半导体器件总剂量辐射效应的热力学影响研究doc

作者简介：丛忠超（1988－），男，硕士研究生，黑龙江省大兴安岭地区，从事微电子器件的辐射效应研究。E-mail:[e-mail].:18209912257半导体器件总剂量辐射效应的热力学影响研究丛忠超1,2,3,4余学峰1,2,3*崔江维1,2,3郑齐文1,2,3,4郭旗1,2,3孙静1,2,3周航1,2,3,4（1.新疆电子信息材料与器件重点实验室，新疆乌鲁木齐830011；2.中国科学院特殊环境材料与器件重点实验室，新疆乌鲁木齐830011；3.中国科学院新疆理化技术研究所，新疆乌鲁木齐830011；4.中国科学院大学，北京100049）摘要：对商用三极管和MOS场效应晶体管进行了不同环境温度下的总剂量辐照实验,对比了在其它条件相同情况下,不同的辐照温度对这两种器件辐射效应特性的影响。实验结果表明,对同一辐照总剂量,三极管的基极电流、电流增益和MOS场效应晶体管的阈值电压漂移值都随着辐照温度的不同而存在较大的差异。关键字：总剂量辐射效应；MOS晶体管；三极管；不同温度辐照中图分类号:TN386.1文献标识码:AResearchonthethermodynamicpropertiesoftotaldoseeffectforsemiconductorcomponentsCONGZhong-chao1,2,3,4YUXue-feng1,2,3†CUIJiang-wei1,2,3ZHENGQi-wen1,2,3GUOQi1,2,3SUNJing1,2,3ZHOUHang1,2,3,4(1.XinjiangKeyLaboratoryofElectronicInformationMaterialsandDevices,Urumqi830011,China;2.KeyLaboratoryofSpecialMaterialsandDevices.CAS,Urumqi830011,China;3.TheXinjiangTechnicalInstituteofPhysics&Chemistry.CAS,Urumqi830011,China;4.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing,100049,China)*CorrespondingAuthor，E-mail：[e-mail]：Totaldoseeffectsofdiode、triodeandMOStransistorunderdifferentenvironmenttemperaturewasstudiedinthispaper，comparedtheinfluenceoftemperatureontheradiationeffectofthedevices.Theexperimentresultsshowthatparametersofthediodealmostthesamewiththechangeoftemperaturewhentotaldosereached100krad(Si)，whilethecurrentgainofthetriodeandthethresholdvoltage、offleakagecurrentofMOStransistorexistanobviousvariationwiththechangeoftemperature.Keywords：totaldoseeffect;MOStransistor;triode;differenttemperatureirradiation1引言随着我国半导体事业的不断发展，半导体元器件的可靠性也不断的面临新的挑战。而空间、核爆环境、核电厂及核武器储存环境中都存在大量的辐射射线粒子,射线粒子的作用会在材料或电子器件中产生陷阱和缺陷,最终影响器件性能[1]。如影响三极管的基极电流、2电流增益,MOS晶体管的阈值电压、沟道迁移率等参数,从而影响器件的工作速度和驱动能力,降低其工作性能甚至使其失效[2]。有关电子元器件总剂量辐射效应、损伤机理的研究工作,早在上世纪70年代初就已经开展,并有大量的研究结果见报道[3-8],但这些研究大都局限在常温辐照环境下。随着电子技术、特别是核技术的发展,越来越多的电子器件不仅用在了具有较稳定温度的辐射环境中,同时也被用在了温度变化跨度较大的辐照环境中,如核电站、战略武器储存环境和空间环境等,因此有必要研究电子器件在不同温度环境中的总剂量辐射效应、损伤规律与损伤机理。三极管和MOS晶体管作为最基本的电子元器件,它们在辐射环境中的生存能力将直接影响电路及电子系统的可靠性。本文通过对三极管和MOS场效应晶体管进行不同温度环境下的总剂量辐照实验,研究了上述器件辐射效应随辐照温度的变化特性和规律,探索了辐照温度对辐射效应的影响机制,为这些器件在温度可能发生变化的特殊环境下的可靠性及建立总剂量辐照试验方法和评估技术,提供了物理基础和可能的途径与方法。2实验环境与器件的选用实验样品为美国FAIRCHILD半导体公司设计的功率晶体管（NMOS管FDS6690A和PMOS管FDS4435）、三极管（NPN型FMMT624和PNP型FMMT723）。对于每一种器件,各选取同一批次的9支分为三组,分别用于室温(25℃)、70℃和100℃的辐照实验。辐照过程中MOS晶体管所采用的辐照偏置为ON偏置(NMOS管和PMOS管的栅电压分别为+10V和-10V,其余端接地),三极管在辐照过程中均采用零偏偏置(所有端口接地)。辐照试验是在中国科学院新疆理化技术研究所的60Coγ辐射源上进行的,辐照剂量率为0.084Gy(Si)/s。高温环境是通过高温箱来实现的,在辐照之前先将器件置于高温箱中进行10分钟的预热以保证器件的温度达到了预期的温度并且在辐照过程中高温箱的温度保持恒温不变。辐照总剂量为1000Gy(Si),剂量点为200Gy(Si)、500Gy(Si)和1000Gy(Si)。采用中3国科学院新疆理化技术研究所的HP4142半导体参数分析仪,在辐照前后对器件进行参数测试,在参数测试前先对实验样品进行3分钟的冷却处理,以保证器件的温度稳定在室温,避免由器件本身温度不同造成测量误差,整个测试过程在30分钟内完成,并且在测试结束后即刻对试验样品进行下一阶段的辐照实验。3实验结果及讨论3.1三极管0.00.20.40.60.81.0-1000100200300400500Vbe/Vpre20krad50krad100kradNPN图1NPN三极管的电流增益曲线随总剂量的变化图Fig.1NPN-typetransistorcurrentgainvstotaldose图1是室温情况下，NPN型三极管的电流增益曲线随总剂量的变化图。从图中我们可以发现，总剂量辐照后，NPN型三极管的电流增益出现严重的衰减现象，并且衰减趋势与总剂量成正比关系。这是由于辐射在基区上方的隔离氧化层中引入了一定量的固定氧化物电荷和在SiO2/Si界面处引入了界面陷阱电荷所导致的。4NNPP-epiP+buriedlayerNsubstrate++++++++++++++++++++++-------------------------E1E2γ射线+++---+-ECB-+++-----图2γ射线产生的电子空穴对与边缘电场E2的相互作用示意图Fig.2Interactiondiagramofthecarriergeneratedbyγ-raysandtheborderelecticfieldE2图2为NPN三极管结构示意图,白色区域为隔离氧化物,辐射射线会在三极管基区上覆盖的屏蔽氧化层中产生电子空穴对,如图所示,PN结的内建电场E1会在SiO2/Si界面处产生一个边缘电场E2。在E2的作用下电子空穴对通过俘获运输形成了辐射感生的氧化物陷阱电荷和界面陷阱电荷，而SiO2/Si界面处的界面陷阱会起到复合中心的作用。然而，三极管的发射结相当于一个PN结，而公式（1）给出了PN电流的计算公式，即肖克莱方程：1exp1exp220kTqVNLnqDNLnqDkTqVIIBEAninDpipBEBE，公式（1）其中VBE为基射结电压、DN和DP为电子与空穴的扩散系数、Lp和Ln为电子与空穴的扩散长度、NA和ND分别为施主与受主的参杂浓度，T为温度。我们又知道ppPDL，nnnDL，将Lp与Ln带入公式（1）得出公式（2）：1exp112kTqVNnDNDqnIBEAnnnDppiBE，公式（2）由公式（2）可知，辐射射线在SiO2/Si界面形成复合中心，增加表面处载流子的复合速度，降低载流子寿命，导致基极电流增加。而我们知道三极管的发射极电流静态增益β=IC/IB，因此，随着总剂量辐射的累积三极管的电流增益会呈下降趋势。5020406080100-120-100-80-60-40-200Dose/krad(Si)25℃radiation70℃radiation100℃radiationNPNa020406080100-50-40-30-20-100bDose/krad(Si)25℃radiation70℃radiation100℃radiationPNP图3NPN型三极管(a)和PNP型三极管(b)的电流增益衰减△β随着温度和总剂量的变化曲线Fig.3ΔβofNPN-typetransistor(a)andPNP-typetransistor(b)vstotaldoseandradiationtemperature图3是NPN型和PNP型三极管在三种不同的辐照温度的情况下,电流增益衰减Δβ随着总剂量的变化曲线，从图3中我们可以发现,在辐照之后两款器件的电流增益总体上都随辐照剂量的增加而呈下降趋势,并且当辐照温度为100℃时，电流增益衰减程度最大。这是因为辐照温度的升高，增加了辐射所产生的电子和空穴的平均动能，降低了空穴被俘获的概率，使空穴运输到界面处的概率也大大增加，这样就增加了界面陷阱电荷与固定氧化物陷阱电荷的数量。公式（3）给出了PN结在大注入情况下的电流计算公式：)2exp(20kTqVnqWqUdxJBEWiDreD，公式（3）其中WD为PN结耗尽层厚度，U为载流子的净复合产生率（大注入条件时，以复合为主）ni为本证载流子浓度，τ为少子寿命。由公式（3）可知,基极所加电压一定,三极管发射结的复合电流Jre与WD成正比。观察图2发现，辐射射线在基区上方的隔离氧化层中引入的固定氧化物电荷导致基区下方耗尽层变宽，即WD增大。因此，当辐照温度升高时，三极管的基极电流增加，导致电流增益β降低。3.2MOS晶体管辐射会在MOS晶体管栅极下面的氧化层中的原子电离，并产生可以自由移动的电子与空穴。在电场的作用下，这些自由的载流子通过俘获和运输过程而形成固定氧化物电荷与6界面陷阱电荷。公式（4）是MOS晶体管的阈值电压计算公式：oxBAsBFBTCqNVV222，公式（4）其中VFB是平带电压、ψB为费米能级、NA为受主掺杂浓度、εs为半导体电容率、Cox为单位面积氧化层电容。我们知道MOS结构的平带电压VFB=Φms-Qf/Cox，其中Φms为金属与半导体功函数之差，Qf为固定氧化物电荷数量。将VFB带入公式（4）得到公式（5）：oxBAsBoxfmsTCqNCQV42，公式（5）由公式（5）可知，当辐射射线在SiO2下面产生固定氧化物电荷时，Qf增大，因此阈值电压会向负方向漂移。图4是NMOS和PMOS在不同温度辐照后的阈值电压漂移量（ΔVT）变化曲线。从图中可以观察到随着辐照总剂量的增加,NMOS和PMOS的阈值电压VT均有较大程度的负方向漂移。在室温的情况下,当总剂量达到1000Gy(Si)时,PMOS的阈值电压漂移量大于NMOS的阈值电压漂移量