氧化层厚度对NPN双极管辐射损伤的影响

席善斌 陆 妩 王志宽 任迪远 周 东 文 林 孙 静

1（新疆电子信息材料与器件重点实验室，中国科学院新疆理化技术研究所 乌鲁木齐 830011）

2（中国科学院研究生院 北京 100049）

3（模拟集成电路国家重点实验室 重庆 400060）

1991年Enlow等发现某些双极晶体管具有低剂量率辐射损伤增强效应(enhanced low dose rate sensitivity, ELDRS)，具体表现为双极器件和集成电路的低剂量率辐射损伤明显高于高剂量率，且高剂量率辐照后进行与低剂量率辐照等时的室温退火并不能模拟这种损伤的差异。此后有大量的关于ELDRS效应的报道，这些研究涉及不同类型双极器件(包括运算放大器、A/D 转换器、比较器等)和电路的ELDRS效应及损伤机理[1–5]，以及不同的辐照环境(如偏置条件、温度等)对双极器件的总剂量率效应和ELDRS效应的影响[6–9]。但是，对于半导体制造工艺参量的变化对双极器件的辐射效应及ELDRS效应影响的研究，却较少报道。研究发现，双极器件的电离辐照效应与器件的类型和制造工艺等有非常密切的关系[6,10,11]。

因此，研究半导体制造工艺对双极器件的电离辐照效应的影响具有重要意义，可为双极器件抗低剂量率辐照加固技术的研究提供实验依据。

为进一步了解双极器件的电离辐照损伤特性的影响因素，我们设计制作了具有相同工艺条件但屏蔽氧化层厚度不同的两种横向NPN型双极晶体管，研究不同剂量率下的辐射效应和退火特性。本文主要介绍氧化层厚度对 NPN双极晶体管辐射效应的影响，并作机制探讨。

1 材料与方法

NPN双极晶体管，模拟集成电路国家重点实验室提供，分为两组：常规厚度氧化层和薄氧化层双极晶体管。辐照实验在中国科学院新疆理化技术研究所60Co源上进行。辐照剂量率为0.13 mGy(Si)/s和0.5 Gy(Si)/s，总剂量为1 000 Gy(Si)。样品置于根据美军标准制作的铅铝屏蔽盒内，以消除低能散射的影响，防止剂量增强效应的发生。

样品晶体管辐照时作正向偏置：基极极接+2 V，发射极和集电极接地。双极晶体管采用美国惠普公司生产的HP4142半导体参数分析仪测试，测试参数：双极晶体管基极电流(IB)、集电极电流(IC)、电流增益(β=IC/IB)。辐照与参数测量均在室温下进行，测试均在辐照或退火后20 min内完成。

2 实验结果

NPN双极晶体管的高低剂量率的辐射效应及室温退火特性表明，NPN双极晶体管对电离辐射非常敏感，在所测试的参数中IB和β=IC/IB变化显著，而IC变化很小。为对各种条件下的辐射损伤进行比较，所有电参数取值时自基-射结电压均为0.6 V，并引入两个参数：过剩基极电流(ΔIB=IBpost–IB0)、归一化电流增益(β/β0)。

图1为不同氧化层厚度的NPN双极晶体管的ΔIB随辐照总剂量及室温退火时间的变化。相同剂量率下，氧化层厚度对NPN双极晶体管的电离辐照效应影响显著，表现为薄氧化层NPN双极晶体管的ΔIB明显高于常规厚氧化层NPN双极晶体管的ΔIB，且差距随辐照总剂量增大；对于相同氧化层厚度的NPN双极晶体管，高剂量率辐照时的ΔIB明显低于低剂量率辐照时，且在与低剂量率辐照等时的室温退火过程中有恢复初值的趋势，但趋势很小。图1结果表明，常规厚度氧化层和薄氧化层的样品均表现出明显的ELDRS效应。

图2为不同氧化层厚度的NPN双极晶体管的归一化电流增益随辐照总剂量及室温退火时间的变化。相同剂量率辐照下，薄氧化层NPN双极晶体管的电流增益退化更为明显。不同氧化层厚度的NPN晶体管均有明显的 ELDRS效应，但显著程度是否一样还需进一步分析。Pershenkov等[12]用剂量率因子K来描述双极晶体管的 ELDRS效应：K=ΔIBL/ΔIBH，其中 ΔIBL和 ΔIBH分别表示低、高剂量率辐照时过剩基极电流大小。根据美军标MIL-STD-883G，若K>1.5，则存在ELDRS效应，且K越大表示ELDRS效应越明显；若K≤1.5，则不存在ELDRS效应。

图1 不同氧化层厚度NPN双极晶体管过剩基极电流(ΔIB)随辐照总剂量及室温退火时间的变化Fig.1 The excess base current (ΔIB) of NPN BJTs vs total dose (a) and RT annealing time (b).

图2 不同氧化层厚度的NPN双极晶体归一化电流增益随辐照总剂量及室温退火时间变化规律Fig.2 Normalized current gain (β/β0) vs. total dose (a) and RT annealing time (b).

图3为两种氧化层厚度NPN双极晶体管的K值随辐照总剂量的变化规律。常规厚度氧化层的NPN晶体管的K值大于薄氧化层，即氧化层厚的NPN双极晶体管ELDRS效应更明显。另外，对于薄氧化层NPN双极晶体管，在总剂量D=100 Gy(Si)时，K=0.685；而厚常规厚氧化层NPN双极晶体管在这个点的K=3.5。

图3 K值随辐照总剂量的变化规律Fig.3 The dose rate coefficient vs. total dose.

3 讨论

电离辐射在晶体管的隔离氧化层中产生大量的电子–空穴对。在氧化物电场作用下，电子和空穴朝相反方向运动[13]。由于电子在氧化物中的漂移速度远远大于空穴[1]，大量电子会迅速漂移出氧化物，而大部分空穴则会被氧化物陷阱俘获形成氧化物正电荷。同时，在空穴缓慢向Si-SiO2界面移动的过程中，和界面附近的Si-H钝化键反应生成氢离子。空穴或氢离子被界面附近的氧化物陷阱或界面陷阱俘获，形成净正氧化物电荷或界面陷阱电荷[1,3,5,6,11]。

用多级俘获模型[14]描述空穴在 SiO2氧化层中的迁移过程，电离辐射产生的空穴会经历多次被陷阱俘获又发射的过程。陷阱有深浅，浅陷阱中的空穴易于重新摆脱束缚，而一旦被深陷阱俘获，发射几率很小。文献[1]认为深陷阱在离界面20 nm内呈高斯分布，且在界面处达最大值，而浅陷阱在SiO2体内呈无规则分布。空穴被浅陷阱俘获后成为亚稳态氧化物陷阱电荷，这种电荷的大量存在是空间电场形成的主要原因。而氧化层体内的亚稳态氧化物陷阱电荷的数量与空穴的产生率(g)及平均输运时间(t0)有关。g越大，t0越大，则氧化层内的亚稳态氧化物陷阱电荷的数量越大。空穴的平均输运时间[5](t0=L/(μpE0)，L为氧化层厚度)是指在恒定电场下空穴穿过氧化层的平均时间，它与辐照剂量率无关，而与氧化层中的电场、辐照温度、氧化层厚度及氧化层的陷阱浓度等有关。氧化层中电场增强或辐照温度升高均能加快空穴的输运速度，减小t0。由文献[13]，t0与L3成正比关系，这是由于氧化层增厚、氧化层内陷阱浓度增加以电场减小而引起的。

本文的两种氧化层厚度的 NPN双极晶体管均表现出明显的ELDRS效应(图1、图2)，这可由空间电场模型[1–4,9,14]解释。该模型认为高剂量率辐照时，在基区氧化层内迅速产生大量的亚稳态或慢输运的浅氧化物陷阱电荷，这些电荷在氧化层内形成较强的带正电空间电场，阻碍辐射感生的正电荷(包括空穴和H+)到达Si-SiO2界面，少数辐射感生的空穴和极少数的H+经很长时间能到达Si-SiO2界面，其余被深陷阱俘获，或在界面处与钝化键发生反应生成界面缺陷。在低剂量率辐照时，由于其辐射感生正电荷的产生速率远低于高剂量率辐照，其基区氧化层内产生的亚稳态或慢输运的浅氧化物陷阱电荷少，形成的空间电场也较弱。所以，在弱电场、长时间的辐照下，辐射感生的空穴和H+有足够的时间输运到Si-SiO2界面，并与钝化键反应生成界面缺陷。低剂量率辐照比高剂量率有更多的净正氧化物电荷和界面缺陷，从而增加了过剩基极电流，最终造成了低剂量率辐射损伤增强效应的产生。

由空间模型对 ELDRS效应的解释，氧化层厚度相同的双极晶体管表现出明显的 ELDRS效应，这主要是在不同辐照剂量率时，由空穴的产生率不同造成的(氧化层厚度相同时，空穴的平均输运时间相同)。而厚氧化层双极晶体管的ELDRS效应明显强于薄氧化层(图3)，与不同厚度氧化层的空穴平均输运时间不同有关。高剂量率辐照时的空穴产生率高，空间电场建立速度和强度随t0增加(即空穴输运的速度降低)；对低剂量率辐照，虽然空间电场的建立速度和强度也随t0增加，但其空穴产生率远低于高剂量率，形成的空间电场就很弱， 则t0的增加对空间电场的建立影响较小。于是，t0越大，高、低剂量率辐照时建立的空间电场间的差距越大，ELDRS效应就越明显。厚氧化层内t0大于薄氧化层，其ELDRS效应就明显强于薄氧化层。文献[1]、[3]、[7–9]报道的氧化层内电场和辐照温度上升均能降低双极器件的 ELDRS效应，因为辐照时电场增加或温度上升降低了t0。故t0的大小决定着器件的ELDRS效应明显程度，当t0降至一定数值时，可能就不存在ELDRS效应。

综上所述，当辐照剂量率相同时，厚氧化层内空间电场建立的速度和强度均大于薄氧化层，因此厚氧化层内建立的空间电场对空穴和 H+向 Si-SiO2界面的阻碍作用更强。另外，相同总剂量下，厚氧化层内产生的空穴总量高于薄氧化层，且增加的空穴总量大多位于氧化层的上表面，由于其t0大，这部分增加的空穴可能被厚氧化层内强的空间电场所阻碍，而不能输运到Si-SiO2界面。因此，厚氧化层的净正氧化物电荷和界面态的数量小于薄氧化层，辐照剂量率相同时，薄氧化层双极晶体管的辐照损伤大于厚氧化层。

4 结语

通过上述研究可以得出以下结论：

(1) 常规厚氧化物及薄氧化物的NPN双极晶体管均表现出明显的 ELDRS效应，且常规氧化物BJTs的ELDRS效应更显著；

(2)辐照剂量率相同时，薄氧化物BJT的辐照损伤明显大于常规厚度氧化物，不同氧化层厚度的NPN双极晶体管间的电离辐照效应的差异，主要缘于空穴在不同厚度氧化层中的输运速度不同。薄氧化层中空穴的输运速度高于厚氧化层，降低了氧化物体内空间电场的强度，导致薄氧化层拥有更多的净正氧化物电荷及界面态，增加了过剩基极电流。

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