CN108346693A - 一种用于提取氧化物电荷和界面态的栅控纵向双极器件结构单元及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于提取氧化物电荷和界面态的栅控纵向双极器件结构单元及其制备方法，属于核科学与技术领域，为了解决纵向双极晶体管无法定量分离氧化物俘获正电荷和界面态。本发明通过增加栅极单元，以便定量表征以及分离氧化物电荷和界面态；栅极单元设置在发射区接触孔和基区接触孔之间的氧化物上方；栅极单元的外边缘距发射区接触孔的距离大于或等于0.2μm；栅极单元距基区发射孔的距离大于或等于0.2μm；并且栅极单元的面积小于或等于整个基区面积的1/4。有益效果为准确定量表征辐射诱导氧化物和界面态缺陷的状态。
Description
技术领域
本发明属于核科学与技术领域，尤其涉及一种纵向双极晶体管氧化物电荷和界面态的提取方法。
背景技术
电子器件是辐射敏感器件，是航天器中易产生损伤的关键部分。器件在辐射环境下的寿命和可靠性，会严重影响航天器的在轨工作状态和使用寿命。电子器件在轨所面临的主要损伤环境是空间带电粒子辐射环境。由于地球辐射带的存在，大部分近地轨道上运行的航天器都会受到电离损伤的影响。早期的地面试验采用加速方法，使用较高的剂量率来降低试验成本。1991年，在双极晶体管中，地面加速试验的局限性显现了出来，发现了低剂量率辐射损伤增强效应(ELDRS)。自上世纪90年代起，该问题一直是双极器件辐射效应研究的重点和热点问题。到目前为止，虽然该问题的研究已有较长的历史，然而至今仍没有准确的物理模型进行描述，且仍然难以解决地面加速试验与空间真实剂量率辐照损伤之间存在的差距。该问题的产生主要是由于无法定量表征电离辐射损伤，在双极器件内诱导的氧化物正电荷和界面态所致。
电离损伤效应对电子元器件造成的主要缺陷是电子—空穴对，这是器件造成辐射损伤的根本原因。在双极器件中，辐射诱导的电子—空穴对最终会在氧化物层形成氧化物俘获正电荷，在SiO2/Si界面形成界面态。这两种缺陷的产生均会导致双极器件表面复合速率的改变，最终致使双极器件电离辐照损伤时性能及可靠性退化。然而，在实际工作状态条件下，氧化物电荷和界面态同时存在，针对纵向结构的双极晶体管，如何定量分离氧化物俘获正电荷和界面态一直是目前研究的难题。
现有的双极晶体管以NPN晶体管的制备方法为例进行说明，NPN晶体管的过程如下所述：
一、制备衬底。
二、制备埋层。
三、去除全部二氧化硅后，外延生长一层轻掺杂的硅。此外延层作为集电区。整个双极型集成电路及分立器件便制作在这一外延层上。
四、在外延层上先生长一层二氧化硅，然后进行二次光刻，刻蚀出隔离区，接着预淀积或离子注入相应的杂质元素，并再扩散(或者退火)使杂质推进到一定距离，形成相应类型的隔离区。
五、为降低集电极串联电阻，需要制备重掺杂的相应类型的接触，进行第三次光刻，刻蚀出集电极，再注入(或扩散)相应类型的杂质元素并退火。
六、再进行第四次光刻，刻蚀出基区区域，然后在该发范围内注入相应类型的掺杂元素并退火，扩散形成基区。
七、在基区上生长一层氧化物，进行第五次光刻，刻蚀出发射区区域，然后在该范围内注入相应类型的掺杂元素并退火，扩散形成发射区。
八、淀积二氧化硅后，进行第六次光刻，刻蚀出接触窗口，用于引出电极线。接触孔中溅射金属铝形成欧姆接触。
九、进行第七次光刻，形成互联金属布线，最后生长钝化层，封装器件。
发明内容
本发明的目的是为了解决纵向双极晶体管无法定量分离氧化物俘获正电荷和界面态，提出了一种用于提取氧化物电荷和界面态的栅控纵向双极器件结构单元及其制备方法。
本发明所述的一种用于提取氧化物电荷和界面态的栅控纵向双极器件结构单元，该结构单元通过增加栅极单元，以便定量表征以及分离氧化物电荷和界面态；
所述栅极单元设置在发射区接触孔和基区接触孔之间的氧化物上方；
所述栅极单元的外边缘距发射区接触孔的距离大于或等于0.2μm；栅极单元距基区发射孔的距离大于或等于0.2μm；并且栅极单元的面积小于或等于整个基区面积的1/4。
基于一种用于提取氧化物电荷和界面态的栅控纵向双极器件结构单元的制备方法包括以下步骤：
步骤一、在形成发射区、基区、集电区以及完成Si体表面氧化的基础上，针对所刻蚀出的发射区、基区及集电区接触孔进行电极的制备；
步骤二、在步骤一进行电极制备的同时，在发射区接触孔和基区接触孔之间的氧化物层上方进行栅极的制备；
步骤三、完成全部电极制备后，采取氧化方式或氮化方式对氧化物层和电极进行钝化处理；
步骤四、基于不同类型的粒子进行辐照试验，当辐照完成后，进行氧化物电荷和界面态的提取工作，完成制备。
本发明针对氧化物和界面态的基本特征，基于纵向双极晶体管的基本结构，设计并制备出一种特殊的器件单元，能够准确定量表征辐射诱导氧化物和界面态缺陷的状态，工艺步骤简单，易于操作；本发明所提出的技术途径能够大幅度降低试验的费用，并且提高了试验操作人员的安全性和缩短试验时间，对材料和器件空间环境效应地面模拟试验和研究具有重大的意义；在空间环境效应研究与抗辐照加固技术应用中，有着明显的优势和广泛的应用前景。
本发明所述的一种用于提取氧化物电荷和界面态的栅控纵向双极器件结构单元适用于定量分离和检测辐照产生的氧化物电荷和界面态。
附图说明
图1为具体实施方式一中栅控NPN晶体管结构示意图，其中B为基区，C为集电区，E为发射区，G为栅极单元，n+为n型高掺杂半导体，P+为P型高掺杂半导体，p-Sub为p-衬底，n-epi为n-外延层；
图2为具体实施方式二中不同剂量率下电流增益随剂量变化曲线示意图；
图3为具体实施方式二中不同剂量率下基极电流随栅压的变化关系曲线示意图；
图4为具体实施方式二中提取出的界面态电荷随辐照剂量变化曲线示意图；
图5为具体实施方式二中提取出的氧化物电荷变化量随剂量变化结果曲线示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的一种用于提取氧化物电荷和界面态的栅控纵向双极器件结构单元通过增加栅极单元，以便定量表征以及分离氧化物电荷和界面态；
所述栅极单元设置在发射区接触孔和基区接触孔之间的氧化物上方；
所述栅极单元的外边缘距发射区接触孔的距离大于或等于0.2μm；栅极单元距基区发射孔的距离大于或等于0.2μm；并且栅极单元的面积小于或等于整个基区面积的1/4。
在本实施方式中，所述栅极单元为长方形结构或圆形结构，当栅极单元为长方形结构时，该长方形的长与宽的比为10:1～1:10。
本实施方式所涉及的一种用于提取氧化物电荷和界面态的栅控纵向双极器件结构单元通过增加栅极单元，来用于定量分离和检测辐照产生的氧化物电荷和界面态，其应用辐照环境对象包括不同能量和类型的带电粒子(质子、电子及重离子)、Co-60源γ射线、中子及介子等，其应用的器件对象设计NPN型、PNP型及混合器件。该技术的特征在于，在不改变原有氧化物电荷和界面态状态的条件下，针对现有双极器件结构，设计制备出栅控纵向双极晶体管结构，用于同时检测和分离氧化物电荷与界面态；基于栅控纵向双极晶体管结构，可以用于表征不同类型粒子辐照产生的氧化物电荷和界面态数量，为地面模拟试验及天地等效提供技术支撑，达到定量分析和降低试验成本的目的。带电粒子辐照会在材料和器件中产生电离损伤，诱导产生电子—空穴对；这些电子和空穴在室常温条件下活动能力强，大部分将发生复合作用；未发生复合的电子/空穴对最终会在氧化物层形成稳定的氧化物俘获正电荷，在Si/SiO2界面形成界面态；当这些稳定缺陷在双极器件(尤其是纵向双极晶体管)内部产生时，无法定量表征和分离氧化物电荷与界面态的影响。为了同时检测出氧化物电荷和界面态缺陷，本技术在现有双极器件工艺结构基础上，仅通过添加栅极单元，即可制备出能够定量表征和分离氧化物电荷和界面态的器件结构单元；该技术制造工艺步骤非常简单，在不改变原有缺陷状态的条件下，易于深入分析纵向双极器件内辐射诱导氧化物和界面态缺陷的状态。
在本实施方式中以NPN型器件结构单元为例进行说明。
具体实施方式二：结合图2至图5说明本实施方式，本实施方式是基于具体实施方式一所述的一种用于提取氧化物电荷和界面态的栅控纵向双极器件结构单元的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
步骤一、在形成发射区、基区、集电区以及完成Si体表面氧化的基础上，针对所刻蚀出的发射区、基区及集电区接触孔进行电极的制备；
步骤二、在步骤一进行电极制备的同时，在发射区接触孔和基区接触孔之间的氧化物层上方进行栅极的制备；
步骤三、完成全部电极制备后，采取氧化方式或氮化方式对氧化物层和电极进行钝化处理；
步骤四、基于不同类型的粒子进行辐照试验，当辐照完成后，进行氧化物电荷和界面态的提取工作，完成制备。
在本实施方式中，步骤三中钝化处理的温度低于或等于800℃；步骤四中进行氧化物电荷和界面态的提取工作过程中，在栅极单元施加扫描电压，使得器件的基区表面从累积型扫描至反型层；步骤四中进行氧化物电荷提取时，栅极单元施加的扫描电压强度不能超过20MV/cm；并且要保证纵向双极晶体管的发射结处于正偏条件，发射结电压处于0.2～1.0V之间。
在本实施方式中，以基于本实施方式设计并制备出栅控NPN型器件结构单元，该器件结构单元生产完成后，开始进行辐照试验工作；分别选用100rad/s和10mrad/s的Co-60源开展辐照试验研究；图2给出了在不同剂量率条件下，有无栅控结构对器件性能退化的影响规律；由图可见，无论是高剂量率辐照，还是低剂量率辐照栅控结构均不会影响器件的辐射效应；图3给出了不同剂量率辐照条件下，不同栅压扫描条件对基极电流变化的影响规律；图3中栅压的扫描范围为-10V～150V，发射结电压为0.5V；该栅控NPN型双极器件的氧化物层厚度为100nm，因此，此时栅极电场强度范围为1MV/cm～15MV/cm；基于图3中的数据，即可分别提取出界面态和氧化物俘获电荷随电离辐射吸收剂量的变化关系，分别如图4和5所示；因此，该栅控纵向双极晶体管结构，可以很好地定量分离氧化物俘获电荷和界面态。
Claims (7)
1.一种用于提取氧化物电荷和界面态的栅控纵向双极器件结构单元，其特征在于，该结构单元通过增加栅极单元，以便定量表征以及分离氧化物电荷和界面态；
所述栅极单元设置在发射区接触孔和基区接触孔之间的氧化物上方；
所述栅极单元的外边缘距发射区接触孔的距离大于或等于0.2μm；栅极单元距基区发射孔的距离大于或等于0.2μm；并且栅极单元的面积小于或等于整个基区面积的1/4。
2.根据权利要求1所述的一种用于提取氧化物电荷和界面态的栅控纵向双极器件结构单元，其特征在于，所述栅极单元为长方形结构，并且该长方形的长与宽的比为10:1～1:10。
3.根据权利要求1所述的一种用于提取氧化物电荷和界面态的栅控纵向双极器件结构单元，其特征在于，所述栅极单元为圆形结构。
4.基于权利要求2或3所述的一种用于提取氧化物电荷和界面态的栅控纵向双极器件结构单元的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：
步骤一、在形成发射区、基区、集电区以及完成Si体表面氧化的基础上，针对所刻蚀出的发射区、基区及集电区接触孔进行电极的制备；
步骤二、在步骤一进行电极制备的同时，在发射区接触孔和基区接触孔之间的氧化物层上方进行栅极的制备；
步骤三、完成全部电极制备后，采取氧化方式或氮化方式对氧化物层和电极进行钝化处理；
步骤四、基于不同类型的粒子进行辐照试验，当辐照完成后，进行氧化物电荷和界面态的提取工作，完成制备。
5.根据权利要求4所述的一种用于提取氧化物电荷和界面态的栅控纵向双极器件结构单元的制备方法，其特征在于，步骤三中钝化处理的温度低于或等于800℃。
6.根据权利要求4所述的一种用于提取氧化物电荷和界面态的栅控纵向双极器件结构单元的制备方法，其特征在于，步骤四中进行氧化物电荷和界面态的提取工作过程中，在栅极单元施加扫描电压，使得器件的基区表面从累积型扫描至反型层。
7.根据权利要求4所述的一种用于提取氧化物电荷和界面态的栅控纵向双极器件结构单元的制备方法，其特征在于，步骤四中进行氧化物电荷提取时，栅极单元施加的扫描电压强度不能超过20MV/cm；并且要保证纵向双极晶体管的发射结处于正偏条件，发射结电压处于0.2～1.0V之间。
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