CN116613199A - 一种基于多晶硅热栅的横向pnp晶体管及其修复方法 - Google Patents

一种基于多晶硅热栅的横向pnp晶体管及其修复方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于多晶硅热栅的横向PNP晶体管，包括依次相接的多晶硅热栅、基区、外延层、埋层、衬底，以及电极。多晶硅热栅为带开口的圆环形，位于基区中心，发射极电极位于多晶硅热栅圆环中心。还涉及一种基于多晶硅热栅的横向PNP晶体管制备方法，包括多晶硅热栅版图设计，按多晶硅热栅版图设计进行加工，制作基于多晶硅热栅的横向PNP晶体管过程。还涉及一种基于多晶硅热栅的横向PNP晶体管的修复方法，包括缺陷表征，求取修复电压，实施修复的过程。本发明设置多晶硅热栅电极，实现辐射环境中电离辐射感生缺陷的实时修复，对电离辐射感生缺陷的分离，提升了横向PNP晶体管的抗总剂量能力。

Description

一种基于多晶硅热栅的横向PNP晶体管及其修复方法
技术领域
本发明属于电子器件抗辐射加固技术领域，具体是一种基于多晶硅热栅的横向PNP晶体管及其修复方法。
背景技术
航天技术的发展对空间电子器件提出更高要求，需要更强抗总剂量辐射的能力。双极器件作为空间电子系统重要组成部分，其辐射效应及加固技术一直是研究领域的热点问题。而在双极类型器件中，相比于纵向NPN晶体管，横向PNP晶体管基区宽度大、掺杂浓度低，载流子在基区横向输运，因此，载流子的输运过程易受电离辐射感生缺陷的影响，使得横向PNP晶体管对总剂量效应最为敏感。然而，现有横向PNP晶体管设计加固方法主要包括次表面结构设计、带场板设计、掺F基区氧化层等方式。这些方法主要以减小辐射感生缺陷对器件的影响为出发点，其中次表面结构设计会改变器件结构影响器件常规性能、且成本高，而带场板设计和掺F基区氧化层等方法，并不改变辐照在器件中产生的缺陷数量，加固效果有限。
研究表明，电离辐射感生缺陷在高温条件下会受高温作用而出现退火，在双极横向PNP晶体管中设计多晶微型加热结构，通过施加一定时间的恒定高温，实现辐射感生缺陷的修复，从而提高横向PNP晶体管的抗辐射能力。
目前，横向PNP晶体管抗总剂量能力最弱，而现有加固方法效果有限，且存在成本高、影响器件常规性能等缺点。
发明内容
为了克服双极横向PNP晶体管空间应用时存在的抗辐射能力不足、现有加固方法成本高、影响器件常规性能及效果有限等缺点，本发明提出了一种基于多晶硅热栅的横向PNP晶体管及其修复方法。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
一种基于多晶硅热栅的横向PNP晶体管，包括基区、发射极电极；还包括设置在基区内且位于发射极电极和集电极电极之间的多晶硅热栅；所述多晶硅热栅为带开口的环形，开口端设置多晶硅热栅正电极PA、多晶硅热栅负电极PC；所述发射极电极位于多晶硅热栅内。上述的基于多晶硅热栅的横向PNP晶体管，包括依次相接的多晶硅热栅、基区、外延层、埋层、衬底，以及电极。
埋层为圆板形，圆板面分别与外延层、衬底相接。在埋层外区域，外延层与衬底相接。
所述电极包括基极电极、发射极电极、集电极电极、p型掺杂发射极、p型掺杂集电极、n型掺杂基极、多晶硅热栅正电极PA、多晶硅热栅负电极PC。
所述发射极电极通过发射极电极引出线引出。
所述基极电极、所述发射极电极引出线、所述集电极电极、多晶硅热栅正电极PA、多晶硅热栅负电极PC为外接电极。
所述基极电极穿过基区，与外延层内的n型掺杂基极相接；所述发射极电极穿过基区，与外延层内的p型掺杂集电极相接；所述集电极电极穿过基区，与外延层内的p型掺杂发射极相接。
所述p型掺杂发射极、所述p型掺杂集电极、所述n型掺杂基极均与基区相接，所述n型掺杂基极与所述埋层相接。
所述多晶硅热栅为带开口的圆环形，开口端设置多晶硅热栅正电极PA、多晶硅热栅负电极PC，多晶硅热栅位于基区中心。所述发射极电极位于多晶硅热栅圆环中心。
上述的基于多晶硅热栅的横向PNP晶体管，所述基区外表面还可以为氧化层，多晶硅热栅与基区的氧化层相接。
一种基于多晶硅热栅的横向PNP晶体管的制备方法，包括如下过程：
第一步，多晶硅热栅版图设计
在横向PNP晶体管的基区表面设置多晶硅，多晶硅用于横向PNP晶体管加固时的加热电阻，即多晶硅热栅。多晶硅热栅为带开口的圆环形，位于基区上方的中心区域，发射极电极和集电极电极之间。
发射极电极和集电极电极之间的区域产生氧化物陷阱电荷和界面陷阱，为电离辐射敏感区域。多晶硅热栅位于位于电离辐射敏感区域的上侧。
第二步，按多晶硅热栅版图设计进行加工，制作基于多晶硅热栅的横向PNP晶体管。
首先，按多晶硅热栅版图设计，制备多晶硅热栅，引出多晶硅热栅的多晶硅热栅正电极PA、多晶硅热栅负电极PC。
其次，封装、检测。
得到基于多晶硅热栅的横向PNP双极晶体管。
一种基于多晶硅热栅的横向PNP晶体管修复方法，包括如下步骤：
步骤1，缺陷表征
首先，采用半导体参数测试系统，对实施辐照的基于多晶硅热栅的横向PNP晶体管进行电离辐射感生缺陷测试，测量基极电极的基极电流随多晶硅热栅正电极PA扫描电压的变化规律。
其次，缺陷计算
计算辐照前和辐照后的多晶硅热栅正电极PA扫描电压的变化量ΔVpeak，基极电极的基极电流的变化量ΔIB-peak。
求取基于多晶硅热栅的横向PNP晶体管在辐照前与辐照后的界面陷阱电荷的增量ΔNit，计算如下：
式(1)中，q为电子电荷量，σ为载流子复合截面，vth为载流子热速率，Speak为基极电流最大时的基区耗尽层面积，ni为Si半导体本征载流子浓度，k玻尔兹曼常数，T绝对温度，Cox是单位面积上的栅电容，VEB为发射极电压。
求取基于多晶硅热栅的横向PNP晶体管在辐照前与辐照后氧化物陷阱电荷的增量ΔNot，计算如下：
式(2)中，Cox是单位面积上的栅电容。
得到基于多晶硅热栅的横向PNP晶体管在辐照前与辐照后界面陷阱电荷的增量ΔNit、氧化物陷阱电荷的增量ΔNot。
步骤2，求取修复电压
对实施辐照的基于多晶硅热栅的横向PNP晶体管进行修复测试，优化测试结果，得到多晶硅热栅的修复电压Vrep。
至此，得到基于多晶硅热栅的横向PNP晶体管的修复电压Vrep。
步骤3，实施修复
基于多晶硅热栅的横向PNP晶体管在辐射环境中正常工作，当电离辐射总剂量超过承受范围时，启动修复电路，即对多晶硅热栅施加修复电压Vrep，持续持续第一设定时间，关闭修复电路，基于多晶硅热栅的横向PNP晶体管再次正常使用。
当再次使用的基于多晶硅热栅的横向PNP晶体管的电离辐射总剂量超过承受范围时，重复启动修复电路，进行再次修复。
上述一种基于多晶硅热栅的横向PNP晶体管修复方法，步骤3还包括关闭修复电路后等待第一设定时间，直至横向PNP晶体管温度恢复正常在继续工作的步骤。
上述一种基于多晶硅热栅的横向PNP晶体管修复方法，所述第一设定时间为100s；所述第二设定时间为100s。
上述的基于多晶硅热栅的横向PNP晶体管修复方法，所述步骤2求取修复电压，进一步包括：
选取辐照测试的基于多晶硅热栅的横向PNP晶体管，利用步骤1第一步中实施辐照的基于多晶硅热栅的横向PNP晶体管的测试数据，计算辐照总剂量值。
对辐照测试的基于多晶硅热栅的横向PNP晶体管进行修复测试，在多晶硅热栅正电极PA和多晶硅热栅负电极PC施加不同的电压值，测试修复前后界面陷阱电荷、氧化物陷阱电荷随施加电压的变化。选取缺陷退化量达到饱和时的电压值为修复电压Vrep。
本发明的有益效果是：
一种基于多晶硅热栅的横向PNP晶体管，通过在横向PNP晶体管的辐射敏感区域基区表面氧化层中制作多晶热栅电极，利用给多晶热电极施加电压来产生局部高温实现电离辐射感生缺陷的修复，能有效提升横向PNP晶体管的抗总剂量能力。
一种基于多晶硅热栅的横向PNP晶体管修复方法，实施过程简单，设计的多晶加热电阻位于氧化层上方，不会影响器件常规性能。同时，修复电阻尺寸在微米级，加热所需功耗很低。
一种基于多晶硅热栅的横向PNP晶体管，提供的带缺陷修复功能设计结构不仅能实现辐射环境中电离辐射感生缺陷的实时修复，亦可以实现辐射环境中电离辐射感生缺陷的定量分离，从而更为准确的获得器件在辐射环境中辐射感生缺陷的变化规律，应用前景广阔。
附图说明
图1是本发明基于多晶硅热栅的横向PNP晶体管剖面图；
图2是本发明基于多晶硅热栅的横向PNP晶体管俯视图。
图中：1.基极电极；2.发射极电极；3.集电极电极；4.多晶硅热栅；5.p型掺杂发射极；6.p型掺杂集电极；7.埋层；8衬底；9.n型掺杂基极；10.外延层；11.发射极电极引出线；12.多晶热栅正电极PA；13.多晶热栅负电极PC；14.基区。
具体实施方式
实施例1、2、3
一种基于多晶硅热栅的横向PNP晶体管修复方法，在双极横向PNP晶体管基区表面氧化层上方制作多晶硅微型加热电阻，形成带缺陷修复功能的横向PNP晶体管。利用该多晶硅微型加热电阻，对辐射感生缺陷实施定量分离与实时监测。
基于多晶硅热栅的横向PNP晶体管制备：
进行基于多晶硅热栅的横向PNP晶体管版图设计，在器件氧化层上方制作微型多晶硅电阻。利用该多晶硅将电能转换成热量，实现对下方辐射敏感区域电离辐射感生缺陷的修复，多晶硅用于对辐射敏感区域加热，形成栅电阻，即多晶硅热栅。对设计的器件进行流片制作，形成基于多晶硅热栅的横向PNP晶体管。
第一步，选择待加固横向PNP晶体管，进行多晶硅热栅版图设计；
在基区表面氧化层上方设计制作多晶硅加热电阻，多晶硅位置如图1所示，多晶硅位于基区上方，具体位置在发射极和集电极电之间的表面氧化层区域，该区域是电离辐射最为敏感的区域，电离辐射在该区域产生氧化物陷阱电荷和界面陷阱是造成器件性能退化的主要因素。
第二步，按多晶硅热栅版图设计进行加工，制作基于多晶硅热栅的横向PNP晶体管。
首先，按多晶硅热栅版图设计流片，对多晶硅加热电阻的两端电极进行引出，结构图如图2所示，加热电极阳极记为PA和阴极记为PC。
其次，封装、测试，形成基于多晶硅热栅的横向PNP晶体管。
具体修复过程包括如下步骤：
步骤1，缺陷表征
获得横向PNP晶体管的辐射感生产物的浓度信息能有效指导缺陷的修复。利用多晶硅电阻对基区表面电势进行控制，使基区表面从平带过渡到耗尽，再到反型，通过基区复合电流的变化来实现对氧化层辐射感生缺陷的定量分离。因此，该结构同时具备电离辐射感生缺陷分离的能力，详细缺陷分离表征方法如下：
第一步，器件连接
器件与半导体参数测试系统或测试电路连接；
第二步，栅扫描曲线的测试
器件集电极电极、基极电极接地，发射极电极施加固定电压VB(范围：0.4V～0.6V)，在PA施加扫描电压，电压范围0V-40V，步长不大于0.5V。测量基极电流IB随电极PA扫描电压的变化缺陷。
第三步，缺陷计算
记录辐照前和辐照后(修复后)峰值位置ΔVpeak及高度的变化量ΔIB-peak；
按照式(1)求解辐照后(修复后)界面陷阱的增量ΔNit；
按照式(2)求解辐照后(修复后)氧化物陷阱电荷的增量ΔNot；
式(1)和(2)中，ni为Si半导体本征载流子浓度，Speak为基极电流最大时的基区耗尽层面积，vth为载流子热速率，σ为载流子复合截面，Cox为单位面积上的栅电容，q为电子电荷量、k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，VEB为发射极电压。
定量获得电离辐射感生缺陷：氧化物陷阱电荷和界面陷阱的浓度信息。
步骤2，最优修复电压的选择
对制作的横向PNP晶体管进行总剂量辐照试验，累积一定总剂量，随后进行不同电压下的修复测试，由于多晶电阻的产生的热与施加电压正相关，通过调节施加电压值，可控制修复温度，而修复温度过高会造成功耗过大、且影响器件常规寿命，过小达不到修复效果。需要获得最优修复电压。
首先，抽取制备的带缺陷修复的横向PNP双极晶体管N1件，N1＝15～30件。
表1相关参数
实施例1 实施例2 实施例3
N1/件 15 20 30
将选取的样品均分5组；
其次，按照步骤1中的第一步和第二步进行辐照前的栅扫描曲线测试；
第三，对于横向PNP晶体管零偏偏置条件为最劣辐照偏置，低剂量环境中的损伤最为严重。因此，在0.01rad/s剂量率、零偏偏置条件下开展钴源辐照试验，累积总剂量至规定器件应用要求的总剂量值，并按照步骤1中的第一和第二步进行辐照后栅扫描曲线测试。
第四，按照步骤1中的第三步骤，计算获得辐照后，辐射感生缺陷氧化物陷阱电荷ΔNit和界面态ΔNot的浓度；
第五，在每组器件的PA和PC电极施加不同的电压值，电压值范围5V～20V，持续时间100s。待器件温度恢复至室温后，按照步骤1过程，进行栅扫描曲线的测试，并提取修复后的缺陷浓度信息。
最后，作出缺陷浓度随施加电压的变化趋势，取缺陷退化量达到饱和时的电压值为带缺陷修复功能PNP晶体管的最佳修复电压Vrep。
步骤3，应用流程
在辐射环境中正常工作时，PA和PC处于浮空状态。
当横向PNP晶体管遭受电离辐射剂量超出承受范围或器件参数失效时，器件停止工作。启动修复电路，器件PA和PC施加Vrep电压，持续100s，关闭修复电路。等待100s，待器件温度恢复正常，器件继续辐射环境中工作。
待器件遭受电离辐射剂量再次超出承受范围或器件参数失效时，重复启动修复电路。

Claims (8)

1.一种基于多晶硅热栅的横向PNP晶体管，包括基区(14)、发射极电极(2)；其特征在于，还包括设置在基区(14)内且位于发射极电极(2)和集电极电极(3)之间的多晶硅热栅(4)；所述多晶硅热栅(4)为带开口的环形，开口端设置多晶硅热栅正电极PA、多晶硅热栅负电极PC；所述发射极电极(2)位于多晶硅热栅(4)内。
2.根据权利要求1所述一种基于多晶硅热栅的横向PNP晶体管，其特征在于，包括依次相接的多晶硅热栅(4)、基区(14)、外延层(10)、埋层(7)、衬底(8)，以及电极；
埋层(7)为圆板形，圆板面分别与外延层(10)、衬底(8)相接；在埋层(7)外区域，外延层(10)与衬底(8)相接；
所述电极包括基极电极(1)、发射极电极(2)、集电极电极(3)、p型掺杂发射极(5)、p型掺杂集电极(6)、n型掺杂基极(9)、多晶硅热栅正电极PA(12)、多晶硅热栅负电极PC(13)；
所述发射极电极(2)通过发射极电极引出线(11)引出；
所述基极电极(1)、所述发射极电极引出线(11)、所述集电极电极(3)、多晶硅热栅正电极PA(12)、多晶硅热栅负电极PC(13)为外接电极；
所述基极电极(1)穿过基区(14)，与外延层(10)内的n型掺杂基极(9)相接；所述发射极电极(2)穿过基区(14)，与外延层(10)内的p型掺杂集电极(5)相接；所述集电极电极(3)穿过基区(14)，与外延层(10)内的p型掺杂发射极(6)相接；
所述p型掺杂发射极(5)、所述p型掺杂集电极(6)、所述n型掺杂基极(9)均与基区(14)相接，所述n型掺杂基极(9)与所述埋层(7)相接；
所述多晶硅热栅(4)为带开口的圆环形，开口端设置多晶硅热栅正电极PA、多晶硅热栅负电极PC，多晶硅热栅(4)位于基区(14)中心；所述发射极电极(2)位于多晶硅热栅(4)圆环中心。
3.根据权利要求1或2所述的基于多晶硅热栅的横向PNP晶体管，其特征在于，所述基区(14)外表面为氧化层，多晶硅热栅(4)与基区(14)的氧化层相接。
4.一种基于多晶硅热栅的横向PNP晶体管的制备方法，其特征在于，包括如下过程：
第一步，多晶硅热栅版图设计
在横向PNP晶体管的基区表面设置多晶硅，多晶硅用于横向PNP晶体管加固时的加热电阻，即多晶硅热栅；多晶硅热栅(4)为带开口的圆环形，位于基区上方的中心区域，发射极电极(2)和集电极电极(3)之间；
发射极电极(2)和集电极电极(3)之间的区域产生氧化物陷阱电荷和界面陷阱，为电离辐射敏感区域；多晶硅热栅(4)位于位于电离辐射敏感区域的上侧；
第二步，按多晶硅热栅版图设计进行加工，制作基于多晶硅热栅的横向PNP晶体管；
首先，按多晶硅热栅版图设计，制备多晶硅热栅，引出多晶硅热栅的多晶硅热栅正电极PA、多晶硅热栅负电极PC；
其次，封装、检测；
得到基于多晶硅热栅的横向PNP双极晶体管。
5.一种基于多晶硅热栅的横向PNP晶体管修复方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，缺陷表征
首先，采用半导体参数测试系统，对实施辐照的基于多晶硅热栅的横向PNP晶体管进行电离辐射感生缺陷测试，测量基极电极(1)的基极电流随多晶硅热栅正电极PA扫描电压的变化规律；
其次，缺陷计算：
计算辐照前和辐照后的多晶硅热栅正电极PA扫描电压的变化量ΔVpeak，基极电极(1)的基极电流的变化量ΔIB-peak；
求取基于多晶硅热栅的横向PNP晶体管在辐照前与辐照后的界面陷阱电荷的增量ΔNit，计算如下：
式(1)中，q为电子电荷量，σ为载流子复合截面，vth为载流子热速率，Speak为基极电流最大时的基区耗尽层面积，ni为Si半导体本征载流子浓度，k玻尔兹曼常数，T绝对温度，Cox是单位面积上的栅电容，VEB为发射极电压；
求取基于多晶硅热栅的横向PNP晶体管在辐照前与辐照后氧化物陷阱电荷的增量ΔNot，计算如下：
式(2)中，Cox是单位面积上的栅电容；
得到基于多晶硅热栅的横向PNP晶体管在辐照前与辐照后界面陷阱电荷的增量ΔNit、氧化物陷阱电荷的增量ΔNot；
步骤2，求取修复电压：
对实施辐照的基于多晶硅热栅的横向PNP晶体管进行修复测试，优化测试结果，得到多晶硅热栅的修复电压Vrep；
至此，得到基于多晶硅热栅的横向PNP晶体管的修复电压Vrep；
步骤3，实施修复：
基于多晶硅热栅的横向PNP晶体管在辐射环境中正常工作，当电离辐射总剂量超过承受范围时，启动修复电路，即对多晶硅热栅施加修复电压Vrep，持续第一设定时间，关闭修复电路，基于多晶硅热栅的横向PNP晶体管再次正常使用；
当再次使用的基于多晶硅热栅的横向PNP晶体管的电离辐射总剂量超过承受范围时，重复启动修复电路，进行再次修复。
6.根据权利要求5所述一种基于多晶硅热栅的横向PNP晶体管修复方法，其特征在于，步骤3还包括关闭修复电路后等待第一设定时间，直至横向PNP晶体管温度恢复正常在继续工作的步骤。
7.根据权利要求6所述一种基于多晶硅热栅的横向PNP晶体管修复方法，其特征在于，所述第一设定时间为100s；所述第二设定时间为100s。
8.根据权利要求5或6或7所述的基于多晶硅热栅的横向PNP晶体管修复方法，其特征在于，所述步骤2求取修复电压，进一步包括：
选取辐照测试的基于多晶硅热栅的横向PNP晶体管，利用步骤1第一步中实施辐照的基于多晶硅热栅的横向PNP晶体管的测试数据，计算辐照总剂量值；
对辐照测试的基于多晶硅热栅的横向PNP晶体管进行修复测试，在多晶硅热栅正电极PA和多晶硅热栅负电极PC施加不同的电压值，测试修复前后界面陷阱电荷、氧化物陷阱电荷随施加电压的变化；选取缺陷退化量达到饱和时的电压值为修复电压Vrep。
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