王利斌 王 信 吳 雪 李小龍 劉默寒 陸 嫵

1（新疆大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 烏魯木齊830046）

2（中國(guó)科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所 中國(guó)科學(xué)院特殊環(huán)境功能材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 烏魯木齊830011）

3（新疆電子信息材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 烏魯木齊830011）

4（模擬集成電路重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶400060）

自20世紀(jì)70年代以來，微電子器件和集成電路仍沿著摩爾定律和國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)步。但從應(yīng)用角度講，硅基器件速度已經(jīng)接近物理極限，在保持線性特性的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升其速度和改善其頻率特性愈發(fā)困難。為了滿足射頻通信等應(yīng)用對(duì)高性能器件的需求，該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)向新型半導(dǎo)體材料和結(jié)構(gòu)的器件，如鍺硅異質(zhì)結(jié)（SiGe HBTs）工藝器件。SiGe HBTs 是最早在硅上實(shí)現(xiàn)能帶工程的實(shí)用器件。帶隙漸變使其具有卓越的耐低溫特性，去除了龐大的保溫裝置，極大地降低了飛行器發(fā)射成本［1-2］。SiGe BiCMOS工藝技術(shù)將SiGe HBTs高頻、低噪、高速、耐低溫特性的優(yōu)點(diǎn)，同工藝成熟、價(jià)格低廉、集成高、功耗低的Si CMOS 優(yōu)勢(shì)集合到一起，成為近年來深空探測(cè)不斷發(fā)展的推動(dòng)力，是空間微電子應(yīng)用領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)［3］。

應(yīng)用在航天器中的電子器件長(zhǎng)期暴露在空間輻射環(huán)境中，必然遭受到各種宇宙射線輻射，會(huì)產(chǎn)生輻射效應(yīng)和常規(guī)可靠性兩方面的問題。其中電離總劑量效應(yīng)問題凸顯，電離總劑量效應(yīng)是空間質(zhì)子和電子經(jīng)電離作用對(duì)器件產(chǎn)生的永久性損傷，是航天電子系統(tǒng)輻射效應(yīng)研究的主要問題之一。SiGe HBTs由于禁帶寬、本征基區(qū)薄等特殊器件結(jié)構(gòu)，一般認(rèn)為它具有很強(qiáng)的抗電離總劑量能力，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究也證實(shí)了這點(diǎn)［4］。有國(guó)外課題組［5-6］對(duì)IBM公司的各代SiGe HBTs器件進(jìn)行了詳細(xì)的研究，國(guó)內(nèi)中科院新疆理化技術(shù)研究所、清華大學(xué)、西安電子科技大學(xué)等單位也較早地對(duì)國(guó)產(chǎn)SiGe HBTs 器件進(jìn)行了相關(guān)研究［7-10］，發(fā)現(xiàn)其均具有非常優(yōu)異的抗總劑量輻射效應(yīng)和位移損傷效應(yīng)的性能，但在國(guó)產(chǎn)SiGe HBTs器件上有很明顯的低劑量率增強(qiáng)效應(yīng)（ELDRS），而IBM公司器件上不存在［11-13］。

但是隨著制備工藝的優(yōu)化和結(jié)構(gòu)的完善，比SiGe HBTs 應(yīng)用前景更加廣闊的SiGe BiCMOS 工藝器件在輻射環(huán)境中的長(zhǎng)期可靠性出現(xiàn)新的表現(xiàn)形式，CMOS 工藝對(duì)電離總劑量（Total ionizing dose， TID）損傷更為敏感，嚴(yán)重制約了SiGe BiCMOS工藝器件的應(yīng)用和國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程。因此，研究SiGe BiCMOS 工藝器件的TID 響應(yīng)限制至關(guān)重要。對(duì)此，國(guó)外Fleetwood等［14-16］對(duì)IBM第一代到第四代SiGe BiCMOS 工藝器件進(jìn)行了詳細(xì)而系統(tǒng)的電離總劑量輻射研究，發(fā)現(xiàn)其同樣具有非常好的抗電離總劑量輻射效應(yīng)和位移損傷效應(yīng)的性能，而且沒有發(fā)現(xiàn)ELDRS 的存在。由于設(shè)備條件限制等原因，國(guó)內(nèi)SiGe BiCMOS工藝的研究起步較晚，大部分還處于研發(fā)階段，沒有工程實(shí)用化，所以國(guó)內(nèi)對(duì)國(guó)產(chǎn)SiGe BiCMOS 工藝器件相關(guān)報(bào)道極少［17-19］。為促進(jìn)國(guó)產(chǎn)SiGe BiCMOS 技術(shù)的發(fā)展及其在航天領(lǐng)域的應(yīng)用，對(duì)國(guó)產(chǎn)SiGe BiCMOS 工藝器件抗電離總劑量輻射響應(yīng)的研究是十分必要且迫切的。為了全面評(píng)估國(guó)產(chǎn)新型0.35 μm SiGe BiCMOS工藝器件的抗電離總劑量輻射響應(yīng)，本文對(duì)該器件進(jìn)行了不同偏置條件下的高劑量率實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其具有非常好的抗總電離劑量輻射效應(yīng)性能，且偏置條件對(duì)0.35 μm SiGe BiCMOS器件的抗電離總劑量性能影響非常大。

1 樣品及試驗(yàn)條件

本文選取了國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的新型0.35 μm SiGe BiCMOS工藝器件，在中國(guó)科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所的60Co γ輻射環(huán)境下進(jìn)行了三種不同偏置（基射結(jié)正偏、基射結(jié)反偏和基射結(jié)零偏）狀態(tài)的高劑量率輻照實(shí)驗(yàn)。本文輻照實(shí)驗(yàn)選取1 Gy(Si)/s 的高劑量率，總劑量累積到12 kGy(Si)。器件每累積吸收劑量2 kGy(Si)，將其取出并用美國(guó)4200-SCS半導(dǎo)體參數(shù)分析儀在室溫下對(duì)其參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)試過程均保持在15 min 以內(nèi)。對(duì)不同偏置條件下電參數(shù)隨總劑量輻照響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行了分析，得到基極電流Ib和集電極電流Ic隨輻照累積劑量的變化關(guān)系，并對(duì)其進(jìn)行了Gummel 特性曲線的測(cè)試，得到Ib和Ic隨基極-發(fā)射極電壓VBE的變化關(guān)系。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

隨劑量而增大，從而導(dǎo)致了圖2中電流增益以及峰值電流增益隨劑量的不斷退化。表明Ib是SiGe BiCMOS器件的主要敏感參數(shù)，Ic基本不受電離輻射效應(yīng)的影響。當(dāng)輻照總劑量累積到12 kGy(Si)時(shí)，3種偏置條件下器件峰值hEF仍高于170，說明其在高劑量率輻照下有著良好的抗電離總劑量輻照性能。在不同偏置條件下正偏I(xiàn)b和hEF退化程度最小，零偏次之，反偏時(shí)的退化最大，說明反偏為其最劣偏置。

圖1 SiGe BiCMOS器件Gummel特性曲線隨累積劑量的變化：(a)正偏；(b)反偏；(c)零偏（彩色見網(wǎng)絡(luò)版）Fig.1 Gummel characteristic curves of SiGe BiCMOS device changes with TID:(a)forward bias;(b)reverse bias;(c)zero bias（color online）

圖1 和圖2 給出了國(guó)產(chǎn)0.35 μm SiGe BiCMOS工藝器件正偏、反偏和零偏的Gummel特性和電流增益hEF（hEF=Ic/Ib）經(jīng)電離總劑量輻照的變化示意圖。從圖1中可以明顯看出，隨著輻照累積劑量從0 增加到12 kGy(Si)，器件的集電極電流Ic基本無明顯變化，而基極電流Ib在低于VBE=0.8 V 時(shí)明顯

圖2 SiGe BiCMOS器件直流電流增益隨累積劑量的變化：(a)正偏；(b)反偏；(c)零偏Fig.2 Variation of DC current gain of SiGe BiCMOS devices with TID:(a)forward bias;(b)reverse bias;(c)zero bias

為了進(jìn)一步分析高劑量率輻照條件對(duì)不同偏置國(guó)產(chǎn)SiGe BiCMOS 工藝器件輻照響應(yīng)特性的影響，我們引入兩個(gè)參量分別是過?；鶚O電流ΔIB（Ib-post-Ib-pre）和歸一化電流增益hEF-post/hEF-pre，其中Ib-post和Ib-pre以及hEF-post和hEF-pre分別選取了輻照前后VBE=0.7 V 時(shí)所對(duì)應(yīng)的Ib和hEF，如圖3～4 所示。從圖3中可以看出，隨著累積劑量的增加，各偏置條件下ΔIB不斷增大，歸一化電流增益不斷減小，趨勢(shì)如圖4所示。直至電離總劑量累積到12 kGy(Si)時(shí)，發(fā)現(xiàn)反偏狀態(tài)下過?；鶚O電流、歸一化電流增益退化最嚴(yán)重，零偏次之，正偏最小。

圖3 SiGe BiCMOS器件正偏、反偏和零偏過?；鶚O電流隨累積劑量的變化Fig.3 Variation of forward bias,reverse bias,and zero bias excess base currents with TID in SiGe BiCMOS devices

圖4 SiGe BiCMOS器件正偏、反偏和零偏歸一化電流增益隨累積劑量的變化Fig.4 Variation of forward bias,reverse bias,and zero bias normalized current gain with TID in SiGe BiCMOS devices

3 分析和討論

從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著電離總劑量的累積，直流電流增益的退化主要是由于基極電流Ib的增加引起的。由于注入基極的載流子的數(shù)量只取決于基極的摻雜和施加的偏壓，因此，在給定的偏置條件上，在發(fā)射極耗盡區(qū)增加的復(fù)合，并不會(huì)降低集電極電流。如果耗盡區(qū)復(fù)合增加，發(fā)射極和基極電流會(huì)增加，但集電極電流保持不變。

基極電流主要由體電流Iblunk和表面基極電流Isurface組成，基極電流Ib在器件中的組成如圖5所示。其中基極電流Ib的組成如式（1）所示。

式中：Iseb為EB 結(jié)附近的表面復(fù)合電流；Ireb為EB結(jié)勢(shì)壘區(qū)的表面復(fù)合電流；Irb為基區(qū)復(fù)合電流；Iep為基區(qū)向發(fā)射區(qū)注入的空穴電流；Icbo為BC結(jié)的反向飽和電流。

Ireb、Irb為主的體電流主要與輻射在基極造成深能級(jí)位移缺陷有關(guān)，由于γ射線的能量較小，無法在器件基極產(chǎn)生位移損傷，而且Icbo極小，可忽略，所以60Co γ輻射環(huán)境下基極電流的變化是由于表面基極電流Isurface增大引起的，Iep有效控制Ic幾乎不變，基極表面復(fù)合電流Iseb對(duì)電離輻射更加敏感?；鶚O表面復(fù)合電流Iseb如式（2）所示［20］。

式中：q為電子電荷量（C）；Sb為基區(qū)表面復(fù)合速度（cm/s）；Ab為基區(qū)表面復(fù)合表面積（cm2）；ne為表面非平衡載流子電子濃度（cm-3）。

電離輻射引起器件增益退化的主要物理機(jī)制有以下幾方面：（1）高劑量率電離輻射會(huì)在SiO2層中產(chǎn)生大量的電子-空穴對(duì)。（2）大部分電子-空穴對(duì)會(huì)在幾個(gè)皮秒內(nèi)復(fù)合，部分逃逸的電子-空穴對(duì)經(jīng)電場(chǎng)作用發(fā)生分離。被復(fù)合的逃逸電子由于質(zhì)量小、遷移率高，會(huì)在電場(chǎng)力的作用下快速地被掃出氧化層；質(zhì)量大、低遷移率的空穴以“跳躍”的形式在氧化層中輸運(yùn)。（3）空穴的俘獲及氫的釋放。一方面空穴h+被氧化層中中性氧空位缺陷VO俘獲產(chǎn)生氧化物陷阱，另一方面也可能被氧化層中中性含氫缺陷VH俘獲生成氧化物陷阱并釋放氫離子H+，且H+輸運(yùn)過程中很難被電子中性化。（4）界面陷阱電荷的生成。空穴輸運(yùn)過程中被俘獲產(chǎn)生的氫離子擴(kuò)散至界面處，與界面處Si-H 鍵發(fā)生鈍化反應(yīng)，造成Si-H 鍵斷裂生成界面處陷阱，其過程如式（3）～（5）所示。

圖5 基極電流的組成Fig.5 Composions of base current

電離輻照效應(yīng)對(duì)器件發(fā)射結(jié)的影響如圖6 所示。界面態(tài)在基區(qū)表面附近累積會(huì)使表面能帶如圖7 所示的彎曲，并會(huì)在表面產(chǎn)生一個(gè)附加正電場(chǎng)，影響器件表面特性，使PN 結(jié)耗盡區(qū)向P 型基區(qū)擴(kuò)散，導(dǎo)致基區(qū)表面拓展，基區(qū)表面復(fù)合面積Ab增大。SiGe BiCMOS 工藝器件中發(fā)生的復(fù)合過程是以SRH 復(fù)合為主，其表面界態(tài)密度與電子、空穴的復(fù)合速度成正比。在基區(qū)Si/SiO2表面，輻照感生的界面陷阱密度增大也會(huì)大幅度地增加載流子的表面復(fù)合速度Sb。非平衡電子濃度與注入電流密度及氧化層中的正電荷密度有關(guān)，氧化物陷阱電荷增加和界面態(tài)增長(zhǎng)都會(huì)使表面處非平衡電子濃度ne增大。

圖6 電離輻照效應(yīng)對(duì)器件發(fā)射結(jié)的影響：(a)未輻照；(b)輻照后Fig.6 Ionizing radiation effects on emitter of device:(a)before irradiation;(b)after irradiation

綜上所述，在單一偏置條件下，高劑量率電離輻射會(huì)使Ab、Sb、ne增大，電子質(zhì)量q 不變，從而導(dǎo)致Iseb增大，進(jìn)而引起歸一化直流電流增益的退化。

圖7 界面態(tài)導(dǎo)致的能帶彎曲Fig.7 Energy band bending caused by interface states

而圖1和圖2中不同偏置條件下電離輻射對(duì)器件基極電流及增益的變化的差別，是因?yàn)橥饧悠玫拇嬖?，影響器件氧化層中?nèi)電場(chǎng)，導(dǎo)致二氧化硅層中氧化物陷阱電荷和界面陷阱電荷產(chǎn)生數(shù)目差異，最終造成基射結(jié)反偏時(shí)損傷最大，零偏次之，正偏最小。發(fā)射結(jié)上方的SiO2層內(nèi)電場(chǎng)是由邊緣電場(chǎng)決定的，邊緣電場(chǎng)如圖8所示。若以發(fā)射結(jié)零偏（VBE=0 V）的內(nèi)電場(chǎng)為參考點(diǎn)，發(fā)射結(jié)正偏時(shí)，由于外加電場(chǎng)的存在，內(nèi)電場(chǎng)減弱，耗盡層變窄。邊緣電場(chǎng)的減弱，SiO2層內(nèi)電子-空穴對(duì)復(fù)合率增加，逃逸空穴數(shù)目減少，即“跳躍”的形式在氧化層中輸運(yùn)的空穴減少，與含氫氧空位型缺陷結(jié)合產(chǎn)生的氧化物陷阱電荷減少，釋放的氫離子濃度降低，導(dǎo)致氧化層內(nèi)氧化物陷阱電荷和界面態(tài)數(shù)量減少，所以累積相同劑量時(shí)正偏電流增益損傷程度較?。划?dāng)發(fā)射結(jié)反偏時(shí)，情況正好相反，致使電流增益損傷程度更加嚴(yán)重。

圖8 電離輻照邊緣電場(chǎng)對(duì)發(fā)射結(jié)的影響：(a)正偏;(b)反偏；(c)零偏Fig.8 Effects of edge electric field of ionizing radiation on emitter:(a)forward bias;(b)reverse bias;(c)zero bias

4 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：國(guó)產(chǎn)0.35 μm SiGe BiCMOS工藝器件在高劑量率輻照下抗電離總劑量輻照的性能非常好，可以達(dá)到數(shù)千戈瑞水平，且基極電流和電流增益比集電極電流對(duì)輻射更敏感。主要機(jī)制是輻射在SiGe BiCMOS 器件基射結(jié)氧化層中誘導(dǎo)產(chǎn)生的界面態(tài)和氧化物陷阱電荷，引起表面復(fù)合電流增大，使基極電流增大，從而導(dǎo)致器件電流增益退化。偏置條件對(duì)國(guó)產(chǎn)SiGe BiCMOS 工藝器件的影響非常大，在不同偏置條件輻射下，基射結(jié)反偏損傷最大，零偏次之，正偏最小，反偏為最劣偏置條件。其主要機(jī)制是器件在不同偏置條件下二氧化硅氧化層內(nèi)電場(chǎng)不同，導(dǎo)致凈氧化物陷阱電荷和界面陷阱電荷產(chǎn)生數(shù)目的差異所致。本實(shí)驗(yàn)為國(guó)產(chǎn)SiGe BiCMOS 工藝器件在空間輻射環(huán)境中的應(yīng)用給出了參考。下一步將研究SiGe BiCMOS器件在低劑量率時(shí)不同偏置條件下的輻照效應(yīng)。