硅外延平面NPN双极晶体管的总剂量辐射损伤缺陷研究

彭 超，雷志锋，张 鸿，张战刚，何玉娟

(工业和信息化部电子第五研究所 电子元器件可靠性物理及其应用技术重点实验室，广东 广州 511370)

双极型器件具有电流驱动能力好、线性度高、噪声低、匹配特性好等优点，其在模拟集成电路、混合信号集成电路及超高速射频集成电路中取得了广泛应用。上述优势也使得双极线性电路(如运算放大器、比较器、电压调整器等)大量应用于空间电子学系统。但双极晶体管在空间应用时会面临恶劣的辐射环境。空间高能辐射粒子会在双极晶体管的氧化层中沉淀能量，产生电子-空穴对，并最终导致氧化层陷阱电荷和界面陷阱的产生[1-2]。这些辐射诱生缺陷作为复合中心，直接引起了双极晶体管性能的退化[3-5]。虽然双极晶体管的总剂量效应研究已开展多年，但大多研究均只基于宏观电特性退化开展辐射损伤机理分析，对直接引起器件性能退化的缺陷特性的研究较少[6-8]。深能级瞬态谱(deep level transient spectroscopy, DLTS)是检测半导体材料中深能级陷阱最有效的方法之一[9-10]。其检测灵敏度可达半导体材料掺杂浓度的万分之一甚至更低，能获取多数或少数载流子陷阱的大量信息，如陷阱能级位置、陷阱密度和俘获截面等。DLTS较适用于肖特基结、PN结等简单结构的陷阱测试[11-12]。通过在测试结构两端施加快速变化的脉冲偏压，监测空间电荷区电容的瞬态变化即可实现陷阱的测试。本文针对未加固和加固的硅外延平面双极晶体管分别开展总剂量辐照试验，结合辐照试验后的常规电特性测试和DLTS缺陷特性测试研究双极晶体管辐射损伤退化机理，为双极晶体管的抗辐射加固提供依据。

1 试验样品及试验条件

图1 试验选用的硅外延平面NPN三极管结构示意图Fig.1 Cross-section of NPN transistor used in our experiment

本文选取了两款结构相同的硅外延平面NPN三极管作为试验样品。其器件结构如图1所示。其中一款器件相对另一款器件做了抗辐射加固处理，改善了基区表面状态。总剂量辐照试验在北京大学进行，采用国际通用的60Co γ射线作为实验室模拟辐射源。试验选用的剂量率为0.1 rad(Si)/s，辐照总剂量为50 krad(Si)。辐照过程中，器件选取了两种不同的偏置条件(表1)。

表1 总剂量辐照试验器件偏置状态Table 1 Bias condition of NPN transistors during TID irradiation

在辐照前、后分别开展器件的Gummel曲线和DLTS测试。Gummel曲线的测试条件为：发射极接扫描电压，从-0.2 V扫描至-0.8 V，基极和集电极均接地。深能级陷阱测量采用PhysTech公司的FT1230 HERA-DLTS测试系统，重点针对NPN三极管的发射结开展深能级瞬态谱测试和分析，获取其缺陷特性。测试过程中P型基极接低电位，N型集电极接高电位。DLTS测试过程中设定的主要参数为：反向偏压VR=1 V，脉冲电压VP=-0.2 V，测试周期TW=0.3 s，脉冲宽度TP=10 ms，扫描温度50～450 K。在温度扫描时，可同时测试不同温度下发射结的C-V和I-V曲线。

2 试验结果及分析

2.1 辐射导致的三极管电性能退化

图2显示了不同偏置辐照前后NPN型双极晶体管基极电流Ib和集电极电流Ic随电压的变化关系(Gummel曲线)。由图2a可知，对于未加固器件，反偏辐照会导致NPN晶体管基极电流增加。另外，当发射结电压|VEB|较小时，Ib增加量较大；当发射结电压|VEB|较大时，Ib增加量减小。当|VEB|=0.5 V时，Ib由辐照前的8.82×10-8A变为3.67×10-7A，增加了316%；当|VEB|=0.4时，Ib由辐照前的3.31×10-9A变为3.47×10-8A，增加了1个数量级。NPN晶体管的基极电流Ib可表示为：

Ib=IpE+IrE+IrB-ICBO

(1)

式中：IpE为发射结空穴扩散电流；IrE为发射结复合电流；IrB为基区电子复合电流；ICBO为集电结反向饱和电流。IpE取决于发射结面积、发射区宽度、空穴扩散系数等参数；ICBO和集电结面积、集电结空穴扩散系数、集电区宽度等参数有关。这些参数受辐射的影响较小，因此基极电流中的IpE和ICBO成分受辐射的影响也较小。但IrE和IrB这两个复合电流分量反比于少数载流子寿命。辐射诱生的缺陷会显著降低少数载流子寿命，从而导致复合电流成分的增加。由式(1)可知，辐射导致的发射结复合电流或基区复合电流增加是基极电流增加的主要原因。

a——未加固器件反偏；b——未加固器件零偏；c——加固器件反偏；d——加固器件零偏图2 不同偏置辐照前后基极电流Ib和集电极电流Ic随电压VEB的变化关系Fig.2 Ib and Ic as a function of VEB before and after irradiation

此外，NPN晶体管的集电极电流Ic可表示为：

Ic=InC+ICBO

(2)

式中，InC为集电结电子扩散电流。InC和ICBO成分受辐射的影响均较小，这可解释辐射前后NPN晶体管的集电极电流变化较小。

电离辐射会在三极管的钝化氧化层中电离产生大量的电子-空穴对，其中氧化层中的电子迁移率要远大于空穴，因此电子在电场的作用下快速地移出氧化层。空穴的迁移速率小，其缓慢地向Si/SiO2界面移动并最终被界面附近的氧空位缺陷俘获，形成带正电的氧化物陷阱电荷。另外，在空穴向界面移动过程中，还会导致界面处Si—H键断裂，形成界面态陷阱电荷[13-14]。这两种缺陷的产生都会使表面复合速率增加，引起复合电流增大，从而导致基极电流增加。另外，在VBE偏压较小时，复合电流成分对基极电流的贡献更大。这也可解释在低VBE偏压下观察到了更明显的基极电流增加。对于零偏辐照，同样观察到了NPN晶体管基极电流的增加，如图2b所示。但零偏状态下器件基极电流的退化程度要小于反偏辐照。当|VEB|=0.5时，50 krad(Si)辐照使Ib由辐照前的7.23×10-8A增加为1.80×10-7A，增长了149%。可见，偏置状态是影响氧化层中辐射损伤形成的一个重要因素。零偏状态下，氧化层中的电场强度很低。研究表明，对于总剂量辐照，辐射导致的氧化层陷阱电荷和界面态密度均正比于辐照过程中氧化层的电场。偏置电场的降低，导致氧化层中陷阱电荷密度的降低，因此对基极电流和集电极电流的影响也降低。

加固工艺的采用可有效改善NPN晶体管的抗辐照特性，如图2c、d所示。在反偏辐照状态下，当|VEB|=0.5时，加固器件的基极电流Ib由辐照前的7.51×10-8A增加为1.19×10-7A，增加了58.4%；而对于零偏辐照，当|VEB|=0.5时，加固器件的基极电流Ib比辐照前增加了31.1%。辐照后基极电流的退化要明显小于未加固器件。

由Gummel特性曲线，可得到辐照前后未加固双极晶体管电流增益随电压的变化关系，如图3所示。其中电流增益可表示为：

(3)

辐照会导致NPN晶体管电流增益的明显退化。对于反偏辐照，对应|VEB|=0.65时电流增益由辐照前的89减小为53，降低了40.4%；对于零偏辐照，对应|VEB|=0.65时电流增益由辐照前的78减小为57，降低了26.9%。电流增益随偏置状态的退化规律与基极电流的退化规律一样，即反偏是比零偏最恶劣的偏置状态。对于加固器件，也观察到了较为明显的电流增益退化，达到了23.8%。

图3 辐照前后未加固双极晶体管电流增益β随电压VEB的变化关系Fig.3 Current gain as a function of VEB for unhardened device before and after irradiation

图4示出了不同偏置辐照后，过剩基极电流ΔIb随电压的变化。过剩基极电流定义为辐照前后双极晶体管基极电流的变化量[15]，即：

ΔIb=Ib,rad-Ib,pro

(4)

式中，Ib,pro和Ib,rad分别为辐照前后的基极电流。过剩基极电流可由下式表示：

(5)

式中：Ki为常数；Di为总电离剂量；k为玻尔兹曼常数；T为温度；n为理想因子；VEB为发射极-基极结偏压。根据之前的分析，ΔIb主要来自发射结或基区的复合电流增加。理想情况下，在辐照过程中，若过剩基极电流以发射结空间电荷区的复合电流为主，则理想因子n=2；若过剩基极电流来源于空间电荷区及中性基区的复合电流，则理想因子1

如图4所示，在两种不同偏置下晶体管ΔIb随VEB变化曲线的理想因子n介于1～2之间。因此，辐射导致的ΔIb是由发射结空间电荷区和中性基区的复合电流共同引起的。辐照在钝化氧化层中引入的大量界面态，会导致空间电荷区的表面复合电流增加，进而产生过剩基极电流。对于NPN三极管，位于p型基区上方氧化层中的氧化物正陷阱电荷的累积会导致基区耗尽，Si/SiO2界面附近少子浓度增加，增加表面复合率，同样会导致基极电流的增加。

图4 不同偏置辐照后过剩基极电流ΔIb随电压VEB的变化Fig.4 ΔIb as a function of VEB after different biases irradiation

图5显示了辐照前后不同温度下的发射结I-V曲线。1个明显的特征是辐照导致发射结反向饱和电流的增加。当温度为150 K时，辐照前对应0.5 V反向电压的发射结反向电流为2.42×10-11A，辐照后为2.16×10-10A；当温度为450 K时，辐照前对应0.5 V反向电压的发射结反向电流为7×10-11A，辐照后为2.43×10-10A。辐照导致发射结反向电流增加了1个数量级。对于发射结(n+p)，其反向饱和电流[16]可表示为：

(6)

其中，JD和JG分别为反向饱和电流中的扩散电流和产生电流成分。由上式可知，反向电流中的扩散电流成分反比于载流子的扩散长度Ln，而扩散长度又正比于载流子寿命。辐射感生缺陷导致少子寿命的降低，最终导致扩散电流增加。此外，辐射缺陷会导致产生电流增加。综上所述，辐射使扩散电流和产生电流成分均增加，最终导致了发射结反向饱和电流增加。

图5 不同温度下未加固器件的发射结I-V曲线Fig.5 I-V curves of emitter for unhardened device under different temperatures

由图5还可看到，辐照前反向饱和电流受温度的影响较大，而在辐照后反向饱和电流受温度的影响明显减小。反向饱和电流中的JD和JG与温度T的关系如下：

(7)

(8)

2.2 辐射导致的缺陷特性变化

图6显示了经不同偏置辐照前后NPN双极晶体管的深能级瞬态谱的结果。图中信号峰对应的横坐标温度反映了深能级缺陷的能级位置，而纵坐标高度对应于深能级瞬态谱信号强度。由图6可见，在辐照前后的NPN晶体管的深能级瞬态谱中均出现了1个明显的负信号峰。缺陷信号峰所在的温度范围为350～450 K之间，其对应1个少子陷阱中心。辐照会导致该负信号峰峰值强度变大且向左移动，即缺陷的密度和能级位置会发生变化。

提取图6中DLTS信号峰峰值对应的强度和温度，基于阿伦尼乌斯方程进行拟合，可计算得出辐照前后NPN晶体管的缺陷信息(包括缺陷能级和缺陷密度)，结果在图7和表2给出。对于未加固器件，辐照前器件内的少子缺陷能级位置约为ET-EV=0.667 eV；经过反偏辐照后缺陷能级大约为ET-EV=0.533 eV。辐照后缺陷能级位置变深，更接近Si禁带中心。同时，辐照还会导致缺陷密度的增加。对于反偏辐照的情况，辐照使缺陷密度由辐照前的1.50×1014cm-3增加为2.39×1014cm-3。根据肖克莱-里德-霍尔模型可知，缺陷对器件电参数的影响取决于缺陷能级位置和缺陷密度。

图7 阿伦尼乌斯方程拟合曲线Fig.7 Arrhenius equation fitting curve

表2 根据DLTS测试结果提取的缺陷信息Table 2 Traps information extracted from DLTS results

缺陷能级越接近禁带中心的缺陷复合效率越高，对器件造成的损伤越大。缺陷密度越高，其损伤也越大。因此，晶体管辐射损伤的程度由缺陷能级和缺陷密度综合作用的效果而定。对于未加固的器件可得到的结论是：辐照会导致NPN晶体管中原生缺陷的密度增加和缺陷能级变深，其效果均会导致器件电学性能退化。

对于加固器件，没有观察到能级为EV+0.667 eV的深能级缺陷。辐照前，其缺陷能级位置大约为EV+0.954 eV。该缺陷接近导带位置，为浅能级，对器件性能的影响较小。加固器件在辐照后同样观察到了缺陷能级的变深，但缺陷密度没有表现出明显的退化。对于加固器件，由于改善了基区表面状态，调整了基区表面浓度，电离辐射诱生的缺陷能级位置均更远离禁带中央，使得复合率降低，从而导致辐照后器件性能退化减弱。

3 结论

本文基于60Co γ射线辐照研究了国产NPN双极晶体管的辐射损伤机理。辐照导致的双极晶体管性能退化主要表现为基极电流增加和电流增益降低。在低的发射结偏压下，观察到了更明显的基极电流增加。这表明基极电流的退化主要来源于发射结复合电流的增加，而复合电流的增加又来源于辐射导致的额外的氧化层缺陷。对比不同偏置下的试验结果，NPN晶体管在反向偏置下出现了比零偏下更恶劣的退化。NPN管发射结的缺陷测试结果表明，辐射会导致缺陷密度的增加和缺陷能级的改变。通过对比加固器件和非加固器件的DLTS测试结果，发现其原生缺陷存在较大差异。通过改善器件的缺陷状态，可提高器件的抗辐射性能。