CN111766496B - 双极晶体管位移损伤敏感部位的检测方法 - Google Patents

双极晶体管位移损伤敏感部位的检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种双极晶体管位移损伤敏感部位的检测方法，包括以下步骤：选择辐照源，针对待测双极晶体管开展辐照试验；将辐照后的双极晶体管安装到深能级瞬态谱仪的测试台上，设置测试参数；选择至少2个不同的偏置电压，测试双极晶体管获取深能级瞬态谱；根据不同的偏置电压下深能级瞬态谱中的信号峰变化，判定缺陷信号的类型；根据缺陷信号类型的判定结果，判定双极晶体管的位移损伤敏感区。本发明检测方法基于深能级瞬态谱分析，能够快速判断和评估双极晶体管位移损伤的敏感区，有利于推进辐射环境下双极器件性能退化等效性问题和抗辐射加固技术的研究。

Description

双极晶体管位移损伤敏感部位的检测方法
技术领域
本发明涉及电子器件检测技术领域，具体而言，涉及一种双极晶体管位移损伤敏感部位的检测方法。
背景技术
在辐射环境下工作的双极晶体管将受到各种粒子作用，产生位移损伤，双极晶体管由介电材料、半导体材料、导体材料及其界面组成。位移效应会在双极晶体管中产生大量的间隙原子—空位对，这些间隙原子—空位对将同时产生于介电材料、半导体材料、导体材料及其界面，并且在产生的同时可以自由输运，在输运过程中通过自身交互作用或与周围杂质作用形成稳定缺陷，进而影响器件的性能和可靠性。
不同类型的器件对位移损伤的敏感程度不同，位移损伤条件下晶体管的损伤敏感部位也不同，且不同部位的缺陷对器件性能退化程度的影响不同。因此快速评估双极晶体管的位移损伤敏感部位无论对器件的抗辐射加固，还是对辐射环境效应的地面等效评价都至关重要，也是目前亟待解决的问题。
发明内容
本发明解决的问题是如何快速评估双极晶体管的位移损伤敏感部位。
为解决上述问题，本发明提供一种双极晶体管位移损伤敏感部位的检测方法，包括以下步骤：
S100、选择辐照源，针对待测双极晶体管开展辐照试验；
S200、将辐照后的双极晶体管安装到深能级瞬态谱仪的测试台上，设置测试参数；
S300、选择至少2个不同的偏置电压，测试双极晶体管获取深能级瞬态谱；
S400、根据不同的偏置电压下深能级瞬态谱中的信号峰变化，判定缺陷信号的类型；
S500、根据缺陷信号类型的判定结果，判定双极晶体管的位移损伤敏感区。
可选地，所述步骤S400具体包括：
若信号峰位置不随偏置电压发生改变，峰高发生改变，则判定该缺陷为位移缺陷；
若信号峰位置不随偏置电压发生改变，峰高不变，则判定该缺陷为固有缺陷；
若信号峰位置随偏置电压的改变而发生改变，则判定该缺陷为界面态缺陷。
可选地，所述步骤S500具体包括：
若缺陷信号仅有位移缺陷信号，则判定双极晶体管的位移损伤敏感区为中性基区β3；
若缺陷信号仅有界面态信号，则判定双极晶体管的位移损伤敏感区为发射结表面β1和中性基区表面β2；
若缺陷信号同时包含位移缺陷信号和界面态信号，则判定双极晶体管的位移损伤敏感区为发射结表面β1、中性基区表面β2和中性基区β3。
可选地，所述步骤S100中，辐照源为光子或中子。
可选地，所述步骤S100中，辐照源为带电粒子。
可选地，所述步骤S100具体包括：
选择带电粒子作为辐照源；
采用蒙特卡罗方法计算带电粒子在双极晶体管中的入射深度，保证入射深度大于双极晶体管的氧化层厚度；
采用蒙特卡罗方法计算带电粒子在双极晶体管内的电离吸收剂量Id和位移吸收剂量Dd，保证log[(Id+Dd)/Dd]＜5；
针对双极晶体管开展辐照试验。
可选地，所述步骤S100中，辐照试验时控制双极晶体管的电性能参数变化率大于等于20％。
可选地，所述步骤S200中，测试参数具体为：温度扫描范围为4K至300K，步长为0.1K，最大反偏电压VR小于50％的双极晶体管额定电压，脉冲电压小于等于最大反偏电压VR，脉冲时间为1ns至1s。
可选地，所述步骤S300中，偏置电压的范围为0.1VR至VR，VR为最大反偏电压。
相对于现有技术，本发明检测方法基于深能级瞬态谱分析，确定双极晶体管中位移缺陷的能级分布，进而确定位移缺陷特征，在此基础上，判断出双极晶体管位移损伤敏感部位，达到位移损伤敏感部位检测与判定的目的。
本发明针对双极晶体管的位移损伤敏感部位检测与判定方法，步骤简单，易于操作，能够大幅度降低试验的费用。
使用本发明检测方法可以快速确定双极晶体管的位移损伤敏感部位及状态，有利于推进辐射环境下双极器件性能退化等效性问题和抗辐射加固技术的研究。
附图说明
图1为本发明实施例中双极晶体管位移损伤敏感部位的检测方法的流程图；
图2为本发明实施例一中测试双极晶体管获取的深能级瞬态谱；
图3为本发明实施例二中测试双极晶体管获取的深能级瞬态谱；
图4为本发明实施例三中测试双极晶体管获取的深能级瞬态谱。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。需要说明的是，以下各实施例仅用于说明本发明的实施方法和典型参数，而不用于限定本发明所述的参数范围，由此引申出的合理变化，仍处于本发明权利要求的保护范围内。
本发明的实施例公开一种双极晶体管位移损伤敏感部位的检测方法。辐射环境中不同能量的质子、电子、重离子、中子及光子会在双极晶体管内部诱导大量的位移缺陷，造成位移辐射损伤。双极晶体管分为NPN型双极晶体管和PNP型双极晶体管，位移效应会在双极晶体管中产生VO心(氧空位心)、E心(磷空位心)、CsOi心(碳氧心)、V2心(双空位心)、V3心(三空位心)、H心等。双极晶体管又分为纵向结构、衬底结构及横向结构，不同类型的器件对缺陷敏感性不同，当晶体管受到位移损伤时，位移缺陷对不同类型和结构特征的晶体管性能退化的影响不同。因此快速判断和评估双极晶体管辐射损伤的敏感区，有利于开展辐射环境下双极器件性能退化等效性问题和抗辐射加固技术的研究。本发明的实施例基于深能级瞬态谱分析，确定双极晶体管中位移缺陷的能级分布，进而确定位移缺陷特征，在此基础上，判断出双极晶体管位移损伤敏感部位，达到位移损伤敏感部位检测与判定的目的。
结合图1所示，双极晶体管位移损伤敏感部位的检测方法，包括以下步骤：
S100、选择光子、中子或带电粒子作为辐照源，针对待测双极晶体管开展辐照试验，辐照试验时控制双极晶体管的电性能参数变化率大于等于20％，变化率过小时，辐射诱导缺陷特征不明显。
若选择光子或中子作为辐照源，可以直接进行辐照试验。
若选择带电粒子作为辐照源，则需要进行以下确认步骤：
应用Geant4软件计算带电粒子在双极晶体管中的入射深度d，保证入射深度d大于双极晶体管的氧化层厚度a。
应用Geant4软件计算带电粒子在双极晶体管内的电离吸收剂量Id和位移吸收剂量Dd，保证log[(Id+Dd)/Dd]<5；若log[(Id+Dd)/Dd]≥5，则重新选择带电粒子。若log[(Id+Dd)/Dd]<5，表明在双极晶体管中产生稳定的位移缺陷，所选择的带电粒子合适，可以进行辐照试验。
在其他实施方式中，确认步骤所使用的计算软件还可以是SRIM、MCNP、HITMC等其他基于蒙特卡罗方法的软件。
S200、将辐照后的双极晶体管安装到深能级瞬态谱仪的测试台上，设置测试参数。测试参数具体为：温度扫描范围为4K至300K，步长为0.1K，最大反偏电压VR小于50％的双极晶体管额定电压，脉冲电压小于等于最大反偏电压VR，脉冲时间为1ns至1s。
S300、选择至少2个不同的偏置电压，偏置电压的范围为0.1VR至VR，VR为最大反偏电压，测试双极晶体管获取深能级瞬态谱。
S400、根据不同的偏置电压下深能级瞬态谱中的信号峰变化，判定缺陷信号的类型。
具体判定方法为：观察深能级缺陷信号峰位置的变化，若信号峰位置不随偏置电压发生改变，峰高发生改变，则判定该缺陷为位移缺陷，因为位移缺陷具有单一能级；若信号峰位置不随偏置电压发生改变，峰高不变，则判定该缺陷为固有缺陷，固有缺陷是电子器件固有的缺陷，不是辐照产生的；若信号峰位置随偏置电压的改变而发生改变，则判定该缺陷为界面态缺陷，因为界面态缺陷为连续能级。
S500、根据缺陷信号类型的判定结果，判定双极晶体管的位移损伤敏感区。
具体判定方法为：若缺陷信号仅有位移缺陷信号，则判定双极晶体管的位移损伤敏感区为中性基区β3，因为位移缺陷仅存在于本征半导体中；
若缺陷信号仅有界面态信号，则判定双极晶体管的位移损伤敏感区为发射结表面β1和中性基区表面β2，因为界面态缺陷仅存在于半导体与氧化物的界面上；
若缺陷信号同时包含位移缺陷信号和界面态信号，则判定双极晶体管的位移损伤敏感区为发射结表面β1、中性基区表面β2和中性基区β3。
本发明的实施例提供一种全新的针对双极晶体管的位移损伤敏感部位检测与判定方法，该方法步骤简单，易于操作，能够大幅度降低试验的费用，使用该检测方法可以快速判断和评估双极晶体管位移损伤的敏感区，有利于推进辐射环境下双极器件性能退化等效性问题和抗辐射加固技术的研究。
实施例一
本实施例提供一种双极晶体管位移损伤敏感部位的检测方法，具体包括以下步骤：
S100、选择中子作为辐照源，针对待测双极晶体管开展辐照试验，辐照试验时，双极晶体管电流增益变化率达到80％。
S200、将辐照后的双极晶体管安装到深能级瞬态谱仪的测试台上，设置测试参数，温度扫描范围为30K至325K、步长为0.1K，最大反偏电压VR为10V，脉冲电压为-9.8V，脉冲时间为100ms。
S300、在10V、8V、5V及3V条件下针对双极晶体管集电结开展深能级瞬态谱分析，获取如图2所示的深能级瞬态谱。
S400、根据深能级瞬态谱中的信号峰位置，判定缺陷信号的类型。如图2所示，信号峰的位置随偏置电压的减小逐渐往左移动，即信号峰位置逐渐降低，因此该缺陷为界面态缺陷。
S500、根据缺陷信号类型的判定结果，判定双极晶体管的位移损伤敏感区。缺陷信号仅有界面态信号，因此该双极晶体管的位移损伤敏感区为发射结表面β2和全部的中性基区表面β3。
实施例二
本实施例提供一种双极晶体管位移损伤敏感部位的检测方法，具体包括以下步骤：
S100、选择光子作为辐照源，针对待测双极晶体管开展辐照试验，辐照试验时，双极晶体管电流增益变化率达到50％。
S200、将辐照后的双极晶体管安装到深能级瞬态谱仪的测试台上，设置测试参数，温度扫描范围为30K至330K、步长为0.1K，最大反偏电压VR为10V，脉冲电压为-10V，脉冲时间10ms。
S300、在10V和5V条件下针对双极晶体管集电结开展深能级瞬态谱分析，获取如图3所示的深能级瞬态谱。
S400、根据深能级瞬态谱中的信号峰位置，判定缺陷信号的类型。如图3所示，图中信号峰位置不随偏置电压发生改变，峰高发生改变，图中缺陷为位移缺陷，且分别为CsOi心、V2心、H心等。
S500、根据缺陷信号类型的判定结果，判定双极晶体管的位移损伤敏感区。缺陷信号仅有位移缺陷信号，因此该双极晶体管的位移损伤敏感区为中性基区β3。
实施例三
本实施例提供一种双极晶体管位移损伤敏感部位的检测方法，具体包括以下步骤：
S100、选择带电粒子作为辐照源。
应用Geant4软件计算带电粒子在双极晶体管中的入射深度d，保证入射深度d大于双极晶体管的氧化层厚度a。
应用Geant4软件计算带电粒子在双极晶体管内的电离吸收剂量Id和位移吸收剂量Dd，保证log[(Id+Dd)/Dd]小于5。
针对待测双极晶体管开展辐照试验，辐照量为40MeV，双极晶体管辐照后电流增益变化率达到90％。
S200、将辐照后的双极晶体管安装到深能级瞬态谱仪的测试台上，设置测试参数，温度扫描范围为50K至320K、步长为0.1K，最大反偏电压VR为10V，脉冲电压为-1V，脉冲时间1ms。
S300、在8V和1V条件下针对双极晶体管集电结开展深能级瞬态谱分析，获取如图4所示的深能级瞬态谱。
S400、根据深能级瞬态谱中的信号峰位置，判定缺陷信号的类型。如图4所示，图中部分信号峰位置不随偏置电压发生改变，峰高发生改变，其表征的缺陷为位移缺陷；部分信号峰位置随偏置电压的改变而发生改变，其表征的缺陷为界面态缺陷。
S500、根据缺陷信号类型的判定结果，判定双极晶体管的位移损伤敏感区。缺陷信号同时包含位移缺陷信号和界面态信号，因此该双极晶体管的位移损伤敏感区为发射结表面β1、中性基区表面β2和中性基区β3。
通过上述实施例说明本发明公开的检测方法能够快速判断和评估双极晶体管辐射损伤的敏感区，其步骤简单，易于操作，具有广泛的应用前景。
虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种双极晶体管位移损伤敏感部位的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S100、选择辐照源，针对待测双极晶体管开展辐照试验；
S200、将辐照后的双极晶体管安装到深能级瞬态谱仪的测试台上，设置测试参数；
S300、选择至少2个不同的偏置电压，测试双极晶体管获取深能级瞬态谱；
S400、根据不同的偏置电压下深能级瞬态谱中的信号峰变化，判定缺陷信号的类型，所述步骤S400具体包括：若信号峰位置不随偏置电压发生改变，峰高发生改变，则判定该缺陷为位移缺陷；若信号峰位置不随偏置电压发生改变，峰高不变，则判定该缺陷为固有缺陷；若信号峰位置随偏置电压的改变而发生改变，则判定该缺陷为界面态缺陷；
S500、根据缺陷信号类型的判定结果，判定双极晶体管的位移损伤敏感区，所述步骤S500具体包括：若缺陷信号仅有位移缺陷信号，则判定双极晶体管的位移损伤敏感区为中性基区β3；若缺陷信号仅有界面态信号，则判定双极晶体管的位移损伤敏感区为发射结表面β1和中性基区表面β2；若缺陷信号同时包含位移缺陷信号和界面态信号，则判定双极晶体管的位移损伤敏感区为发射结表面β1、中性基区表面β2和中性基区β3。
2.根据权利要求1所述的双极晶体管位移损伤敏感部位的检测方法，其特征在于，所述步骤S100中，辐照源为光子或中子。
3.根据权利要求1所述的双极晶体管位移损伤敏感部位的检测方法，其特征在于，所述步骤S100中，辐照源为带电粒子。
4.根据权利要求3所述的双极晶体管位移损伤敏感部位的检测方法，其特征在于，所述步骤S100具体包括：
选择带电粒子作为辐照源；
采用蒙特卡罗方法计算带电粒子在双极晶体管中的入射深度，保证入射深度大于双极晶体管的氧化层厚度；
采用蒙特卡罗方法计算带电粒子在双极晶体管内的电离吸收剂量Id和位移吸收剂量Dd，保证log[(Id+Dd)/Dd]＜5；
针对双极晶体管开展辐照试验。
5.根据权利要求1-4任一所述的双极晶体管位移损伤敏感部位的检测方法，其特征在于，所述步骤S100中，辐照试验时控制双极晶体管的电性能参数变化率大于等于20％。
6.根据权利要求1-4任一所述的双极晶体管位移损伤敏感部位的检测方法，其特征在于，所述步骤S200中，测试参数具体为：温度扫描范围为4K至300K，步长为0.1K，最大反偏电压VR小于50％的双极晶体管额定电压，脉冲电压小于等于最大反偏电压VR，脉冲时间为1ns至1s。
7.根据权利要求6所述的双极晶体管位移损伤敏感部位的检测方法，其特征在于，所述步骤S300中，偏置电压的范围为0.1VR至VR，VR为最大反偏电压。
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偏置条件对双极晶体管位移辐射损伤的影响;刘 莉 等;《太赫兹科学与电子信息学报》;20171031;874-879 *

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