NPN双极型晶体管抗辐照加固研究

李 飞

（中国电子科技集团公司第十三研究所，河北 石家庄 050057）

1 引 言

航天器在轨飞行时，会与宇宙空间中各种高能带电粒子发生交互作用。这些高能带电粒子对航天器本身结构材料及功能材料（如电子器件）的性能有着强烈的辐射影响[1-10]。这些辐射效应将可能引发电子器件的异常或失灵，甚至最终导致航天器发生灾难性的事故。所以，对双极型器件的辐射效应进行有效评价，对于优化航天器的选材和设计及提高航天器的在轨服役可靠性，具有十分重要的工程实际意义。为了正确评价双极型器件的在轨服役行为，需要研究带电粒子辐射环境下双极型器件的损伤效应和机理，长期以来研究人员在这方面做过大量工作。

20世纪90年代初，E.W.Enlow 等[11]首次发现在某些双极器件中存在辐照损伤效应，这一现象引起该领域研究人员的极大关注，并对此进行了大量研究。虽然国内外对双极器件辐照损伤效应进行了大量研究[11-21]，但在器件的制作工艺对双极晶体管抗辐照影响的研究却并不多见[21]，辐照对于Si 和表面SiO2之间界面的影响，以及如何在制作工艺中减少这一影响，均需作进一步了解。为解决此问题，同时为国产双极器件制作工艺提供实验支持，在此，对工作晶体管进行110keV 电子辐照，研究辐照后Si-SiO2界面的变化和晶体管直流参数的变化，并阐述其成因和解决方法。

2 实验样品和实验方法

实验样品为某制作工艺相同但基区表面SiO2质量不同的双极型晶体管。辐照总剂量为100krad，辐照剂量率100rad/s。

实验采取原位测试的方法，双极晶体管参数利用半导体参数分析仪进行采集，测试参数为双极晶体管基极电流（IB）、集电极电流（IC）和电流增益（β=IC/IB）。同时对辐照的样品进行DLTS 深能级瞬态谱测试。辐照实验及其参数的测量均是在室温下进行，每次参数的测试都在辐照或退火后20 min 内完成。

3 实验结果与分析

3.1 辐照后直流参数的变化及成因

对实验样品辐照后测试的直流参数研究表明，不同的电参数对于辐照的敏感程度是不同的。图1所示为在不同总剂量水平下的基极电流IB、集电极电流IC随基-射结偏压VBE的变化情况。

图1 NPN 晶体管 IB、IC 随 VBE 变化

由图1(a)可见，基极电流IB的所有曲线呈现由下到上变化，即随着辐照总剂量的增加电流向增大方向平移。基极电流IB在VBE较小时的变化程度比VBE较大时表现得更为明显，且随着辐照总剂量的增加，VBE较小时与VBE较大时相比，基极电流IB的增量更加显著。从图1(b)可以看出，与基极电流IB变化相比，集电极电流IC在整个辐照过程中则没有明显变化。

为了对各种条件下的辐照损伤进行比较，选取的所有电参数均取自基极-发射结电压为0.65V 时的值，在此引入一个参数——过剩基极电流（ΔIB），定义为：

图2所示为总辐照剂量不同时，双极晶体管过剩基极电流ΔIB随辐照总剂量和基极-发射结电压VBE的变化关系。横坐标为电压VBE，纵坐标过剩基极电流ΔIB取对数，所有曲线由下到上，随着辐照总剂量的增加向电流增大方向平移。

由图2可见，随辐照总剂量的增加，过剩基极电流ΔIB变化有明显差异。在总辐照剂量率较低时，过剩基极电流ΔIB较小，其曲线变化趋势平行于n=1时的理论曲线，说明影响IB的主要是氧化物电荷；在总辐照剂量率较高时，过剩基极电流ΔIB较大，其曲线变化趋势平行于n=2 时的理论曲线，说明影响IB的主要是界面态复合电流。由图2曲线分析可以得出，随着辐照注量的增大，基极复合电流随之增大，界面态复合电流开始占据主导地位。因此，降低辐照后的界面态复合电流，是增强双极型晶体管抗辐照能力的一个关键因素。

图2 过剩基极电流随辐照总剂量变化

3.2 工艺优化及实验结果

根据上述结论，对双极型晶体管表面SiO2的生长条件进行优化。为对比工艺优化前后的辐照损伤情况，引入参数归一化电流增益1/Δβ，直流电参数均取自基极-发射结电压为0.65V 时的值。

图3所示为NPN 双极晶体管表面SiO2生长条件优化前后的归一化电流增益随辐照总剂量的变化关系。

图3 归一化电流增益随辐照总剂量变化

由图可见，随辐照总剂量的增加，无论是优化前还是优化后，NPN 双极晶体管归一化电流增益一直在衰减；相比于优化前的晶体管，优化后的晶体管衰减的曲线稍缓，衰减速度会慢一些。对同样剂量率辐照后的NPN 双极晶体管，优化后的归一化电流增益的衰减明显比优化前低很多。

用DLTS 深能级瞬态谱分析方法测试和分析界面态的情况，可以得到如图4所示的曲线。

图4 界面态电荷数随温度的变化

图中横坐标为温度（单位为K），纵坐标为电荷数（单位C），靠近横坐标的两条基本重合的曲线是优化前后NPN 双极型晶体管辐照之前界面态的电荷数，中间一条曲线是总辐照剂量在100krad 时，优化后晶体管界面态电荷数量，最上方曲线是总辐照剂量在100krad 时，优化前晶体管界面态电荷数量。可以看出，在T=320K 时，在经过相同总辐照剂量的辐照后，优化前的界面态电荷数约是优化后界面态电荷数的10 倍，高出近一个数量级。

4 综合分析研究

由图1、图2和图3可看出，过剩基极电流和归一化电流增益表现出同步的变化趋势，即过剩基极电流的增大导致了归一化电流增益的降低，而过剩基极电流增大的主要原因是随总辐照剂量的增加，界面态电荷数在不断增长。

由图3和图4可看出，NPN 双极型晶体管表面SiO2的质量对抗辐照能力有显著的影响。当达到相同的总剂量时，优化后的NPN 晶体管的归一化电流增益变化明显小于优化前的晶体管，通过DLTS 深能级瞬态谱测试证实了优化后的晶体管界面态电荷数要比优化前的晶体管低一个数量级。对上述两个结论的详细讨论如下：

电离辐照会在覆盖于NPN 双极晶体管基-射结上的隔离氧化层中产生氧化物陷阱电荷，在界面产生界面陷阱电荷。基区表面的复合电流、氧化物陷阱电荷、界面陷阱电荷，三者之间有以下关系[21]：

其中：NIT和NOT分别为辐照感生的界面陷阱电荷和氧化物陷阱电荷。式中α=1/2qεε0Na，是一個与电子电荷、介电常数以及衬底掺杂有关的量。

经过研究发现，在辐照过程中，NPN 双极晶体管归一化电流增益衰减主要是因为在辐照过程中基极电流增加，即出现过剩基极电流[12-14,21]。而过剩基极电流则是由于辐照过程中，基区表面复合电流增加的结果。这一现象会发生的主要原因分析如下：

1)位于基区表面Si-SiO2界面的界面陷阱电荷的形成，会导致表面复合速率增加；

2)在基区-发射区结上的氧化层中的正氧化物电荷积累形成的电场导致P 型基区耗尽，引起表面复合电流的增加，致使基极电流进一步增大。由晶体管增益定义（β=IC/IB）和图1实验结果可知，在辐照过程中集电极电流基本不变。因此，过剩基极电流越大，引起的归一化电流增益衰减就越严重。

3)空间电荷模型认为，在一定的辐照条件下，覆盖于基区表面的氧化层内产生大量的亚稳俘获空穴以及慢输运空穴[21]，会积累形成分布于整个氧化层中的空间电荷，从而形成的空间电场，阻碍辐照感生空穴的运动，经过一定时间后，部分空穴到达Si-SiO2界面，最后被界面陷阱俘获形成界面陷阱电荷。SiO2层质量的好坏，决定了在相同辐照条件下，空穴产生的概率和数量，概率越大，数量越多，成为界面陷阱的电荷就越多。这些界面陷阱电荷会成为复合中心而导致基区复合电流增加，进而导致晶体管基极电流增加和增益减小。这也是图3和4中SiO2生长条件优化前NPN 晶体管损伤更为严重的原因。

5 结 束 语

对NPN 双极型晶体管在辐照前后的参数变化做出观察，研究过剩基极电流、归一化电流增益等在各条件下的变化规律，能够发现界面态电荷数、优化生长条件后的SiO2层等因素对界面态电荷数的影响方式，进而通过工艺与材料上的调整，有效缓解器件直流电参数在辐射后的性能退化。在制作双极器件时，从抗辐射加固的角度考虑，应尽力加强SiO2层的质量，以确保获得更为理想的抗辐照能力。