CN111855704B - 双极晶体管电离损伤敏感部位的检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种双极晶体管电离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；根据深能级瞬态谱中的信号峰位置，判定缺陷是否为电离缺陷；根据深能级瞬态谱中的缺陷信号能级，判定缺陷类型为氧化俘获电荷或界面态；根据缺陷信号类型的判断结果，判定双极晶体管的电离损伤敏感区。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辐射损伤的敏感区，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
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电离损伤敏感部位的检测方法。
背景技术
双极晶体管是一种电流控制器件，广泛用于广播、电视、通信、雷达、计算机、自控装置、电子仪器、家用电器等领域。
在辐射环境下工作的双极晶体管受到各种粒子作用，产生电离损伤。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，电离效应会在器件整个芯片中产生大量的电子—空穴对，这些电子—空穴将同时产生于介电材料、半导体材料、导体材料及其界面。并且电子—空穴对可以自由输运，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。不同类型的器件对缺陷敏感性不同，且不同部位的缺陷对器件性能退化程度的影响不同。
如何快速表征这些缺陷的部位是研究双极晶体管辐射损伤及可靠性的关键，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辨别及判定电离损伤条件下双极晶体管损伤敏感部位。
为解决上述问题，本发明提供一种双极晶体管电离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、根据深能级瞬态谱中的信号峰位置，判定缺陷是否为电离缺陷；
S500、根据深能级瞬态谱中的缺陷信号能级，判定缺陷类型为氧化俘获电荷信号或界面态信号；
S600、根据缺陷信号类型的判断结果，判定双极晶体管的电离损伤敏感区。
可选地，所述步骤S600具体包括：
若缺陷信号仅有氧化俘获电荷信号，则判定双极晶体管的电离损伤敏感区为中性基区上方的氧化层β1；
若缺陷信号仅有界面态信号，则判定双极晶体管的电离损伤敏感区为发射结表面β2和中性基区表面β3；
若陷信号同时包含氧化俘获电荷信号和界面态信号，则判定双极晶体管的电离损伤敏感区为氧化层β1、发射结表面β2和中性基区表面β3。
可选地，所述步骤S500具体包括：
双极晶体管集电区的禁带宽度为Eg，若缺陷信号的能级小于α*Eg，则判定为氧化俘获电荷信号；
若缺陷信号的能级大于α*Eg，则判定为界面态信号；
α为为判定参数，范围为0.2至0.5。
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，则判定该缺陷为固定缺陷；
若信号峰位置随偏置电压的改变而移动，则判定该缺陷为电离缺陷。
可选地，所述步骤S100中，辐照源选自以下一种：X射线、γ射线、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，确定双极晶体管的电离缺陷特征，分辨氧化俘获电荷和界面态缺陷，在此基础上，确定双极晶体管电离辐射损伤敏感部位，达到电离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电离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判断和评估双极晶体管辐射损伤的敏感区，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。
附图说明
图1为本发明实施例中双极晶体管电离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电离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电离缺陷，造成电离辐射损伤。双极晶体管分为NPN型双极晶体管和PNP型双极晶体管，电离效应分别会在NPN和PNP晶体管中产生氧化俘获电荷与界面态。双极晶体管又分为纵向结构、衬底结构及横向结构，不同结构特征的双极晶体管的电离辐射损伤敏感部位不尽相同，有些在钝化层内，有些在钝化层与半导体的界面。当晶体管受到电离损伤时，氧化俘获电荷和界面态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极为关键，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，确定双极晶体管的电离缺陷特征，分辨氧化俘获电荷和界面态缺陷，在此基础上，确定双极晶体管电离辐射损伤敏感部位，达到电离损伤敏感部位检测与判定的目的。
结合图1所示，双极晶体管电离损伤敏感部位的检测方法具体包括以下步骤：
S100、选择X射线、γ射线、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％。
若选择X射线、γ射线、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电离缺陷，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，针对双极晶体管集电结开展深能级瞬态谱分析，获取深能级瞬态谱。
S400、根据深能级瞬态谱中的信号峰位置，判定缺陷是否为电离缺陷。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，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移动，则判定该缺陷为电离缺陷，因为电离缺陷为连续能级，会随电压发生能级改变。
S500、根据深能级瞬态谱中的缺陷信号能级，判定缺陷信号的类型为氧化俘获电荷信号或界面态信号。具体判定方法为：双极晶体管集电区的禁带宽度为Eg，若缺陷信号的能级小于α*Eg，则判定为氧化俘获电荷信号；若缺陷信号的能级大于α*Eg，则判定为界面态信号；α为判定参数，范围为0.2至0.5。
优选α为0.4，即对于NPN晶体管，能级小于Ec-0.4Eg为氧化俘获电荷，能级大于Ec-0.4Eg为界面态，Ec为集电区半导体材料的导带底能级；对于PNP晶体管，能级小于Ev+0.4Eg为氧化俘获电荷，能级大于Ev+0.4Eg为界面态，Ev为集电区半导体材料价带顶能级。
S600、根据缺陷信号类型的判断结果，判定双极晶体管的电离损伤敏感区。具体判定方法为：
若缺陷信号仅有氧化俘获电荷信号，则判定双极晶体管的电离损伤敏感区为中性基区上方的氧化层β1，优选地，电离损伤敏感区为中性基区上方50nm范围内的氧化层，因为电离损伤缺陷仅存在于半导体氧化物层；
若缺陷信号仅有界面态信号，则判定双极晶体管的电离损伤敏感区为发射结表面β2和中性基区表面β3，因为界面态缺陷仅存在于半导体与氧化物的界面上；
若陷信号同时包含氧化俘获电荷信号和界面态信号，则判定双极晶体管的电离损伤敏感区为氧化层β1、发射结表面β2和中性基区表面β3。
本发明的实施例提供一种全新的针对双极晶体管的电离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辐射损伤的敏感区，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电离损伤敏感部位的检测方法，具体包括以下步骤：
S100、选择Co-60作为γ射线辐照源，针对待测NPN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300K、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，判定缺陷是否为电离缺陷。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，因此该缺陷为电离缺陷。
S500、根据深能级瞬态谱中的缺陷信号能级，判定缺陷信号的类型为氧化俘获电荷信号或界面态信号。深能级瞬态谱显示，缺陷信号的能级大于Ec-0.4Eg，Ec为集电区半导体材料的导带底能级，Eg为双极晶体管集电区的禁带宽度，因此缺陷信号为界面态。
S600、根据缺陷信号类型的判断结果，判定双极晶体管的电离损伤敏感区。该晶体管的电离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电离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PNP双极晶体管开展辐照试验，辐照量为100krad，双极晶体管辐照后电流增益变化率达到60％。
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300K、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-4V、-1V及0V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，判定缺陷是否为电离缺陷。如图3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，因此该缺陷为电离缺陷。
S500、根据深能级瞬态谱中的缺陷信号能级，判定缺陷信号的类型为氧化俘获电荷信号或界面态信号。深能级瞬态谱显示，缺陷信号的能级小于Ev+0.4Eg，Ev为集电区半导体材料价带顶能级，Eg为双极晶体管集电区的禁带宽度，因此缺陷信号为氧化俘获电荷。
S600、根据缺陷信号类型的判断结果，判定双极晶体管的电离损伤敏感区。该晶体管的电离损伤敏感区为中性基区上方的氧化层β1，特别是中性基区上方50nm范围内的氧化层。
实施例三
本实施例提供一种双极晶体管电离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]>5。
针对待测NPN双极晶体管开展辐照试验，辐照量为110keV，双极晶体管辐照后电流增益变化率达到70％。
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20K至325K、步长为0.1K，最大反偏电压VR为-10V，脉冲电压为-0.1V，脉冲时间100ms，测试周期为2.48s。
S300、在-10V、-6V及0V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，判定缺陷是否为电离缺陷。如图4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，因此该缺陷为电离缺陷。
S500、根据深能级瞬态谱中的缺陷信号能级，判定缺陷信号的类型为氧化俘获电荷信号或界面态信号。深能级瞬态谱显示，具有两个缺陷信号峰，左侧缺陷信号的能级小于Ec-0.4Eg，Ec为集电区半导体材料的导带底能级，Eg为双极晶体管集电区的禁带宽度，因此左侧缺陷信号为氧化俘获电荷，右侧缺陷信号的能级大于Ec-0.4Eg，因此右侧缺陷信号为界面态。
S600、根据缺陷信号类型的判断结果，判定双极晶体管的电离损伤敏感区。该晶体管的电离损伤敏感区为氧化层β1、发射结表面β2和中性基区表面β3。
通过上述实施例说明本发明公开的双极晶体管电离损伤敏感部位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。
虽然本发明公开披露如上，但本发明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发明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 (8)
1.一种双极晶体管电离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、根据深能级瞬态谱中的信号峰位置，判定缺陷是否为电离缺陷；
S500、当所述缺陷为电离缺陷时，根据深能级瞬态谱中的缺陷信号能级，判定缺陷信号的类型为氧化俘获电荷或界面态，包括：
双极晶体管集电区的禁带宽度为Eg，对于NPN晶体管，若缺陷信号的能级小于Ec-0.4Eg，则判定为氧化俘获电荷信号；若缺陷信号的能级大于Ec-0.4Eg，则判定为界面态信号；其中，Ec为NPN晶体管的集电区半导体材料的导带底能级；
对于PNP晶体管，若缺陷信号的能级小于Ev+0 .4Eg，则判定为氧化俘获电荷信号；若缺陷信号的能级大于Ev+0 .4Eg，则判定为界面态信号；其中，Ev为PNP晶体管的集电区半导体材料价带顶能级；
S600、根据缺陷信号类型的判断结果，判定双极晶体管的电离损伤敏感区，包括：
若缺陷信号仅有氧化俘获电荷信号，则判定双极晶体管的电离损伤敏感区为中性基区上方的氧化层β1；
若缺陷信号仅有界面态信号，则判定双极晶体管的电离损伤敏感区为发射结表面β2和中性基区表面β3；
若缺陷信号同时包含氧化俘获电荷信号和界面态信号，则判定双极晶体管的电离损伤敏感区为氧化层β1、发射结表面β2和中性基区表面β3。
2.根据权利要求1所述的双极晶体管电离损伤敏感部位的检测方法，其特征在于，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，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移动，则判定该缺陷为电离缺陷。
3.根据权利要求1所述的双极晶体管电离损伤敏感部位的检测方法，其特征在于，所述步骤S100中，辐照源选自以下一种：X射线、γ射线、光子或中子。
4.根据权利要求1所述的双极晶体管电离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。
5.根据权利要求4所述的双极晶体管电离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。
6.根据权利要求1-5任一所述的双极晶体管电离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%。
7.根据权利要求1-5任一所述的双极晶体管电离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。
8.根据权利要求7所述的双极晶体管电离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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