基極電流Fig.5.Forward Gummel characteristic with the traps model added toonly one Si/SiO2 interface:(a) Base current of forward Gummel;(b) normalized excess base current of forward Gummel.

通過對這4 種樣品的對比分析認為,總劑量效應對SiGe HBT 正向Gummel 特性的影響,主要取決于發射區/基區(E/B)結處Si/SiO2界面附近電離輻射誘發的陷阱電荷.這是因為正向Gummel測試中,為實現電流正向放大流動,電子和空穴要越過 EB 結勢壘,EB 結耗盡區內電流分量的變化成為影響ΔIB增長的主要因素.1#樣品陷阱電荷分布于本征基區與EB spacer 的界面附近(圖3(a)),這一區域靠近基區一側,且氧化層與E/B 結耗盡區的接觸面積較大,電離輻射產生的空穴輸運至這一區域被俘獲形成正陷阱電荷,引起耗盡區擴張,基區復合電流增加最為顯著;5#樣品的陷阱電荷位于發射區與EB spacer 界面(圖3(c)),與E/B結耗盡區接觸面積較小,但這些陷阱電荷形成的空間電場會對E/B 結耗盡區產生一定影響,造成基區復合電流有所增加.4#樣品在本征基區與LOCOS上界面添加陷阱(圖3(b)),這部分陷阱主要位于LOCOS 隔離的“鳥嘴效應”區與基區的Si/SiO2界面處,一方面氧化層體積較小,另一方面距離E/B 結耗盡區較遠,陷阱電荷形成的空間電場對耗盡區的影響減弱,因此4#樣品的歸一化過剩基極電流僅為0.042.3#樣品陷阱電荷分布在了“鳥嘴效應”區的靠近B/C 結一側的基區中(圖3(d)),對正向Gummel 特性沒有產生影響.

為進一步分析兩處氧化層中陷阱缺陷對SiGe HBT 總劑量效應的綜合影響,圖6 對比了1#樣品本征基區與EB spacer 界面添加traps,2#樣品本征基區與EB spacer 界面、本征基區與LOCOS 隔離氧化層下界面添加traps 模型,7#樣品本征基區與EB spacer 界面、本征基區與LOCOS 隔離氧化層上界面添加traps 模型的電學特性變化情況.由于3 種樣品都在本征基區與EB spacer 的界面分布有陷阱電荷,可以看出圖6(a)中3 種樣品基極電流都有相近的增量.圖6(b)對比歸一化過剩基極電流,7#樣品由于在LOCOS 隔離氧化層上界面添加了陷阱缺陷,對基區中E/B 結耗盡區的復合電流產生了附加的影響,其損傷最為嚴重.1#樣品與2#樣品的歸一化過剩基極電流只有0.00003的差異,可以認為B/C 結處Si/SiO2界面的陷阱電荷對正向Gummel 特性的退化幾乎沒有影響.綜上所述,當偏置電壓在EB spacer 與LOCOS 氧化層中形成的內建電場,促使輻射電離空穴向著EB結耗盡區的方向輸運時,SiGe HBT 正向Gummel特性的退化較為嚴重.

圖6 對比本征基區與EB spacer 界面添加traps 模型的正向Gummel 特性變化 (a) 正向Gummel 基極電流變化;(b) 正向Gummel 特性歸一化過剩基極電流Fig.6.Forward Gummel characteristic with the traps model added to theinterface of intrinsic base and EB spacer:(a) Base current of forward Gummel;(b) normalized excess base current.

由于本征基區與LOCOS 隔離氧化層下界面的接觸面積很小(3#樣品),可能不足以對器件電學性能造成顯著影響,圖7 對比了3#樣品與6#樣品在輻照前后的正向Gummel 特性基極電流變化情況.可以看出,這兩種樣品的基極電流只在小電壓(VBE＜ 0.3 V)時略有增大,隨后基極電流與未輻照器件相比沒有變化.6#樣品在本征基區與LOCOS 隔離氧化層下界面、集電區與LOCOS 隔離氧化層下界面都添加了traps 模型(圖3(d)),B/C結耗盡區與隔離氧化層的界面面積增加,但正向Gummel 特性的基極電流并未增加,說明電離輻射在LOCOS 隔離氧化層下界面誘發的陷阱電荷對正向Gummel 特性的影響很小.

圖7 對比LOCOS 隔離下界面添加traps 模型的正向Gummel 特性基極電流變化Fig.7.Base current of forward Gummel characteristic with the traps model added to theinterface on the below side of LOCOS.

4.2.2 不同陷阱電荷駐留分布對反向Gummel特性的影響

基區摻鍺引起的帶隙變化使SiGe HBT 同時具有了良好的反向放大能力,因此,進一步探討了電離輻射誘發陷阱電荷駐留規律對反向Gummel特性的影響.與正向Gummel 特性一樣,首先分析了只在器件一處氧化層Si/SiO2界面添加traps 模型時,SiGe HBT 反向Gummel 特性的變化.根據實驗結果,測量反向Gummel 特性時,器件大約在VBE=0.4 V 時開啟,提取此時的基極電流IB,分析反向Gummel 特性的歸一化過剩基極電流.圖8對比了1#,3#,4#,5#樣品在添加陷阱缺陷后反向Gummel 特性的基極電流變化與歸一化過剩基極電流.

圖8 對比只在器件一處Si/SiO2 界面添加traps 模型的反向Gummel 特性變化 (a)反向Gummel 基極電流變化;(b)反向Gummel 特性歸一化過剩基極電流Fig.8.Reverse Gummel characteristic with the traps model added only to one Si/SiO2 interface:(a) Base current of reverse Gummel;(b) normalized excess base current of reverse Gummel.

由圖8(a)可以看出,電離輻射總劑量效應在SiGe HBT 中引入陷阱電荷后,反向Gummel 特性中的基極電流在小電壓下就開始增大,在VBC大于0.6 V 后基極電流相對增量逐漸減小,在0.8 V后和未輻照器件的基極電流基本一致.其中4#樣品基極電流增量很大,3#樣品基極電流也有明顯增大,1#與5#樣品的基極電流變化很小.結合圖8(b)給出的歸一化過剩基極電流數據分析,4#樣品的陷阱電荷分布在本征基區與LOCOS 隔離氧化層的上界面(圖3(b)),這一區域與B/C 結耗盡區Si/SiO2界面的接觸面積大,產生的空間電場易對耗盡區中基區復合電流產生影響;3#樣品陷阱電荷分布在本征基區與LOCOS 隔離氧化層的下界面,這一區域處于B/C 結耗盡區內,引起基極電流增加了3.3 倍,但其與基區接觸面積較小,基極電流增加沒有4#樣品顯著;1#樣品在本征基區與EB spacer界面添加了traps 模型(圖3(a)),對B/C 結耗盡區內的復合電流沒有影響,這一部分陷阱電荷作為復合中心,造成了基區內復合電流的微小增加,歸一化過剩基極電流僅為0.12;5#樣品由于是在發射區與EB spacer 界面形成陷阱電荷(圖3(c)),對反向Gummel 完全沒有影響.對比這4 種樣品分析認為,反向Gummel 測試中,為實現電流反向放大,電子和空穴有效越過 B/C 結勢壘在其耗盡區內的電流分量成為影響電流-電壓特性的主要因素.因此,反向Gummel 主要取決于LOCOS 隔離鳥嘴效應區氧化層中的輻射感生缺陷.

圖9 對比了本征基區與LOCOS 隔離上界面分布陷阱缺陷的兩種樣品歸一化過剩基極電流的情況.4#樣品只在本征基區與LOCOS 隔離氧化層上界面添加traps 模型,而7#樣品同時還在本征基區與EB Spacer 界面添加了traps 模型,可以看出7#樣品基極電流的增量大于4#樣品.圖10對比了本征基區與LOCOS 隔離下界面分布陷阱缺陷的3 種樣品歸一化過剩基極電流的情況.其中,3#樣品只在本征基區與LOCOS 隔離下界面添加traps,其歸一化過剩基極電流最小(3.29),6#樣品還在集電區與LOCOS 隔離氧化層下界面添加traps 模型,這一區域包括了集電區內的小部分B/C 結耗盡區,歸一化過剩基極電流比3#樣品略有增加(3.37);2#樣品則另外在本征基區與EB Spacer 界面添加traps 模型,其歸一化過剩基極電流在這3 種樣品中最大(3.42).根據圖9 與圖10的數據分析認為,SiGe HBT 中LOCOS 隔離氧化層在基區中由應力作用形成了一個較薄的“鳥嘴”效應區域,這一區域中電離輻射感生形成的陷阱電荷對SiGe HBT 的反向Gummel 特性起主要影響作用;由于其與基區接觸面積有限,反向Gummel特性還明顯受到了本征基區與EB spacer 界面處陷阱電荷的影響,這些缺陷作為復合中心,引起了基極電流的少量增加.

圖9 對比本征基區與LOCOS 隔離上界面分布陷阱缺陷的歸一化過剩基極電流Fig.9.Normalized excess base current of reverse Gummel with the traps model added to the interface of intrinsic base and upside LOCOS.

圖10 對比本征基區與LOCOS 隔離下界面分布陷阱缺陷的歸一化過剩基極電流Fig.10.Normalized excess base current of reverse Gummel with the traps model added to the interface of intrinsic base and below LOCOS.

4.360Coγ射線輻照實驗結果對比分析

SiGe HBT 在不同工作模式下設置的偏置電壓不同,在E/B 結與B/C 結處形成的電場方向不同,電離輻射誘發載流子的輸運受到這些電場力的作用,造成最終陷阱電荷分布的差異.為探討缺陷駐留方式對SiGe HBT 的影響,在60Coγ射線輻照過程中,分別為E/B 結與B/C 結設置正偏、零偏與反偏.具體為7 種偏置條件:1#樣品VBE=+0.9 V,VBC=—2 V;2#樣品VBE=+0.68 V,VBC=+0.65 V;3#樣品VBE=+0.65 V,VBC=0 V;4#樣品VBE=0 V,VBC=—1 V;5#樣品VBE=0 V,VBC=+1 V;6#樣品VBE=0 V,VBC=0 V;7#樣品VBE=—2 V,VBC=—2 V.處于不同偏置條件的樣品在接受累積劑量為1 Mrad(Si)的γ射線輻照后,分別進行正向Gummel 特性與反向Gummel 特性的測試.圖11 給出了測試獲得的正向和反向Gummel 特性分別在VBE=+0.6 V 與VBC=+0.4 V 時的歸一化過剩基極電流.

由圖11(a)可以看出,對于正向Gummel 特性,當B/C 結置于反偏時,E/B 結反偏輻照后的歸一化過剩基極電流大于E/B 結零偏,E/B 結正偏的值最小,即7# ＞ 4# ＞ 1#;當B/C 結置于正偏時,也表現出E/B 結反偏輻照后的歸一化過剩基極電流大于E/B 結零偏的特征,即5# ＞ 2#;當B/C 結置于零偏時,變化規律相同(6# ＞ 3#).當E/B 置于相同偏置時,輻照后的歸一化過剩基極電流則表現出B/C 結零偏大于正偏大于反偏.E/B 結正偏,形成了從基區指向發射區的電場,伽馬射線輻照在EB spacer 氧化層中電離產生的空穴向著遠離基區的方向輸運,形成的氧化物陷阱電荷對E/B 結耗盡區的影響較小,因此1#,2#,3#樣品的基極電流退化最小;E/B 結反偏時則正好相反,空穴輸運至基區與EB spacer 的Si/SiO2界面形成正陷阱電荷,其引起的空間電場使E/B結耗盡區擴大,基極電流退化增強,7#樣品基極電流退化較為嚴重.說明SiGe HBT 總劑量效應影響下正向Gummel 特性的退化主要受到EB spacer氧化層與基區界面陷阱電荷的影響,數值模擬分析得出的結論與之符合.

圖11 60Co γ 射線輻照后不同偏置條件樣品的歸一化過剩基極電流 (a)正向Gummel 測試;(b)反向Gummel 測試Fig.11.Normalized excess base currents of SiGe HBT after γ irriadition in different biases:(a) Forward Gummel;(b) reverse Gummel.

根據圖11(b)對反向Gummel 特性進行了分析,B/C 結正偏時形成從基區指向集電區的電場,在B/C 結耗盡區附近的Si/SiO2界面形成氧化物陷阱電荷,引起基極電流中的復合電流增加,因此2#樣品和5#樣品輻照后的歸一化過剩基極電流最大;B/C 結反偏時電場由集電區指向基區,氧化層中電離的空穴沿這一電場方向運動,被氧空位捕獲形成的陷阱電荷概率更大地分布在“鳥嘴”效應區域附近,這一部分氧化層較薄,與基區接觸面積也有限,感生缺陷形成的空間電場對耗盡區中基極復合電流影響較小,因此1#樣品和4#樣品的歸一化過剩基極電流最小.說明電離輻射在LOCOS隔離氧化層與基區界面處誘發的陷阱電荷是造成SiGe HBT 反向Gummel 特性退化的主要原因,數值模擬的結果也符合這一結論.

5 結論

本文使用 TCAD 仿真工具進行γ輻照對國產SiGe HBT 總劑量效應影響的數值模擬研究.結果表明,基極電流增加是SiGe HBT 總劑量效應引起器件電學特性退化的原因,基極電流的變化趨勢也同實驗結果相似.不同偏置在器件內部引入的電場不同,造成輻射電離產生的載流子的輸運方向不同,引起陷阱缺陷分布位置不同,從而影響基極電流退化,并非所有位置引入的陷阱電荷都會造成基極電流的增加,而正向Gummel 特性與反向Gummel 特性對陷阱電荷的分布位置的響應也有所差別.其中EB spacer 氧化層中產生的陷阱電荷主要影響正向Gummel 特性,而LOCOS 隔離氧化層中的氧化物陷阱正電荷則造成反向Gummel特性的退化.數值模擬獲得的SiGe HBT 總劑量效應損傷機制與不同偏置下60Coγ輻照實驗分析結論符合得較好.