氧化層厚度對NPN雙極管輻射損傷的影響

席善斌 陸 嫵 王志寬 任迪遠 周 東 文 林 孫 靜

1（新疆電子信息材料與器件重點實驗室，中國科學院新疆理化技術研究所 烏魯木齊 830011）

2（中國科學院研究生院 北京 100049）

3（模擬集成電路國家重點實驗室 重慶 400060）

1991年Enlow等發現某些雙極晶體管具有低劑量率輻射損傷增強效應(enhanced low dose rate sensitivity, ELDRS)，具體表現為雙極器件和集成電路的低劑量率輻射損傷明顯高于高劑量率，且高劑量率輻照后進行與低劑量率輻照等時的室溫退火并不能模擬這種損傷的差異。此后有大量的關于ELDRS效應的報道，這些研究涉及不同類型雙極器件(包括運算放大器、A/D 轉換器、比較器等)和電路的ELDRS效應及損傷機理[1–5]，以及不同的輻照環境(如偏置條件、溫度等)對雙極器件的總劑量率效應和ELDRS效應的影響[6–9]。但是，對于半導體制造工藝參量的變化對雙極器件的輻射效應及ELDRS效應影響的研究，卻較少報道。研究發現，雙極器件的電離輻照效應與器件的類型和制造工藝等有非常密切的關系[6,10,11]。

因此，研究半導體制造工藝對雙極器件的電離輻照效應的影響具有重要意義，可為雙極器件抗低劑量率輻照加固技術的研究提供實驗依據。

為進一步了解雙極器件的電離輻照損傷特性的影響因素，我們設計制作了具有相同工藝條件但屏蔽氧化層厚度不同的兩種橫向NPN型雙極晶體管，研究不同劑量率下的輻射效應和退火特性。本文主要介紹氧化層厚度對 NPN雙極晶體管輻射效應的影響，并作機制探討。

1 材料與方法

NPN雙極晶體管，模擬集成電路國家重點實驗室提供，分為兩組：常規厚度氧化層和薄氧化層雙極晶體管。輻照實驗在中國科學院新疆理化技術研究所60Co源上進行。輻照劑量率為0.13 mGy(Si)/s和0.5 Gy(Si)/s，總劑量為1 000 Gy(Si)。樣品置于根據美軍標準制作的鉛鋁屏蔽盒內，以消除低能散射的影響，防止劑量增強效應的發生。

樣品晶體管輻照時作正向偏置：基極極接+2 V，發射極和集電極接地。雙極晶體管采用美國惠普公司生產的HP4142半導體參數分析儀測試，測試參數：雙極晶體管基極電流(IB)、集電極電流(IC)、電流增益(β=IC/IB)。輻照與參數測量均在室溫下進行，測試均在輻照或退火后20 min內完成。

2 實驗結果

NPN雙極晶體管的高低劑量率的輻射效應及室溫退火特性表明，NPN雙極晶體管對電離輻射非常敏感，在所測試的參數中IB和β=IC/IB變化顯著，而IC變化很小。為對各種條件下的輻射損傷進行比較，所有電參數取值時自基-射結電壓均為0.6 V，并引入兩個參數：過剩基極電流(ΔIB=IBpost–IB0)、歸一化電流增益(β/β0)。

圖1為不同氧化層厚度的NPN雙極晶體管的ΔIB隨輻照總劑量及室溫退火時間的變化。相同劑量率下，氧化層厚度對NPN雙極晶體管的電離輻照效應影響顯著，表現為薄氧化層NPN雙極晶體管的ΔIB明顯高于常規厚氧化層NPN雙極晶體管的ΔIB，且差距隨輻照總劑量增大；對于相同氧化層厚度的NPN雙極晶體管，高劑量率輻照時的ΔIB明顯低于低劑量率輻照時，且在與低劑量率輻照等時的室溫退火過程中有恢復初值的趨勢，但趨勢很小。圖1結果表明，常規厚度氧化層和薄氧化層的樣品均表現出明顯的ELDRS效應。

圖2為不同氧化層厚度的NPN雙極晶體管的歸一化電流增益隨輻照總劑量及室溫退火時間的變化。相同劑量率輻照下，薄氧化層NPN雙極晶體管的電流增益退化更為明顯。不同氧化層厚度的NPN晶體管均有明顯的 ELDRS效應，但顯著程度是否一樣還需進一步分析。Pershenkov等[12]用劑量率因子K來描述雙極晶體管的 ELDRS效應：K=ΔIBL/ΔIBH，其中 ΔIBL和 ΔIBH分別表示低、高劑量率輻照時過剩基極電流大小。根據美軍標MIL-STD-883G，若K>1.5，則存在ELDRS效應，且K越大表示ELDRS效應越明顯；若K≤1.5，則不存在ELDRS效應。

圖1 不同氧化層厚度NPN雙極晶體管過剩基極電流(ΔIB)隨輻照總劑量及室溫退火時間的變化Fig.1 The excess base current (ΔIB) of NPN BJTs vs total dose (a) and RT annealing time (b).

圖2 不同氧化層厚度的NPN雙極晶體歸一化電流增益隨輻照總劑量及室溫退火時間變化規律Fig.2 Normalized current gain (β/β0) vs. total dose (a) and RT annealing time (b).

圖3為兩種氧化層厚度NPN雙極晶體管的K值隨輻照總劑量的變化規律。常規厚度氧化層的NPN晶體管的K值大于薄氧化層，即氧化層厚的NPN雙極晶體管ELDRS效應更明顯。另外，對于薄氧化層NPN雙極晶體管，在總劑量D=100 Gy(Si)時，K=0.685；而厚常規厚氧化層NPN雙極晶體管在這個點的K=3.5。

圖3 K值隨輻照總劑量的變化規律Fig.3 The dose rate coefficient vs. total dose.

3 討論

電離輻射在晶體管的隔離氧化層中產生大量的電子–空穴對。在氧化物電場作用下，電子和空穴朝相反方向運動[13]。由于電子在氧化物中的漂移速度遠遠大于空穴[1]，大量電子會迅速漂移出氧化物，而大部分空穴則會被氧化物陷阱俘獲形成氧化物正電荷。同時，在空穴緩慢向Si-SiO2界面移動的過程中，和界面附近的Si-H鈍化鍵反應生成氫離子。空穴或氫離子被界面附近的氧化物陷阱或界面陷阱俘獲，形成凈正氧化物電荷或界面陷阱電荷[1,3,5,6,11]。

用多級俘獲模型[14]描述空穴在 SiO2氧化層中的遷移過程，電離輻射產生的空穴會經歷多次被陷阱俘獲又發射的過程。陷阱有深淺，淺陷阱中的空穴易于重新擺脫束縛，而一旦被深陷阱俘獲，發射幾率很小。文獻[1]認為深陷阱在離界面20 nm內呈高斯分布，且在界面處達最大值，而淺陷阱在SiO2體內呈無規則分布。空穴被淺陷阱俘獲后成為亞穩態氧化物陷阱電荷，這種電荷的大量存在是空間電場形成的主要原因。而氧化層體內的亞穩態氧化物陷阱電荷的數量與空穴的產生率(g)及平均輸運時間(t0)有關。g越大，t0越大，則氧化層內的亞穩態氧化物陷阱電荷的數量越大。空穴的平均輸運時間[5](t0=L/(μpE0)，L為氧化層厚度)是指在恒定電場下空穴穿過氧化層的平均時間，它與輻照劑量率無關，而與氧化層中的電場、輻照溫度、氧化層厚度及氧化層的陷阱濃度等有關。氧化層中電場增強或輻照溫度升高均能加快空穴的輸運速度，減小t0。由文獻[13]，t0與L3成正比關系，這是由于氧化層增厚、氧化層內陷阱濃度增加以電場減小而引起的。

本文的兩種氧化層厚度的 NPN雙極晶體管均表現出明顯的ELDRS效應(圖1、圖2)，這可由空間電場模型[1–4,9,14]解釋。該模型認為高劑量率輻照時，在基區氧化層內迅速產生大量的亞穩態或慢輸運的淺氧化物陷阱電荷，這些電荷在氧化層內形成較強的帶正電空間電場，阻礙輻射感生的正電荷(包括空穴和H+)到達Si-SiO2界面，少數輻射感生的空穴和極少數的H+經很長時間能到達Si-SiO2界面，其余被深陷阱俘獲，或在界面處與鈍化鍵發生反應生成界面缺陷。在低劑量率輻照時，由于其輻射感生正電荷的產生速率遠低于高劑量率輻照，其基區氧化層內產生的亞穩態或慢輸運的淺氧化物陷阱電荷少，形成的空間電場也較弱。所以，在弱電場、長時間的輻照下，輻射感生的空穴和H+有足夠的時間輸運到Si-SiO2界面，并與鈍化鍵反應生成界面缺陷。低劑量率輻照比高劑量率有更多的凈正氧化物電荷和界面缺陷，從而增加了過剩基極電流，最終造成了低劑量率輻射損傷增強效應的產生。

由空間模型對 ELDRS效應的解釋，氧化層厚度相同的雙極晶體管表現出明顯的 ELDRS效應，這主要是在不同輻照劑量率時，由空穴的產生率不同造成的(氧化層厚度相同時，空穴的平均輸運時間相同)。而厚氧化層雙極晶體管的ELDRS效應明顯強于薄氧化層(圖3)，與不同厚度氧化層的空穴平均輸運時間不同有關。高劑量率輻照時的空穴產生率高，空間電場建立速度和強度隨t0增加(即空穴輸運的速度降低)；對低劑量率輻照，雖然空間電場的建立速度和強度也隨t0增加，但其空穴產生率遠低于高劑量率，形成的空間電場就很弱， 則t0的增加對空間電場的建立影響較小。于是，t0越大，高、低劑量率輻照時建立的空間電場間的差距越大，ELDRS效應就越明顯。厚氧化層內t0大于薄氧化層，其ELDRS效應就明顯強于薄氧化層。文獻[1]、[3]、[7–9]報道的氧化層內電場和輻照溫度上升均能降低雙極器件的 ELDRS效應，因為輻照時電場增加或溫度上升降低了t0。故t0的大小決定著器件的ELDRS效應明顯程度，當t0降至一定數值時，可能就不存在ELDRS效應。

綜上所述，當輻照劑量率相同時，厚氧化層內空間電場建立的速度和強度均大于薄氧化層，因此厚氧化層內建立的空間電場對空穴和 H+向 Si-SiO2界面的阻礙作用更強。另外，相同總劑量下，厚氧化層內產生的空穴總量高于薄氧化層，且增加的空穴總量大多位于氧化層的上表面，由于其t0大，這部分增加的空穴可能被厚氧化層內強的空間電場所阻礙，而不能輸運到Si-SiO2界面。因此，厚氧化層的凈正氧化物電荷和界面態的數量小于薄氧化層，輻照劑量率相同時，薄氧化層雙極晶體管的輻照損傷大于厚氧化層。

4 結語

通過上述研究可以得出以下結論：

(1) 常規厚氧化物及薄氧化物的NPN雙極晶體管均表現出明顯的 ELDRS效應，且常規氧化物BJTs的ELDRS效應更顯著；

(2)輻照劑量率相同時，薄氧化物BJT的輻照損傷明顯大于常規厚度氧化物，不同氧化層厚度的NPN雙極晶體管間的電離輻照效應的差異，主要緣于空穴在不同厚度氧化層中的輸運速度不同。薄氧化層中空穴的輸運速度高于厚氧化層，降低了氧化物體內空間電場的強度，導致薄氧化層擁有更多的凈正氧化物電荷及界面態，增加了過剩基極電流。

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