多晶發射極結構三極管抗總劑量能力研究

鄭若成，顧愛軍

（無錫中微晶園電子有限公司，江蘇 無錫 214035）

1 概述

多晶發射極三極管結構和傳統三極管結構相比，具有很多優勢，包括極大的放大倍數、更高的響應頻率和更小的尺寸結構，這些優勢使得該結構在亞微米和深亞微米BiCMOS工藝中完全取代傳統三極管結構而被廣泛采用。實際上，在和傳統三極管結構比較中，我們比較容易忽略多晶發射極結構三極管的另外一個優勢，那就是多晶發射極結構具有更強的抗總劑量輻照能力。

2 三極管總劑量機理分析

總劑量輻照效應是由于伽馬射線入射到SiO2介質中，產生能量沉積，形成電子空穴對。由于電子在SiO2中遷移率大，容易逃逸，而空穴則容易被SiO2介質中的陷阱俘獲，在SiO2中形成固定的正電荷或者在界面產生界面態。這種固定的正電荷或者界面態會造成硅襯底中雜質濃度的再分布或對載流子壽命產生影響，因此總劑量輻照會對器件性能產生影響。

氧化層越厚，因輻照產生的空穴就越多，被陷阱俘獲的幾率也越大。SiO2介質中固定正電荷分布除了和SiO2介質中的陷阱分布有關外，還和外加電場相關。因為在電場的作用下，正電荷會發生移動，當正的陷阱電荷移動到SiO2-Si界面邊緣時，對器件性能影響最大。因此SiO2介質是總劑量輻照的敏感介質，并且輻照的影響程度和SiO2介質的厚度以及外加電場強烈相關。

對于MOS管器件，抗總劑量輻照加固就是針對氧化層介質的加固，包括場氧的加固和鳥嘴的加固，對于亞微米和深亞微米工藝，柵氧一般不需要加固；對三極管器件，抗總劑量加固也是針對氧化層介質加固，主要是基區上氧化層介質和EC之間的氧化層介質。基區上氧化層介質在總劑量輻照下會對基區產生影響，EC之間氧化層介質總劑量輻照可能會引起EC之間的漏電。圖1是普通梳狀VNPN管的結構。

圖1 普通梳狀VNPN管剖面結構

從普通VNPN管結構可以看出，在EB極間的基區上存在場氧、PMD和鈍化等SiO2介質，盡管PMD和鈍化層氧化層的抗輻照能力要強，但是對器件輻照性能起主要影響的是場氧介質，厚度一般在500nm以上。該氧化層中的正陷阱電荷和界面態會對VNPN管的基區產生影響，包括產生較大的復合電流，降低少子壽命等，這些都會增加基區的復合電流，降低管子HFE。一個三極管中，這樣的位置越多（如梳狀結構），則抗輻照能力越弱。所以，梳狀結構（或者周長面積比大）比單面積結構三極管的抗輻照能力差[1]。另外，在EC間的氧化層也會受到輻照的影響，該氧化層中的陷阱正電荷可能會造成基區反型，從而在EC之間形成N型通路，造成EC之間的漏電。

因此，對于傳統NPN管，輻照引起的主要影響是降低NPN管HFE和造成EC之間的漏電，而HFE的降低是主要的，一般造成EC之間的漏電需要有足夠的正陷阱電荷，需要較大的總劑量輻照才會出現。

從上面的討論可以看出，增強三極管抗總劑量輻照能力需要對關鍵區域進行加固，這種加固包括工藝上的加固，如SiO2介質的改性或者更換其他抗輻照的介質；也可以是結構上的加固，如采用多晶發射極結構等，多晶發射極結構三極管如圖2所示。

圖2 梳狀多晶發射極結構三極管剖面圖

多晶發射極結構也是采用EB交疊方式，這樣可以增大三極管的電流能力，但和傳統三極管結構不同的是，傳統三極管結構發射極是通過金屬引出，而多晶發射極結構的發射極是通過多晶引出，然后再通過金屬將多晶引出。

下面分析多晶發射極結構三極管的輻照瓶頸。和傳統三極管結構類似，第一個瓶頸在EC之間的基區，如圖3（a）所示（圖中多晶邊緣的SPACER應該和場氧交疊在一起，這里放大了它們之間的距離），該區域存在場氧化層，如果沒有P+注入，則場氧化層中的正陷阱電荷可能會造成EC之間漏電。為解決該問題，可以適當拉大SPACER和場氧之間的距離。因為在該結構中，P+SD是自對準注入的，如果SPACER距離場氧有一定的距離，如圖3（b），則該區域會被P+SD注入，更加不會出現EC之間的反型漏電問題。

由于P+SD是自對準注入，因此真正能對器件產生影響的氧化層區域只有SPACER寬度區域和多晶包底部氧化層的區域。由于多晶屏蔽的作用（接固定的低電位），多晶上的氧化層的輻照效應不會對底部的器件產生影響。

多晶包底部氧化層區域的氧化層很薄，電子和空穴都能逃逸，因此輻照不會在該氧化層中產生正陷阱電荷等輻照效應。因此，對于多晶發射極結構，真正能對器件輻照性能產生影響的只有SPACER區域，對于亞微米工藝，該區域的寬度不超過0.15μm，并且P+SD注入后會有橫向擴散，因此對基區復合電流影響的區域就更小了。

圖3 多晶發射極結構輻照能力分析圖

除了上面的分析外，對于多晶發射極三極管結構，還存在如圖4的區域，該區域是多晶從有源區爬到場區。由于多晶的屏蔽，P+SD無法注入到有源區，因此不能通過P+SD注入來阻止EC之間的漏電，一種設計方法是拉長發射極EW窗口到場氧的距離，這樣即使場氧由于輻照影響產生正陷阱電荷，但由于基區距離較長，不會造成整個基區的反型引起EC之間的漏電。

圖4 多晶爬場區結構抗總劑量輻照分析圖

3 多晶發射極三極管輻照結果和分析

對梳狀多晶發射極結構進行了抗輻照實驗，三極管發射極面積為3×16μm×0.5μm，為三指結構，每指長度為16μm，寬度0.5μm。主要考察輻照前后三極管的放大倍數和漏電流，輻照實驗結果如圖5所示。

輻照條件：輻照源Co60γ射線，輻照偏置：EB反偏2.5V。

從圖5（a）可以看出，三極管VNPN管在總劑量150krad（Si）輻照下，HFE曲線無明顯變化，當超過400krad（Si）時，HFE出現明顯減小，但900krad（Si）相對于400krad（Si）劑量減小并不明顯。HFE顯著減小區域是在小注入下，如果設計有足夠的容寬，或者選擇大注入邊緣工作區域（一般情況下都是在這種工作區域），則在900krad（Si）的總劑量輻照下，電路也能正常工作。

圖5 多晶發射極三極管輻照結果

從圖5（a）的HFE曲線看，輻照對器件的影響首先是小注入下的HFE，隨著劑量增大，大注入下的HFE也會出現明顯的降低，這和輻照引起的基區復合電流大小有關。當輻照引起的基區復合電流較小時，影響的是小注入的放大倍數，當輻照引起的基區復合電流較大時，大注入下的放大倍數也會出現明顯的降低。從IC的具體數值看，IC電流幾乎沒有變化，說明從發射極注入的電流達到集電極沒有受到輻照的影響，因此可以說輻照沒有對基區體內復合產生影響。HFE的降低是由于基區表面復合電流IB的增加造成的，而不是集電極電流IC的減小造成的。

從圖5（b）漏電曲線可以看到，輻照前后三極管的漏電也沒有出現異常。

4 結論

相比普通三極管，多晶發射極結構三極管具有很強的抗總劑量輻照能力，這和該結構的特征相關。對多晶發射極結構總劑量輻照瓶頸結構進行適當的優化設計，可以使這種器件的抗總劑量輻照能力達到1Mrad（Si）以上。

[1] 鄭玉展，陸嫵，任迪遠，等.不同發射極面積NPN晶體管高低劑量率輻射損傷特性[J].物理學報，2009, 58（8）：55-76.