基于电荷泵技术的栅控横向晶体管在氢氛围中的辐照损伤增强机制

缑石龙，马武英，姚志斌，何宝平，盛江坤，王祖军，薛院院

(强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室；西北核技术研究所： 西安 710024)

电子元器件的辐射效应和可靠性研究表明，氢对器件氧化层与衬底界面的特性有重要影响，氢也是双极器件产生低剂量率辐射损伤增强(enhanced low dose rate sensitivity，ELDRS)效应的关键因素之一[1-7]。集成电路制造和封装过程中都会有意或无意引入氢，对芯片抗辐射能力和可靠性会产生重要影响。因此，有必要研究氢对器件辐照损伤影响的规律和机制。国外大量的实验和理论研究表明，氢会使器件辐照损伤增强，也会严重影响双极器件的ELDRS效应，但对辐照时氢与器件界面的反应过程还没有统一的认识[8-11]。国内对氢氛围中辐照实验及物理机制研究较少，赵金宇等[12]以3DG111型双极晶体管为实验载体，研究了氢气浸泡后的辐照规律，并用深能级瞬态谱仪(deep level transient spectroscopy，DLTS)探测器件中的微观缺陷种类及浓度，认为氢气浸泡后，辐照会使双极晶体管中产生能级较深的界面态和氧化物电荷，但未提及氢气进入器件后的具体反应机理。

为进一步研究氢对双极器件辐照损伤的影响规律和机制，本文基于GCLPNP晶体管，探究了不同浓度氢氛围中GCLPNP晶体管的辐照损伤规律。利用电荷泵技术，分析了氢气浓度对GCLPNP晶体管辐照产生界面陷阱和氧化物陷阱电荷浓度的影响，测量分析了界面陷阱的能级分布。本文研究成果可为氢氛围中双极器件辐照损伤增强机制和双极器件抗辐射加固研究提供参考。

1 电荷泵技术

1.1 电荷泵技术原理

电荷泵技术是最常用的分离MOSFET界面陷阱和氧化物陷阱电荷的方法之一，与其他电荷分离方法相比，具有更高的精度和灵敏度[13-17]。电荷泵方法测量GCLPNP晶体管界面陷阱和氧化物陷阱电荷的装置，如图1所示。在GCLPNP晶体管栅极加周期性脉冲电压，发射极与集电极短接并接地，基极电压为0，此时在基极测量的电流就是电荷泵电流Icp。原理为：栅脉冲电压幅值恒定，不断改变脉冲电压高、低电平，当栅极脉冲电压为高电平并使器件Si/SiO2界面反型时，多子空穴会注入到沟道中，部分空穴会被界面陷阱俘获；当栅脉冲电压为低电平并使界面进入积累状态时，被界面陷阱俘获的空穴会与来自衬底的电子复合；当栅脉冲电压连续时，由于发射区/基区结和集电区/基区结空间电荷区内电势的作用，发射区/集电区会周期性地泵出空穴，基区电子与界面陷阱俘获空穴之间的复合，会在基极产生电流，每一个周期的Icp正比于界面处的界面陷阱数量。在栅脉冲电压高低电平改变过程中，只有当脉冲低电平低于器件沟道平带电压且脉冲高电平大于沟道阈值电压时，Icp才会达到最大值。因此，利用电荷泵电流最大值Icpm和阈值电压漂移ΔVth就可测量GCLPNP晶体管被辐射时产生的界面陷阱浓度ΔNit和氧化物陷阱电荷浓度ΔNot。

1.2 界面陷阱与氧化物陷阱电荷分离方法

Icpm可表示为[15]

Icpm=Aeff·f·q·Nit

(1)

其中：Aeff是有效沟道面积，cm2；f为栅脉冲频率，Hz；q为电子电荷量，C；Nit为沟道Si/SiO2界面平均界面陷阱浓度，cm-2。图2为辐照前后Icpm随栅脉冲电压低电平VGL的变化关系。由图2可见，辐照前后Icpm会发生改变，I-V曲线也会发生漂移。

辐照产生的界面陷阱浓度可通过Icpm的变化量计算得到，表示为[18]

(2)

ΔVth可由Icpm对应的VGL的变化量计算得到，表示为

ΔVth=ΔVit+ΔVot

(3)

其中：ΔVit是界面陷阱导致的阈值电压漂移；ΔVot是氧化物陷阱电荷导致的阈值电压漂移。氧化物陷阱电荷带正电，会导致ΔVot负漂移；对于GCLPNP晶体管器件，界面陷阱通常被认为是施主型陷阱，也会导致ΔVit负漂移[18]。因此ΔVot，ΔVit可表示为

(4)

(5)

其中，Cox为单位面积氧化层电容。

利用式(2)-式(5)，辐照感生氧化物陷阱浓度可表示为

(6)

1.3 界面陷阱能级分布

改变栅脉冲电压的上升/下降时间可改变电荷泵测量的界面陷阱的能级范围，给定栅脉冲电压幅值及上升/下降时间，电荷泵所能测得的施主型界面陷阱能级下限E1和受主型界面陷阱能级上限E2分别为[15]

(7)

(8)

其中：Ei为禁带中央能级；k为玻尔兹曼常数；T为热力学温度；vth为载流子热速度；σn和σp分别为电子和空穴的俘获截面；ni为本征载流子浓度；Vfb为平带电压；tr和tf分别为栅脉冲电压上升和下降的时间。施主型和受主型界面陷阱能级分布可表示为[15]

(9)

(10)

由式(9)和式(10)可知，保持tr恒定，不断改变tf就可测量施主型界面陷阱的能级分布；而保持tf恒定，不断改变tr就可测量受主型界面陷阱能级分布。

2 实验方案

实验选用结构与PMOSFET类似的GCLPNP晶体管为样品。器件结构和电荷泵测量装置，如图1所示。基区宽度为12 μm，栅氧化层厚度为500 nm，钝化层为SiO2。在计算界面陷阱密度时， GCLPNP晶体管的有效沟道面积Aeff为发射区周长乘以发射区边界与集电区边界的间距，本文中Aeff= 4 560 μm2。电荷泵测量条件为：栅极所加脉冲电压频率为100 KHz；tr,tf为20 ns；幅值为5 V；VGL从5 V向-20 V扫描；步长为-1 V；发射极和集电极接地，基极接0 V，并测量Icp。共射极偏置时的基极电流IB和集电极电流IC测试条件为：发射极电压VE=2 V；集电极电压VC=0；栅极浮空；基极电压VB从2 V扫描至1.0 V。

为研究氢气对GCLPNP晶体管辐照感生产物的影响规律，实验共分为4组进行，每组5个器件，辐照源为西北核技术研究所的60Co源。第1组器件作为参照，在空气中以50 rad(Si) ·s-1的剂量率辐照至50 Krad(Si)，根据文献[9]，空气中氢气的浓度约为1×1011cm-3；第2至4组器件开盖后放置在充入不同浓度氢气的容器中，再以50 rad(Si) ·s-1的剂量率辐照至50 Krad(Si)。辐照过程中器件所有管脚短接不加电，辐照前后测量GCLPNP晶体管的常规I-V曲线和电荷泵曲线。器件在氢氛围中浸泡的方法是先将短接好的器件放入容器的腔体中，利用真空泵将其抽成真空，再往腔体中充入纯净氢气，使腔体内达到不同的压强。腔体压强越大，表示腔体内和最终进入器件中的氢气浓度越大。进入器件氧化层中的氢气浓度NH2与腔体压强PH2之间的关系表示为[9]

NH2=κH2,oxPH2

(11)

其中，κH2,ox为氢气在氧化层中的可溶解度，大约为1×1018cm-3·atm-1，(1 atm = 101 325 Pa)。实验中第2至4组实验所充入的氢气压强分别为0.025,0.1,0.42 MPa，计算得到浸泡后进入器件氧化层的氢气浓度分别为2.5×1017,1×1018,4.2×1018cm-3。

3 实验结果及分析

3.1 晶体管特性变化

共射极放大倍数β指双极晶体管在共射极偏置时IC与IB的比值，是衡量双极晶体管性能的重要参数之一。图3为GCLPNP晶体管辐照前后β随基极发射极电压VBE的变化关系。

由图3可见，辐照前放大倍数最大值βmax为27.3，在空气中辐照至50 Krad(Si)后βmax下降为21.6，在氢氛围中辐照至相同总剂量后，βmax进一步随着NH2的升高而减小。NH2最高为4.2×1018cm-3时，βmax下降至6.4，仅为辐照前的30%。因此，GCLPNP晶体管辐照损伤程度会随着辐照时进NH2的升高而显著增强。图4为测量得到的IB和IC随VBE的变化关系。由图4可见，IB在辐照后有明显的增大，电压相同时，NH2越高，IB越大；而IC辐照前后几乎不变。由此可见，晶体管β值的减小是由IB增大导致的。

3.2 电荷泵测量结果与分析

由上述结果可得，对于GCLPNP晶体管，辐照影响的主要是IB，这是由于辐照会在器件氧化层中产生氧化物陷阱电荷，在Si/SiO2界面产生界面陷阱；而由图1中GCLPNP晶体管结构可见，在工作偏置下，空穴会从发射区向集电区横向流动，经过基区时部分空穴会与基区电子复合产生基区电流，因此基区电流是横向流动的。在基区电流横向流动过程中，Si/SiO2界面的界面陷阱会作为复合中心，产生基区表面电流，因此会导致IB增大。为探究氢气对双极器件辐照损伤的影响规律和机制，需通过电荷泵测量来分离辐照产生的界面陷阱和氧化物陷阱电荷。图5为辐照前与在不同浓度氢氛围中辐照后Icp随VGL的变化关系。由图5可见，辐照后与辐照前相比，Icpm显著增大，Icpm对应的VGL向负栅压方向漂移，且辐照后Icpm随NH2的升高而增大。

由图5可得不同浓度氢氛围中辐照后器件的ΔIcpm，将ΔIcpm代入式(2)和式(6)得到ΔNit，ΔNot随NH2的变化关系，如图6所示。由图6可见：辐照总剂量相同时，辐照产生的界面陷阱随辐照过程中NH2的升高而增多；NH2为4.2×1018cm-3时，产生的界面陷阱是在空气中辐照(NH2=1×1011cm-3)时产生界面陷阱的6倍；而随着NH2的升高，辐照产生的氧化物陷阱电荷却呈下降的趋势，但NH2的变化对其变化量影响较小。对于GCLPNP晶体管，辐射感生的界面陷阱会使得基区表面复合电流增大，从而使IB增大。而产生的带正电的氧化物陷阱电荷会改变基区表面势，使基区表面电子积累。根据SRH(Shockley-Read-Hall)复合理论，基区表面电子积累会使界面陷阱作为复合中心的复合率会减小[19]，从而抑制IB的增大。根据图6中的结果，随着NH2的增大，ΔNot减小，对IB增大的抑制作用逐渐减小，即IB会增大。因此，辐照后产生的界面陷阱和氧化物陷阱电荷密度随NH2的变化规律都导致了晶体管IB增大，β减小。

为进一步探究氢气对辐照产生界面陷阱的影响机制，利用电荷泵技术测量了不同氢氛围中辐照后GCLPNP晶体管产生的界面陷阱的能级分布。原理如式(7)-式(10)所示。本实验中根据测量设备的性能及栅脉冲电压周期，选用的栅脉冲电压tr，tf的范围为10～4 000 ns，图7为辐照前后Icpm随tr，tf的变化关系。由图7可见，随着tr，tf的增大，Icpm呈减小趋势。因为根据式(7)和式(8)，tr，tf增大会使电荷泵测量的界面陷阱能级范围变小，从而导致Icpm减小。

由图7拟合得到Icpm与tf，tr之间的函数关系，再求导得到它们的导函数，然后将tf，tr的导函数分别代入式(9)和式(10)，最终得到单位能级界面陷阱密度与能级之间的关系，如图8所示。

由图8可见：所能测量的界面陷阱的能级范围为-0.4～-0.2 eV，0.2～0.4 eV；受主界面陷阱与施主型界面陷阱的能级分布区间大小一致，并相对于禁带中央呈对称分布；辐照后与辐照前相比，深能级的界面陷阱明显增大，不同浓度氢氛围中辐照后的界面陷阱能级分布范围相差不大，但NH2越大，器件界面处产生的深能级界面陷阱越多，这表明氢气进入双极器件氧化层后，在辐照过程中器件界面处产生的主要是深能级的界面陷阱。

由于硅在氧化层生长过程中无法完全氧化，会在氧化层中形成氧空位缺陷，在辐照过程中它们会俘获空穴，产生氧化物陷阱电荷。其中，最主要的氧空位缺陷有Voδ和Voγ两种，Voδ形成的是浅能级陷阱电荷，会很快热激发，对最终的辐照损伤没有影响；而Voγ主要分布在氧化层与Si的界面附近，形成的是深能级陷阱电荷，会对器件特性产生一定的影响[19]。

氢气进入器件氧化层后，会在辐照过程中产生H+[10]。由实验结果可得，随着氢气浓度升高，氧化物陷阱电荷减少，即H+的增多与氧化物陷阱电荷的减少存在一定关联。因此，氢气在辐照过程中产生H+的物理机制是氢气会与氧化层中辐照产生的氧化物陷阱电荷反应，释放H+，可表示为

(12)

氧化层中产生的H+，会在内建电场的作用下，输运到Si/SiO2界面附近，促使界面Si-H键断裂，形成一个带正电的三价硅或缺陷，即界面陷阱[20-21]，过程可表示为

(13)

其中：PbH为界面Si-H键；Pb+为产生的界面陷阱。

因此，氢气导致晶体管辐照损伤增强的主要原因是，氢气进入器件氧化层后，会与辐照产生的氧化物陷阱电荷反应，产生H+，并使氧化物陷阱电荷减少，而H+又导致更多的界面陷阱的产生。界面陷阱的增多和氧化物陷阱电荷的减少都会导致GCLPNP晶体管基区表面复合电流的增大，使IB增大，造成晶体管性能变差，辐射损伤增强。

由以上结果可知，为减小器件的辐照损伤，必须在制造和封装过程中避免引入氢气，否则氢气会成为H+的重要来源，在辐射环境中影响器件的界面特性，使损伤增强。

4 结论

本文介绍了利用电荷泵技术分离得到GCLPNP晶体管辐照感生的界面陷阱和氧化物陷阱电荷及界面陷阱能级分布的方法，并利用此方法对NH2分别为1×1011(空气)，2.5×1017，1×1018，4.2×1018cm-3等4种条件下的GCLPNP晶体管的辐照损伤规律进行了研究。研究结果表明：GCLPNP晶体管的辐照损伤程度会随着进入器件氧化层氢气浓度的升高而增强；进入器件氧化层的氢气在辐照过程中与氧化物陷阱电荷反应，释放H+，形成以深能级为主的界面陷阱；随着进入器件氧化层氢气浓度的升高，辐照产生的氧化物陷阱电荷减少，界面陷阱增多。本研究可为氢氛围中双极器件辐照损伤增强机制研究和双极器件抗辐射加固提供参考。