PNP輸入雙極運(yùn)算放大器ELDRS效應(yīng)的60Co γ輻照高溫退火評(píng)估方法

許發(fā)月 陸 嫵 王義元 席善斌 李 明 王 飛 周 東

1（中國(guó)科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所 烏魯木齊 830011）

2（新疆電子信息材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 烏魯木齊 830011）

3（中國(guó)科學(xué)院研究生院 北京 100049）

雙極器件低劑量率輻射損傷增強(qiáng)(Enhanced Low Dose Radiation Sensitivity, ELDRS)效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)[1]，給空間系統(tǒng)中電子元器件的抗輻射能力實(shí)驗(yàn)室評(píng)估帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)，國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有很有效的低劑量率輻射損傷加速評(píng)估方法。

美軍標(biāo)MIL-STD-883G的加速評(píng)估法包括[2]：(1)實(shí)際低劑量率輻照；(2)加溫輻照；(3)高劑量率輻照后加溫退火；(4)變劑量率輻照。方法(1)和(2)給出了具體的實(shí)驗(yàn)條件，但方法(3)和(4)并未給出明確的實(shí)驗(yàn)條件，而方法(1)和(4)還存在耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)的缺點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有關(guān)于方法(3)來(lái)評(píng)估雙極器件 ELRDS效應(yīng)的加速方法的報(bào)道。

本文選用三種型號(hào)的 PNP輸入雙極運(yùn)算放大器，在正偏和零偏狀態(tài)下進(jìn)行不同條件的輻照和退火實(shí)驗(yàn)，對(duì)高劑量率輻照后加溫退火加速評(píng)估方法進(jìn)行了探索，并初步獲得了采用此方法評(píng)估雙極運(yùn)算放大器的具體實(shí)驗(yàn)條件。

1 材料與方法

這三種型號(hào)(每一型號(hào)批次相同)的PNP輸入雙極運(yùn)算放大器為雙運(yùn)算放大器LM833、LM158和四運(yùn)算放大器LM837。輻照試驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所大、小60Co源上進(jìn)行，大、小鈷源都是根據(jù)國(guó)家計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的劑量計(jì)進(jìn)行標(biāo)定。輻照在室溫下進(jìn)行，樣品置于鉛鋁屏蔽盒中，以避免低能散射的影響。為研究雙極輸入運(yùn)算放大器 ELDRS效應(yīng)和輻照后高溫退火加速評(píng)估方法，實(shí)驗(yàn)樣品分為三組：1) 0.5 Gy(Si)/s劑量率輻照+20oC退火，退火時(shí)間與低劑量率輻照時(shí)間相同；2) 0.04 Gy(Si)/s劑量率輻照+100oC退火，退火時(shí)間24 h或更長(zhǎng)；3)1×10–4Gy(Si)/s (LM833、LM837)和 2×10–4Gy(Si)/s(LM158)。三組輻照累積總劑量都為1 000 Gy(Si)。

正偏置狀態(tài)下放大器正負(fù)電源為±10 V，負(fù)輸入連接輸出形成反饋狀態(tài)，零偏置所有管腳接地。每次輻照及退火前后都進(jìn)行參數(shù)測(cè)試，高溫退火樣品冷卻至室溫后測(cè)試。雙極運(yùn)算放大器的參數(shù)采用Tektronix577曲線示蹤儀測(cè)試。測(cè)量參數(shù)包括輸入失調(diào)電壓(VOS)、正負(fù)輸入偏置電流(±Ib)、共模抑制比(CMRR)、開(kāi)環(huán)增益(AVO)、電源電壓抑制比(±PSRR)以及正負(fù)電源電流(±ISS)。輻照實(shí)驗(yàn)及其參數(shù)的測(cè)量都在室溫下進(jìn)行，每次參數(shù)的測(cè)試都在輻照或退火后20 min內(nèi)完成。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在雙極運(yùn)算放大器輻照過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，幾乎所有的器件參數(shù)都發(fā)生不同程度的變化，但正負(fù)輸入偏置電流(±Ib)對(duì)電離輻照最為敏感，其變化量以 ΔIbs來(lái)表征器件的輻射損傷程度。

比較 0.5 Gy/s劑量率輻照+室溫退火與低劑量率輻照結(jié)果(圖1)，在高、低劑量率輻照下，上述器件的偏置電流均有一定變化。在同種偏置下，LM833和 LM837在低劑量率輻照下偏置電流變化比室溫高劑量率輻照器件明顯，且甚于高劑量率輻照后作室溫退火至低劑量率輻照的相同時(shí)間的器件，表現(xiàn)出明顯的ELDRS效應(yīng)。LM158正偏時(shí)，高劑量率輻照后偏置電流變化比低劑量率輻照后大；零偏時(shí)高、低劑量率輻照后偏置電流的變化相當(dāng)，即高劑量率輻照損傷大于低劑量率，并未表現(xiàn)出明顯的ELDRS效應(yīng)。

圖1 兩種偏置狀態(tài)下，LM833、LM837和LM158的Ib隨總劑量和室溫退火時(shí)間的變化Fig.1 Ib vs total dose and annealing time for two groups of LM833, LM837 and LM158 devices, under different bias,irradiated at 0.5 Gy/s (room-temperature annealing) and 1×10–4 Gy/s, respectively□ Zero bias, 0.5 Gy/s; ● Normal operation, 0.5 Gy/s; ▲ Zero bias, 1×10–4 Gy/s; ? Normal operation, 1×10–4 Gy/s

圖2為0.04 Gy/s劑量率輻照后高溫退火結(jié)果與低劑量率輻照結(jié)果的比較，對(duì)具有低劑量率效應(yīng)的LM833和 LM837，不管在哪種偏置下，高溫退火24 h內(nèi)，器件均有不同程度的損傷增強(qiáng)，且不同劑量率下的損傷呈一定的倍數(shù)關(guān)系。正偏時(shí)低劑量率輻照損傷為高劑量率輻照后高溫退火損傷結(jié)果最大值的2–3倍，零偏時(shí)為3–5倍。由此可知，高劑量率輻照-高溫退火的結(jié)果乘以一定的倍數(shù)因子，可以保守地模擬其低劑量率的輻照變化。而對(duì)于沒(méi)有低劑量率效應(yīng)的LM158，在退火24 h內(nèi)，器件的損傷沒(méi)有繼續(xù)增強(qiáng)，反而減弱。所以可以從高溫退火過(guò)程中損傷變化的方向來(lái)評(píng)估器件是否具有 ELDRS效應(yīng)。

圖2 LM833(a)、LM837(b)和LM158(c) 0.04 Gy/s劑量率輻照后，經(jīng)100oC退火的結(jié)果Fig.2 Ib vs total dose and annealing time for two groups of LM833, LM837 and LM158 devices, under different bias,irradiated at 0.04 Gy/s(100oC annealing) and 1×10–4 Gy/s, respectively.□ Zero bias, 1×10–4 Gy/s; ● Normal operation, 1×10–4 Gy/s; ▲ Zero bias, 0.04 Gy/s; ? Normal operation, 0.04 Gy/s

3 討論

3.1 PNP晶體管的低劑量率輻射損傷增強(qiáng)效應(yīng)

兩種 PNP輸入雙極運(yùn)算放大器表現(xiàn)出的低劑量率損傷增強(qiáng)效應(yīng)，與PNP輸入雙極運(yùn)算放大器輸入級(jí)單元電路(PNP晶體管)的性能變化密切相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，PNP晶體管的退化是由于鈍化基區(qū)表面的復(fù)合電流Ibsr增加的緣故，而Ibsr與輻照感生的氧化物電荷和界面態(tài)的關(guān)系為[3]：其中，Not為氧化物陷阱電荷密度，Nit為界面陷阱電荷密度。在Si-SiO2界面感生的界面態(tài)會(huì)導(dǎo)致表面復(fù)合速度增加，而輻射感生的正氧化物電荷積累N型基區(qū)，會(huì)導(dǎo)致復(fù)合電流減小。

PNP晶體管的低劑量率輻射損傷增強(qiáng)效應(yīng)可用空間電荷模型解釋[4–6]：在高劑量率輻照時(shí)，在基區(qū)氧化層內(nèi)會(huì)迅速產(chǎn)生大量的正氧化物陷阱電荷(淺陷阱空穴和深陷阱空穴)，這些正陷阱電荷在氧化層內(nèi)形成一個(gè)較強(qiáng)的帶正電的空間電場(chǎng)，它會(huì)消弱隔離氧化層中的外加弱電場(chǎng)，阻礙輻射感生的正電荷(包括空穴和氫離子)到達(dá) Si-SiO2界面生成界面陷阱，從而只有少數(shù)輻照感生的空穴 H+到達(dá) Si-SiO2界面形成界面態(tài)。低劑量率輻照下，由于輻射感生正電荷的產(chǎn)生速率遠(yuǎn)低于高劑量率輻照時(shí)的速率，其基區(qū)氧化層內(nèi)產(chǎn)生的正氧化物陷阱電荷較少，形成的空間電場(chǎng)較弱。在弱電場(chǎng)、長(zhǎng)時(shí)間的輻照條件下，輻射感生的空穴和氫離子有足夠的時(shí)間輸運(yùn)到Si-SiO2界面，并生成界面缺陷。因此，由式(1)可知，相比于高劑量率輻照，低劑量率輻照基區(qū)復(fù)合電流變化較大，損傷較大，即具有低劑量率輻射損傷增強(qiáng)效應(yīng)。

3.2 輻照后高溫退火方法對(duì)低劑量率的輻照損傷的評(píng)估

對(duì)具有低劑量率效應(yīng)的器件，其損傷在高溫退火過(guò)程中有不同程度的增強(qiáng)，這是因?yàn)闇囟葘?duì)輻照損傷主要產(chǎn)生了兩個(gè)方面的影響：一方面由 Boch等[7]求解Onsager方程可知，在低電場(chǎng)下SiO2層中，電子-空穴對(duì)的初始復(fù)合具有溫度效應(yīng)，即溫度越高，空穴的逃逸幾率越大，可能在隨后的運(yùn)動(dòng)中形成更多的缺陷。另一方面，由于氧化層內(nèi)存在著大量的正氧化物陷阱電荷，其中深氧化物陷阱電荷在高于100oC時(shí)會(huì)大量退火[5,6]，而淺陷阱在50oC即可失去束縛電荷的能力[7]。因此，在 100oC高溫退火時(shí)，其氧化層體內(nèi)的氧化物陷阱電荷會(huì)因?yàn)闇囟鹊纳叨罅客嘶穑趸锵葳咫姾尚纬傻目臻g電場(chǎng)減弱，致使更多的空穴和H+到達(dá)Si-SiO2界面形成界面陷阱電荷，而界面陷阱電荷要在高于 175oC時(shí)才退火[7,8]，試驗(yàn)用的溫度對(duì)界面陷阱電荷幾乎無(wú)影響。總之，凈正氧化物電荷減少，空間電場(chǎng)減小，界面陷阱電荷增加。由式(1)，高溫退火引起的鈍化基區(qū)表面復(fù)合電流變化較大，輻射損傷增強(qiáng)。但由于輻照完成后輻射感生的正電荷和正氧化物陷阱電荷的數(shù)量有限，其損傷增強(qiáng)也不會(huì)達(dá)到低劑量率輻照過(guò)程中感生電荷長(zhǎng)時(shí)間在低空間電場(chǎng)作用下的損傷。低劑量率輻照損傷與高劑量率輻照后高溫退火損傷結(jié)果間存在倍數(shù)關(guān)系，則可乘以倍乘因子獲知低劑量率時(shí)輻射損傷。

3.3 不同偏置對(duì)低劑量率輻照損傷與高劑量率輻照后高溫退火損傷結(jié)果的倍數(shù)因子影響

退火后損傷增強(qiáng)的程度和低劑量率損傷的程度成一定倍數(shù)關(guān)系，且零偏置時(shí)更為明顯。這主要由不同偏置下輻射感生的氧化物陷阱電荷和界面陷阱電荷差異造成，其主要受邊緣電場(chǎng)的影響。根據(jù)邊緣電場(chǎng)模型[3,9,10]，在PNP雙極晶體管的基-射結(jié)上方覆蓋的隔離氧化層中，邊緣電場(chǎng)來(lái)源于PN結(jié)的內(nèi)建空間電場(chǎng)的表面效應(yīng)，方向由N區(qū)指向P區(qū)，正偏下邊緣電場(chǎng)較小，而零偏下邊緣電場(chǎng)較大。隨著邊緣電場(chǎng)增強(qiáng)，到達(dá)P區(qū)表面的空穴和H+運(yùn)動(dòng)的數(shù)量就增多，增大了發(fā)射極的耗盡程度，而N區(qū)表面空穴數(shù)量減少，減小了基區(qū)氧化物陷阱電荷的累積程度，導(dǎo)致基區(qū)表面復(fù)合速率的增大，從而引起PNP晶體管基極電流增大。

低劑量率輻照時(shí)輻照過(guò)程持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，邊緣電場(chǎng)對(duì)基區(qū)表面復(fù)合速率影響較大，且零偏時(shí)的邊緣電場(chǎng)較大，即零偏時(shí)PNP晶體管輻射損傷較大。而在高劑量率輻照高溫退火時(shí)，由于輻照過(guò)程持續(xù)時(shí)間很短，且輻照完成后退火24 h內(nèi)界面陷阱電荷基本飽和，時(shí)間也很短，所以邊緣電場(chǎng)對(duì)PNP晶體管輻射損傷影響很小，即在兩種偏置時(shí)輻射并退火的損傷相當(dāng)。所以零偏置時(shí)退火后損傷的程度和低劑量率輻照損傷的程度的倍數(shù)關(guān)系更明顯。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析對(duì) PNP輸入的運(yùn)算放大器可得出如下結(jié)論：

(1) 高劑量率輻照高溫退火結(jié)果乘以一定的倍數(shù)因子可以模擬低劑量率的輻照損傷。根據(jù)退火時(shí)損傷的變化方向可以對(duì)其是否具有劑量率效應(yīng)進(jìn)行評(píng)估，即在高劑量率輻照后，高溫退火過(guò)程中損傷有明顯的增強(qiáng)，則器件具有潛在的低劑量率輻射增強(qiáng)效應(yīng)；如果在高溫退火過(guò)程中損傷有明顯的退化，則器件沒(méi)有低劑量率輻射增強(qiáng)效應(yīng)。原因在于高溫造成了大量氧化物陷阱電荷的退火，減弱了空間電場(chǎng)，使更多的空穴和H+可以到達(dá)Si-SiO2界面形成界面陷阱電荷。

(2) 由于邊緣電場(chǎng)的影響，零偏置時(shí)的高劑量率輻照高溫退火損傷的程度和低劑量率輻照損傷的程度的倍數(shù)關(guān)系更明顯。

1 Enlow E W, Pease R L, Combs W. Response of advanced bipolar processes to ionizing radiation [J]. IEEE Trans Nucl Sci, 1991, NS-38(6): 1342–1351

2 Ionizing radiation (Total dose) test procedure. MIL_STD_883G.1019.7

3 Perhenkov V S, Maslov V B, Cherepko S V,et al. The effect of emitter junction bias on the low dose-rate radiation response of bipolar devices [J]. IEEE Trans Nucl Sci, 1997, 44(6): 1940–1949

4 Graves R J, Member, Cirba C R,et al. Modeling low-dose-rate effect in irradiated bipolar-base oxides [J].IEEE Trans Nucl Sci, 1998, 45(6): 2352–2360

5 Witczak S C, Member, Lacoe R C,et al. Space charge limited degradation of bipolar oxides at low electric fields[J]. IEEE Trans Nucl Sci, 1998, 45(6): 2339–2352

6 Rashkeev S N, Cirba C R, Fleetwood D M,et al. Physical model for enhanced interface-trap formation at low dose rates [J]. IEEE Trans Nucl Sci,2002, 49(6): 2650–2655

7 Boch J, Saigne F, Dusseau L,et al. Temperature effect on geminate recombination [J]. Appl Phy Lett, 2006, 89:042108

8 Banerjee G, Niu G, Cressler J D,et al. Anomalous dose rate effects in gamma irradiated SiGe heterojunction bipolar transistors. IEEE Trans Nucl Sci, 1999, 46(6):1620–1626

9 Pershenkov V S, Chirokov M S, Bretchko P T,et al.Effect of junction fringing field on radiation-induced leakage current in oxide isolation structures and nonuniform damage near the channel edges in mosfets [J].IEEE Trans Nucl Sci, 1994, 41(6): 1895–1901

10 Pershenkov V S, Bashin A Y, Zerbrev G L,et al. Effect of emitter-base bias during infrared illumination on the radiation response of bipolar transistors [J]. IEEE Trans Nucl Sci, 2002, 49(6): 2998–3001