Si3N4鈍化層對橫向PNP雙極晶?體管電離輻射損傷的影響機理

楊劍群 董磊 劉超銘 李興冀 徐鵬飛

(哈爾濱工業大學材料科學與工程學院,哈爾濱 150001)

1 引 言

空間輻射環境中的帶電粒子及各種射線是造成航天器內部的電子器件損傷的主要原因[1?6],其中以電離輻射效應為主.雙極晶體管作為雙極電路中的基本單元,具有諸多優良特性,廣泛應用于航天電子系統,但對電離輻射效應具有較高的敏感性[7?9].電離輻射損傷會在雙極晶體管的內部形成兩種類型的缺陷:氧化物俘獲電荷和界面態[10?12].由于電離輻射損傷使晶體管內部產生大量的電子-空穴對,處于氧化層中的自由電子比空穴的遷移速率大得多,可以迅速逸出SiO2/Si界面.空穴的遷移速率小,留下的空穴易于被形成具有氧空位的缺陷俘獲,形成氧化物俘獲正電荷.其中,含氫的氧空位釋放出質子,質子傳遞到界面處與Si-H發生反應,形成界面態陷阱電荷.這兩種缺陷的產生會使表面復合速率增加,引起復合電流增大,電流增益下降,最終導致雙極晶體管的電學性能發生退化.

研究表明,電子器件的電離輻射敏感性與其結構密切相關[13,14].Shaneyfelt等[15]針對有/無Si3N4鈍化層結構的LM111和LM139兩種器件的研究表明,在相同輻照條件下,具有鈍化層結構的器件,輸入偏置電流隨電離總劑量的變化更明顯,說明鈍化層結構對器件受到電離輻射的損傷程度有密切的關系.馬武英等[14]探究了有/無Si3N4鈍化層結構對柵控橫向PNP雙極晶體管輻射響應的影響.基于柵掃描技術發現,有鈍化器件的基極電流隨著柵壓變化出現展寬現象.由此得出推論,有鈍化層的器件可能是由于制備鈍化層過程中引入了氫分子,導致界面電荷的增加并使得界面態能級分散.然而,上述研究無法排除柵極工藝的影響.上述研究表明,雙極晶體管的輻射特性具有很強的工藝相關性.然而,迄今無法直接證明鈍化層對電離輻射損傷的影響機理.

為了解決上述問題,本文選取60Co源作為輻照源,針對橫向PNP(LPNP)雙極晶體管,采用電性能測試及深能級缺陷分析等兩種研究手段相結合,深入研究了有/無Si3N4鈍化層處理雙極晶體管的電離輻射微觀缺陷及損傷機理.通過綜合運用電性能測試和微觀缺陷分析兩種手段,可以更好地揭示器件宏觀性能退化與微觀缺陷演化的對應關系,闡明鈍化層材料和結構對雙極器件電離輻射損傷程度的影響機理.

2 試驗器件與試驗方法

本實驗選用國產雙極電路中廣泛采用的LPNP雙極晶體管作為研究對象,采用兩種鈍化處理方式.第一種LPNP晶體管僅有SiO2鈍化層;第二種LPNP晶體管在SiO2鈍化層上進行了Si3N4鈍化.兩種晶體管的SiO2鈍化層厚度相同,約為900 nm;Si3N4鈍化層厚度約為1200 nm,如圖1所示.本文選取60Co γ射線輻照源進行輻照試驗,輻照劑量率為100 rad(Si)/s,總劑量為100 krad(Si),室溫大氣下進行輻照.輻照過程中器件所有管腳均為接地狀態.

圖1 有/無Si3N4鈍化層的LPNP雙極晶體管結構圖Fig.1.Structure of lateral PNP(LPNP)bipolar junction transistor with/without nitride passivation layer.

輻照試驗前后,針對LPNP晶體管進行Gummel曲線測試.Gummel曲線的測試條件為:發射極接掃描電壓,以0.01 V的步長從0.2 V掃描至0.8 V,即VEB=0.2—0.8 V;基極和集電極均接地,即VB=VC=VBC=0.由Gummel特性曲線,可以得到LPNP晶體管的電流增益β及其倒數隨吸收劑量的變化規律.此外,通過晶體管基極電流IB和集電極電流IC在輻照前后的變化量可以定性表征電離缺陷的變化規律,用于和深能級瞬態譜的比較.

深能級瞬態譜(DLTS)是檢測半導體材料和器件中深能級缺陷最有效的方法.對輻照前后雙極晶體管進行DLTS測試分析,可以定量表征微觀缺陷的演化特征.為了深入分析LPNP晶體管電離輻照損傷微觀機理,本文利用深能級瞬態譜測試系統對輻照前后LPNP晶體管內部的微觀缺陷狀態進行了測試分析.

在電離輻射條件下,雙極晶體管中所產生的DLTS信號峰本質上是氧化層俘獲正電荷和界面態對Si體材料中載流子遷移行為影響的外在表現.對于雙極晶體管,DLTS測試時將給定的高頻電壓加到PN結上,電壓值在反向偏壓UR和填充脈沖電壓UP之間往返(UR>UP).通過結電容的變化,可以獲得深能級缺陷信息.測試是在給定溫度范圍內進行的,掃描得到的?C-T測試曲線便是深能級瞬態譜.選取PNP雙極晶體管中摻雜濃度較低的集電區進行深能級瞬態譜測試,測試過程中PNP雙極晶體管的基極接高電位,集電極接低電位.DLTS測試過程中設定的主要參數為:反向偏壓VR=5 V,脈沖電壓VP=0.1 V,測試周期TW=4 s,脈沖寬度TP=0.01 s,掃描溫度從150 K到330 K.

3 實驗結果與分析

3.1 電性能測試分析

圖2為在劑量率100 rad(Si)/s的60Co γ射線輻照條件下,有/無Si3N4鈍化層的LPNP雙極晶體管Gummel特性曲線.由圖2(a)可知,隨著吸收劑量的增加,無論有氮化層還是無氮化層的LPNP晶體管基極電流(IB)均逐漸增加.并且,當發射結電壓VEB較小時,IB增加量較大;當發射結電壓VEB較大時,IB增加量減小.從圖中可以看出,有氮化層的LPNP晶體管IB增加量明顯大于無氮化層的LPNP晶體管.圖2(b)示出了有/無Si3N4鈍化層的LPNP晶體管的集電極電流(IC)隨發射結電壓VEB的變化情況.由圖可知,隨著吸收劑量的增加,無氮化層的LPNP晶體管IC幾乎未發生變化.有氮化層的LPNP晶體管的IC隨輻照劑量的增加略有降低,輻照后二者IC的變化差別不是很明顯.這表明輻照后有/無氮化層對LPNP晶體管電學性能的影響主要表現在IB的差別上.

圖2 相同輻照條件下,有/無Si3N4鈍化層的LPNP雙極型晶體管在輻照前后(a)基極電流IB和(b)集電極電流IC隨VEB的變化Fig.2.Variations of(a)base current;(b)collector current with base-emitter for the PNP bipolar transistorswith/without nitride passivation layer under the same irradiation conditions.

輻照前后雙極晶體管基極電流的變化量稱為過剩基極電流.通過研究雙極晶體管中過剩基極電流(?IB)與發射極-基極電壓(VEB)的變化關系,可以深入分析氧化物電荷和界面態對雙極晶體管輻射損傷的影響規律,進而揭示有/無Si3N4鈍化層對雙極晶體管電離輻射損傷的影響機理.過剩基極電流為?IB=IB?IB-pre,式中,IB為輻照后晶體管的基極電流,IB-pre為輻照前的基極電流.針對雙極晶體管的電離輻射損傷效應,引入理想因子n,過剩基極電流為?IB正比于exp(VEB/n·VT),其中,VEB為發射極-基極結的偏壓,VT為硅中載流子的熱電壓,n為理想因子.根據文獻[16,17]可知,?IB來自于表面復合電流和體復合電流.理想情況下,在輻照過程中,如果過剩基極電流是以空間電荷區的復合電流為主,理想因子n=2;如果過剩基極電流來源于空間電荷區及中性基區的復合電流,則理想因子n<2.在60Co γ射線輻照條件下,雙極晶體管主要受到電離輻射的影響,而電離輻射損傷主要在雙極晶體管內部產生兩種類型的輻射缺陷,包括氧化物俘獲正電荷和界面態.氧化物俘獲正電荷和界面態均會影響表面復合電流和體復合電流.

圖3 在相同輻照條件下,有/無Si3N4鈍化層的PNP雙極型晶體管的?IB隨VEB的變化Fig.3.Variations of excess base current(?IB)with base-emitter voltage(VEB)for the PNP transistors with/without nitride passivation layer under the same irradiation conditions.

圖3示出了在相同劑量率輻照條件下,有/無Si3N4鈍化層的LPNP雙極晶體管輻照過程中?IB隨發射結電壓VEB的變化關系.由圖可知,對于這兩種類型的LPNP晶體管來說,隨著電離吸收劑量的增加,?IB均明顯增加;兩種類型的LPNP晶體管?IB的理想因子n隨VEB變化曲線斜率為n<2.因此,有/無Si3N4鈍化層的LPNP晶體管的?IB是由空間電荷區和中性基區的復合電流共同作用引起的.此外,在相同輻照條件下,與無氮化層的LPNP晶體管相比,有氮化層的LPNP晶體管?IB增加幅度更大,這進一步說明有氮化層的LPNP晶體管受到的輻射損傷程度大.這是由于在輻照過程中,會產生大量的界面態,使空間電荷區和中性基區的表面復合電流增加,進而產生過剩基極電流.而PNP雙極晶體管中,位于基區上方氧化層中的氧化物正電荷的累積會導致Si/SiO2界面附近少子濃度降低,使少子和多子濃度的差值增大,降低了表面復合率,抑制了基極電流的增加.基于以上分析,過剩基極電流主要是由界面態造成的.此外,與無氮化層的LPNP晶體管相比,輻照過程中有氮化層的LPNP晶體管產生的過剩基極電流大,由此可知,有氮化層的LPNP晶體管輻照誘導的界面態加快表面復合速率,促使復合電流的增加更為顯著,導致少子壽命及電流增益的降低,進而使器件的電性能退化程度加劇.

3.2 深能級缺陷分析

根據上述分析可知,LPNP晶體管電性能退化的微觀機理主要受界面態的影響.現對上述試驗結果進行微觀缺陷分析.

圖4為相同輻照條件下,有/無Si3N4鈍化層的LPNP雙極晶體管深能級瞬態譜的比較結果.圖中信號峰對應的橫坐標溫度反映類深能級缺陷的能級位置,而縱坐標高度對應于類深能級缺陷的濃度.由圖4可見,在60Co γ射線輻照后,有/無Si3N4鈍化層的LPNP晶體管的深能級瞬態譜中均出現了明顯的特征信號峰,DLTS信號為正值,表明60Co γ射線在LPNP晶體管集電區中所產生的缺陷信號為多子陷阱中心,且缺陷信號峰所在的溫度范圍為250—320 K.與無氮化層晶體管相比,有氮化層的晶體管輻照后DLTS特征峰向左移動,將其分別命名為H(310)缺陷和H(300)缺陷.針對所出現的信號峰,基于DLTS測試系統中阿倫尼烏斯方程進行擬合,計算得出輻射缺陷對應的能級,如圖5所示.由圖5可知,無氮化層的LPNP晶體管中的類深能級缺陷能級為Ec=0.716 eV;有氮化層的LPNP晶體管中的類深能級缺陷能級為Ec=0.630 eV.已有大量研究表明,針對硅基雙極晶體管,類深能級缺陷能級位于0.6—0.8 eV之間的信號為界面態陷阱[18?20].基于上述分析可知,對于LPNP晶體管,鈍化層會影響電離輻射損傷產生的類深能級缺陷能級位置,有氮化層的LPNP晶體管中引入的缺陷能級位置變淺,更接近Si禁帶中心(Ec=0.55 eV).從圖4中還發現,無Si3N4鈍化層LPNP晶體管的DLTS特征峰的高度大于有Si3N4鈍化層的,這說明無Si3N4鈍化層的晶體管輻射產生的類深能級缺陷濃度大于有Si3N4鈍化層的.根據肖克萊-里德-霍爾模型[21]可知,能級越接近禁帶中心的缺陷復合效率越高,對器件造成的損傷越大.在缺陷能級相同的情況下,缺陷濃度越高,損傷越大.因此,基于上述分析可知,有/無Si3N4鈍化層LPNP晶體管輻射損傷的程度由缺陷能級和缺陷濃度綜合作用的效果而定,既不單獨取決于缺陷能級,也不單獨取決于缺陷濃度,其中缺陷能級占主導作用,顯著影響晶體管的電性能的退化程度.Si3N4鈍化層的存在促使LPNP器件電離輻射損傷缺陷的能級位置發生改變,能級位置更接近禁帶中心,從而加劇了LPNP晶體管的輻射損傷.

圖4 60Co γ射線輻照條件下,有/無Si3N4鈍化層的LPNP雙極型晶體管深能級瞬態譜圖Fig.4.DLTS spectra of the PNP transistors with/without nitride passivation layer irradiated by60Co source.

圖5 阿倫尼烏斯方程擬合曲線Fig.5.Arrhenius equation fitting curve.

根據上述分析,現通過LPNP雙極晶體管電流增益?β及其電流增益倒數?(1/β)隨電離吸收劑量的關系,直觀地反映電性能變化規律,以證明鈍化層對電離輻射損傷的影響機理,從而揭示器件宏觀性能退化與微觀缺陷演化的對應關系.晶體管的電流增益β可由Gummel特性曲線計算獲得.對于LPNP雙極晶體管,當VEB=0.65 V時,集電極電流與基極電流的比值(β=IC/IB)定義為電流增益.電流增益的變化量取為?β=β?β0,電流增益倒數的變化量為?(1/β)=1/β ? 1/β0,式中β0和β分別代表晶體管輻照前和輻照后的電流增益值.

圖6和圖7為在劑量率為100 rad(Si)/s的60Co γ射線輻照條件下,LPNP晶體管的?β和?(1/β)隨電離吸收劑量的變化結果.由圖可以看出,有/無Si3N4鈍化層的LPNP晶體管的?β均隨電離吸收劑量的增加而降低,?(1/β)則先逐漸增加,然后趨于飽和.上述結果表明,在劑量率為100 rad(Si)/s的60Co γ射線輻照條件下,有/無Si3N4鈍化層的LPNP晶體管發生明顯的輻射損傷.并且,在相同吸收劑量條件下,與無鈍化層的LPNP晶體管相比,有氮化層的晶體管電流增益的退化程度更大.與上述鈍化層對電離輻射損傷影響的微觀機理討論結果相符合.

圖6 在相同輻照條件下,有/無氮化層處理的LPNP雙極型晶體管的電流增益隨電離吸收劑量的變化Fig.6.The current gain as a function of total dosefor the LPNP transistors with/without nitride passivation layer under the same irradiation conditions.

綜合上述分析可知,與無氮化層的LPNP晶體管相比,有氮化層的LPNP晶體管電性能損傷嚴重,并且產生了大量的能級接近禁帶中心位置的界面態.這主要是由于在進行氮化層制備過程中引入了大量的氫導致,這一現象已被文獻[15]證實.文獻中利用彈性反沖探測技術檢測有/無氮化層的LM139電壓比較器中氫元素的濃度.研究發現,與無氮化層的樣品相比,有Si3N4鈍化層的LM139樣品內部引入了大量的氫元素,使其性能發生嚴重退化.器件內部氫的存在對其電離輻射效應產生顯著影響,是導致器件Si/SiO2界面處產生界面態的主要因素[22?24],從而加劇了晶體管性能退化.此外,文獻[25]研究表明,制備鈍化層過程中引入的機械應力也會提高器件的抗輻射能力.然而,本文研究表明,與無氮化層的LPNP晶體管相比,具有氮化層的晶體管對電離輻射效應敏感.由此,可以認為具有氮化層的晶體管抗輻射能力差主要是由于制備鈍化層過程中引入的氫,而不是機械應力導致.

圖7 在相同輻照條件下,有/無氮化層處理的LPNP雙極型晶體管的電流增益倒數隨電離吸收劑量的變化Fig.7.The reciprocal of current gain as a function of total dose for the LPNP transistors with/without nitride passivation layer under the same irradiation conditions.

4 結 論

通過對比研究在60Co γ射線輻照過程中有/無Si3N4鈍化層的LPNP雙極晶體管的電性能及電離輻射缺陷的演化規律,揭示了氮化層的存在對LPNP雙極晶體管電離輻射損傷的影響機理,得到以下結論.

1)在60Co γ射線輻照過程中,有/無Si3N4鈍化層的LPNP晶體管的電性能參數呈現出類似的變化趨勢,IB隨電離吸收劑量的增加而增大,并且有氮化層的LPNP晶體管IB退化程度較大;有/無Si3N4鈍化層的LPNP晶體管電流增益均隨電離吸收劑量的增加發生明顯的退化,其中有氮化層的LPNP晶體管的電流增益退化程度較大.

2)基于過剩基極電流的變化及DLTS分析表明,隨著電離吸收劑量的增加,有/無Si3N4鈍化層的LPNP晶體管的過剩基極電流由空間電荷區和中性基區復合電流共同作用.電離輻射導致有/無Si3N4鈍化層的LPNP晶體管內部產生大量的界面態.與無氮化層的LPNP晶體管相比,有氮化層的LPNP晶體管產生的界面態缺陷能級更接近禁帶中心位置.這主要是由于在制備氮化層過程中引入了大量的氫所導致.氫的存在促進了能級更接近禁帶中心位置的界面態形成,從而加劇了晶體管性能的退化.