CN110850263B - 基于栅控lpnp晶体管进行质子位移损伤等效的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于质子位移损伤技术领域，具体涉及一种基于栅控LPNP晶体管进行质子位移损伤等效的方法，解决了半导体器件质子辐照位移损伤效应等效性测试的技术难题。利用栅极电压控制调制晶体管表面复合的方法，利用栅控手段抑制表面复合并对少数载流子寿命进行直接测量，通过少数载流子寿命与1MeV等效中子注量的函数关系实现质子位移损伤效应与1MeV中子辐照损伤的等效。本发明选用的栅控电荷分离分析方法同时能够对质子辐照损伤引入的累积电离辐射总剂量效应进行测量，对氧化物电荷密度和界面陷阱密度实现定量测量。

Description

基于栅控LPNP晶体管进行质子位移损伤等效的方法
技术领域
本发明涉及一种基于栅控横向结构PNP晶体管电荷分离技术进行质子位移损伤等效的方法。
背景技术
随着空间技术的不断发展，越来越多的电子器件已应用于空间辐射环境中，空间环境中高能质子造成的位移损伤效应将对电子器件的性能造成严重损伤，因此质子位移损伤等效分析对于评估电子器件抗空间位移损伤性能具有重要意义。
质子是带电粒子，能够在半导体器件中同时产生电离辐射效应和位移损伤效应，电离效应和位移损伤效应同时作用于电子器件时，由于效应间的耦合作用，将导致位移损伤效应难以区分，给等效性分析带来困难。
而地面模拟环境中，常采用反应堆中子作为位移损伤效应模拟源，中子辐射试验中器件无需开盖处理，中子辐射效应主要为位移损伤效应，可有效控制伴生电离辐射效应对位移损伤的影响，利用反应堆中子源开展空间质子位移损伤的地面等效模拟试验具有重要意义。
由于质子辐照电子器件产生的电离效应会对位移损伤效应产生严重影响，利用半导体器件常规性能参数评估其退化特征存在较大的局限性；在理论方法方面，广泛采取的基于非电离能损的计算方法中主要考虑的是与初始缺陷相关的非电离能量的沉积，无法考虑缺陷随后退火带来的影响。因此如何去除电离损伤干扰进行单独位移损伤的定量测量是位移损伤等效性研究面临的技术难题。
发明内容
为了解决半导体器件质子辐照位移损伤效应等效性测试的技术难题，本发明提供一种基于栅控横向结构PNP晶体管电荷分离技术进行隔离电离损伤进行纯位移损伤效应测量，以便于不同能量质子与中子进行位移损伤等效的方法。
本发明利用栅极电压控制调制晶体管表面复合的方法，利用栅控手段抑制表面复合并对少数载流子寿命进行直接测量，通过少数载流子寿命与1MeV等效中子注量的函数关系实现质子位移损伤效应与1MeV中子辐照损伤的等效。本发明选用的栅控电荷分离分析方法同时能够对质子辐照损伤引入的累积电离辐射总剂量效应进行测量，对氧化物电荷密度和界面陷阱密度实现定量测量。
本发明的技术解决方案是提供一种基于栅控LPNP晶体管进行质子位移损伤等效的方法其特殊之处在于：包括以下步骤：
步骤1、选取要进行筛选的栅控横向结构PNP晶体管，获取栅控横向结构PNP晶体管的工艺参数，并确定栅控扫描测试条件；
步骤2、根据确定的栅控扫描测试条件对步骤1选取的栅控横向结构PNP晶体管进行栅控扫描测试；
根据少数载流子寿命的计算方法和筛选出的栅控横向结构PNP晶体管工艺参数计算栅控横向结构PNP晶体管初始状态下的少数载流子寿命；并筛选出初始状态下的少数载流子寿命以及增益参数测试结果一致的栅控横向结构PNP晶体管作为辐照对象；
步骤3、将筛选出的栅控横向结构PNP晶体管不加偏置进行反应堆中子辐照至不同注量，并对1MeV等效中子注量进行测量；
在固定辐照注量点上对器件进行栅控扫描测试，测试条件与步骤1确定的测试条件一致；
根据少数载流子寿命的计算方法计算不同中子注量下栅控横向结构PNP晶体管的少数载流子寿命；
步骤4、计算不同中子注量辐照后，各个中子注量下，栅控横向结构PNP晶体管少数载流子寿命倒数的退化，根据晶体管少数载流子寿命倒数退化值和辐照中子注量的线性关系，获得栅控横向结构PNP晶体管的1MeV等效中子位移损伤常数KR；
步骤5、将筛选出的未经辐照的栅控横向结构PNP晶体管去除封盖，并置于质子辐射环境进行一定时间的辐照，监测质子束流强度并获取累积的质子辐照注量；
步骤6、对质子辐照后的栅控横向结构PNP晶体管进行栅控扫描测试，测试条件与步骤1确定的测试条件一致；根据少数载流子寿命的计算方法得到质子辐照后栅控横向结构PNP晶体管的少数载流子寿命；
步骤7、计算质子辐照后栅控横向结构PNP晶体管少数载流子寿命倒数的退化，利用其倒数的退化除以中子位移损伤常数KR得到质子辐照在这段时间内累积的等效1MeV中子损伤。
进一步地，还包括步骤8、通过栅控扫描曲线的相对峰值可以计算出界面态陷阱密度，通过对比辐照前后峰值位置对应的电压漂移量可以计算辐照导致的氧化物陷阱电荷密度。
进一步地，界面态陷阱密度的计算方法依据下式进行计算
Figure BDA0002277356950000031
其中，ΔIpeak为曲线峰值变化量，Speak为基区表面积，σ为载流子俘获截面，vth为载流子热速率；
氧化物陷阱电荷密度的计算方法依据下式进行计算
Figure BDA0002277356950000032
其中，Cox＝εox/tox,εox为二氧化硅介电常数，tox为基区氧化层厚度，ΔVmg为栅极扫描曲线的电压漂移量。
进一步地，步骤1中栅控横向结构PNP晶体管的工艺参数包括：
发射极周长、发射极结深、基区宽度、基区掺杂浓度、射基极耗尽层宽度、氧化层厚度与基区表面积。
进一步地，步骤1中栅控扫描测试条件为：
栅极扫描电压从正压到负压扫描，扫描电压从+10V向-50V扫描；在栅极扫描过程中保持栅控横向结构PNP晶体管处于正向偏置状态。
进一步地，所述少数载流子寿命的计算方法为：
Figure BDA0002277356950000033
其中，其中q为电子电荷，pE为发射极周长，hE为发射极结深，IB为累积条件下的基极电流，VEB为射-基极偏压，ni是本征载流子浓度，xB为基区宽度，ND为基区掺杂浓度，xd为射-基极耗尽层宽度。
进一步地，步骤3中利用金属箔活化法对1MeV等效中子注量进行测量。本发明的有益效果在于：
(1)本发明采用的方法是利用双极型晶体管少数载流子寿命倒数和1MeV等效中子注量呈线性关系的特点，实现基于反应堆1MeV等效中子在横向晶体管上的损伤因子计算出质子辐照位移损伤相应的等效1MeV中子注量。
(2)本发明选用栅控横向结构晶体管进行质子位移损伤的等效1MeV中子注量测量，由于在正栅极电压条件下晶体管基区的表面复合被抑制，测量得到的少数载流子寿命为质子位移损伤效应单独作用的结果。该测量结果优于NIEL方法计算的结果，原因在于NIEL方法只计算了与初始缺陷相关的非电离能量的沉积，没有考虑缺陷快退火并形成稳定缺陷的过程。
(3)本发明选用的栅控电荷分离分析方法同时能够对质子辐照损伤引入的累积电离辐射总剂量效应进行测量，对氧化物电荷密度和界面陷阱密度实现定量测量。
附图说明
图1为典型栅控横向结构PNP晶体管的剖面结构示意图；
图2a为栅控横向结构PNP晶体管质子辐照后在基区表面积累条件下的载流子复合率分布；
图2b为栅控横向结构PNP晶体管质子辐照后在基区表面耗尽条件下的载流子复合率分布；
图3为质子辐照栅控横向结构PNP晶体管前后的典型栅极扫描测试曲线；
图4为少数载流子寿命倒数的退化与1MeV等效中子注量的线性关系；
具体实施方式
中子辐射会使半导体材料中晶格原子产生位移效应，形成缺陷和缺陷群，相当于增加了复合中心，从而引起双极型晶体管基区的少数载流子寿命降低，晶体管电流增益下降，中子导致的电离辐射损伤可以忽略不计。原始少数载流子寿命为τ0，中子辐射之后少数载流子寿命为τφ，则有：
1/τφ-1/τ0＝Kφn
式中K是少数载流子寿命损伤常数，它与辐射前的半导体电阻率以及入射中子能量有关；φn为中子注量。基于上式，只要测到中子辐照前后的少数载流子寿命以及相应的中子注量，即可获得少数载流子寿命损伤常数，并根据上式的线性关系利用晶体管质子辐照损伤少数载流子寿命的测量结果进行1MeV中子等效。
栅控横向型PNP晶体管实际上是在对辐射效应敏感的基区氧化层上方加一个控制栅，形成一个PMOS结构，如图1所示。在辐照实验结束后通过测量不同压时的基极偏置电流以计算少数载流子寿命、氧化物陷阱电荷以及界面态陷阱的浓度。辐射损伤对双极型晶体管基极电流的影响主要来自于体硅内和器件表面的载流子复合，但是表面复合和栅极电压大小极其相关。当栅极电压为正时，基区表面处于强积累状态，表面电场排斥空穴，使得基极电流只与位移损伤导致的体复合相关，表面复合不起作用，通过测量正栅极电压偏置下过剩基极电流的变化就能够计算出载流子寿命的变化；当栅极电压逐渐负向扫描至可以低消氧化物电荷对表面势的影响时，过量基极偏置电流最大，基区表面处于耗尽状态，扫描曲线会出现一个峰值，此时的栅极电压值与氧化物电荷浓度有关，而过量基极偏置电流峰值的大小与界面态陷阱浓度成正比，从而达到电荷分离的效果(图2a与图2b)。
简言之，以3MeV质子辐照横向结构PNP晶体管的栅控扫描曲线为例(图3)，扫描曲线峰值电压位置的变化表征了氧化物陷阱电荷的影响；相对峰值高度表征了界面态陷阱的影响；这两个参数主要是由电离辐射总剂量效应引起；而扫描曲线右侧平台的变化则表征了少数载流子寿命的变化。
图4为Δ(1/τ)与中子注量呈现出显著的线性关系，基于该线性关系可以对质子位移损伤造成的少数载流子寿命退化进行测量并计算相应的1MeV等效中子注量。
少数载流子寿命的表达式如下式所示。其中q为电子电荷，pE为发射极周长，hE为发射极结深，IB为累积条件下的基极电流，VEB为射-基极偏压，本实施例选取VEB＝0.45V，ni是本征载流子浓度，xB为基区宽度，ND为基区掺杂，xd为射-基极耗尽层宽度。
Figure BDA0002277356950000061
界面态陷阱密度的计算方法依据下式进行计算
Figure BDA0002277356950000062
其中ΔIpeak为曲线峰值变化量，Speak为基区表面积，σ为载流子俘获截面，vth为载流子热速率。
氧化物陷阱电荷密度的计算方法依据下式进行计算
Figure BDA0002277356950000063
其中Cox＝εox/tox,εox为二氧化硅介电常数，tox为基区氧化层厚度，ΔVmg为栅极扫描曲线的电压漂移量。
本发明基于栅控横向结构PNP晶体管电荷分离技术进行质子位移损伤与1MeV中子等效的较佳实施例步骤流程如下：
(1)通过流片或购买栅控横向结构PNP晶体管，并获得栅控横向结构PNP晶体管工艺参数，参数应包括发射极周长、发射极结深、基区宽度、基区掺杂浓度、射基极耗尽层宽度、氧化层厚度、基区表面积。
(2)针对栅控横向结构PNP晶体管进行栅控扫描测试，对栅极电压进行扫描并同时测试基极电流随栅极电压的变化，栅极扫描电压应从正压到负压扫描，保证PMOS结构能够从积累-耗尽-反型过程过度，一般扫描电压从+10V向-50V扫描。在栅极扫描过程中应保持器件处于正向偏置状态。通过栅极扫描测试和增益参数测试，对同批次样本进行筛选，根据少数载流子寿命计算公式和器件工艺参数计算器件初始状态下的少数载流子寿命，选择初始状态下的少数载流子寿命与增益参数一致性良好的器件作为辐照对象。
(3)在筛选出的栅控横向结构PNP晶体管样本中选择6只器件(其他实施例中可以是任意数量)在反应堆上开展中子位移损伤效应辐照，辐照过程中器件不加偏置，器件管脚全部短接。且在进行辐照试验时，栅控横向结构PNP晶体管应尽量集中紧密布放，避免束流不均匀性带来影响。
在固定辐照注量点上对器件进行栅控扫描测试，测试条件与筛选测试条件完全一致，并根据少数载流子寿命计算公式计算得到不同中子注量点下栅控横向结构PNP晶体管的少数载流子寿命均值。辐照过程中利用金属箔活化法对辐照的栅控横向结构PNP晶体管样品进行伴随测量，获得反应堆辐照累积的1MeV等效中子注量；
(4)计算中子辐照后栅控横向结构PNP晶体管少数载流子寿命倒数的退化，获得晶体管少数载流子寿命倒数和反应堆1MeV等效中子注量的线性关系，该线性关系对应的斜率即为该横向结构晶体管的1MeV等效中子位移损伤因子KR。
(5)将筛选过未经辐照的栅控横向结构PNP晶体管进行开盖处理后，避免封装材料对质子屏蔽带来的影响；置于质子源环境中进行一定时间的辐照，累积质子造成的位移损伤。监测质子束流强度，并根据辐照时间计算累积的质子辐照注量。同样的，在辐照时，栅控横向结构PNP晶体管应尽量集中紧密布放，避免束流不均匀性带来影响。
(6)辐照后采用同样的栅极扫描测试条件对栅控横向结构PNP晶体管的少数载流子寿命进行测试，并根据少数载流子寿命计算公式计算得到质子辐照后栅控横向结构PNP晶体管的少数载流子寿命均值；
(7)计算质子辐照后栅控横向结构PNP晶体管少数载流子寿命倒数的退化，将晶体管少数载流子寿命倒数的退化值除以栅控横向结构晶体管的1MeV等效中子位移损伤因子KR即可得到在这段时间内质子位移损伤相应的1MeV等效中子注量。
(8)确定栅极扫描测试曲线的峰值高度和峰值位置，利用界面态陷阱密度和氧化物陷阱电荷密度的计算公式得到质子辐照导致的电离辐射损伤。

Claims (7)

1.一种基于栅控LPNP晶体管进行质子位移损伤等效的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、选取要进行筛选的栅控横向结构PNP晶体管，获取栅控横向结构PNP晶体管的工艺参数，并确定栅控扫描测试条件；
步骤2、根据确定的栅控扫描测试条件对步骤1选取的栅控横向结构PNP晶体管进行栅控扫描测试；
根据少数载流子寿命的计算方法和筛选出的栅控横向结构PNP晶体管工艺参数计算栅控横向结构PNP晶体管初始状态下的少数载流子寿命；并筛选出初始状态下的少数载流子寿命以及增益参数测试结果一致的栅控横向结构PNP晶体管作为辐照对象；
步骤3、将筛选出的栅控横向结构PNP晶体管不加偏置进行反应堆中子辐照至不同注量，并对1MeV等效中子注量进行测量；
在固定辐照注量点上对器件进行栅控扫描测试，测试条件与步骤1确定的测试条件一致；
根据少数载流子寿命的计算方法计算不同中子注量下栅控横向结构PNP晶体管的少数载流子寿命；
步骤4、计算不同中子注量辐照后，各个中子注量下，栅控横向结构PNP晶体管少数载流子寿命倒数的退化，根据晶体管少数载流子寿命倒数退化值和辐照中子注量的线性关系，获得栅控横向结构PNP晶体管的1MeV等效中子位移损伤常数KR；
步骤5、将筛选出的未经辐照的栅控横向结构PNP晶体管去除封盖，并置于质子辐射环境进行一定时间的辐照，监测质子束流强度并获取累积的质子辐照注量；
步骤6、对质子辐照后的栅控横向结构PNP晶体管进行栅控扫描测试，测试条件与步骤1确定的测试条件一致；根据少数载流子寿命的计算方法得到质子辐照后栅控横向结构PNP晶体管的少数载流子寿命；
步骤7、计算质子辐照后栅控横向结构PNP晶体管少数载流子寿命倒数的退化，利用其倒数的退化除以中子位移损伤常数KR得到质子辐照在这段时间内累积的等效1MeV中子损伤。
2.根据权利要求1所述的基于栅控LPNP晶体管进行质子位移损伤等效的方法，其特征在于：
还包括步骤8、通过栅控扫描曲线的相对峰值可以计算出界面态陷阱密度，通过对比辐照前后峰值位置对应的电压漂移量可以计算辐照导致的氧化物陷阱电荷密度。
3.根据权利要求2所述的基于栅控LPNP晶体管进行质子位移损伤等效的方法，其特征在于：
界面态陷阱密度的计算方法依据下式进行计算
Figure FDA0002277356940000021
其中，ΔIpeak为曲线峰值变化量，Speak为基区表面积，σ为载流子俘获截面，vth为载流子热速率；
氧化物陷阱电荷密度的计算方法依据下式进行计算
Figure FDA0002277356940000022
其中，Cox＝εox/tox,εox为二氧化硅介电常数，tox为基区氧化层厚度，ΔVmg为栅极扫描曲线的电压漂移量。
4.根据权利要求2所述的基于栅控LPNP晶体管进行质子位移损伤等效的方法，其特征在于：
步骤1中栅控横向结构PNP晶体管的工艺参数包括：
发射极周长、发射极结深、基区宽度、基区掺杂浓度、射基极耗尽层宽度、氧化层厚度与基区表面积。
5.根据权利要求4所述的基于栅控LPNP晶体管进行质子位移损伤等效的方法，其特征在于，步骤1中栅控扫描测试条件为：
栅极扫描电压从正压到负压扫描，扫描电压从+10V向-50V扫描；在栅极扫描过程中保持栅控横向结构PNP晶体管处于正向偏置状态。
6.根据权利要求5所述的基于栅控LPNP晶体管进行质子位移损伤等效的方法，其特征在于，所述少数载流子寿命的计算方法为：
Figure FDA0002277356940000031
其中，其中q为电子电荷，pE为发射极周长，hE为发射极结深，IB为累积条件下的基极电流，VEB为射-基极偏压，ni是本征载流子浓度，xB为基区宽度，ND为基区掺杂浓度，xd为射-基极耗尽层宽度。
7.根据权利要求5所述的基于栅控LPNP晶体管进行质子位移损伤等效的方法，其特征在于：步骤3中利用金属箔活化法对1MeV等效中子注量进行测量。
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