CN116779594A - 基于多晶硅加热的双极器件及其电离辐射损伤修复方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于多晶硅加热的双极器件，包括钝化层、氧化层、Si衬底、多晶硅，层片状结构，多晶硅位于钝化层、氧化层之间。也涉及基于多晶硅加热的双极器件的制备方法，包括版图设计、仿真、流片、测试过程。还涉及基于多晶硅加热的双极器件电离辐射损伤修复方法，包括确定双极器件的电离辐射损伤阈值、双极器件的修复参数、双极器件的修复失效阈值、对多晶硅通电实施修复的步骤。本发明采用多晶硅加热辐射敏感区域，对电离辐射损伤进行修复，多晶硅不受辐射影响，加热面积小，热效率高，操作简便，成本低，有效地修复电离辐射损伤。
Description
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加热的双极器件及其电离辐射损伤修复方法。
背景技术
双极器件是辐射环境中电子系统中重要组成部分。然而，工作在辐射环境中的双极器件不可避免会受到辐射作用，而造成参数超差，甚至功能失效，严重威胁了辐射环境中电子系统的安全可靠工作。对于双极器件，其电离辐射效应的物理机制是：器件中厚的氧化层区域在遭受电离辐射后会形成氧化物陷阱电荷和界面陷阱电荷，在这两种缺陷的作用下使得器件基区表面复合电流增加，从而使得双极晶体管的基极电流增大，既而使得器件增益降低、甚至功能失效。然而，传统的双极器件加固手段以主要“回避”和“补偿”的方式，如采用改变器件结构，设计中减小辐射敏感区域面积的面积。在电路设计中采用抗辐射加固性能强的器件替代弱的器件。在制造工艺中引入带电粒子对辐射感生的缺陷进行补偿等方式。这种加固手段效果有限，且设计成本高。因此，双极器件的抗辐射加固工作一直是研究领域的重点问题，尤其是在高剂量场应用环境中，双极器件较弱的抗电离辐射能力已成为辐射环境电子系统发展的瓶颈问题。
研究表明，电离辐射感生缺陷在高温条件下可以发生缺陷退火，若能利用适当的高温对电离辐射感生缺陷进行高温修复，对于双极器件抗辐射加固则能有事半功倍效果。由于缺陷的高温修复与修复温度、修复时间和应用环境相关，温度过低、时间过短则达不到修复效果，而温度过高、时间过长则会对应用提出挑战且易损伤器件本身。此外，在加热方式选择方面，即需要考虑温度引入方式对电子器件自身可靠性的影响，同时又要考虑实现工程实现问题等因素。
目前，双极器件抗电离辐射能力较弱，而现有的加固方法成本高、且后会改变器件常规性能，同时加固效果有限。
发明内容
为了克服双极器件存在的在辐射环境中工作时抗辐射能力不足、现有加固方法成本高、加固效果有限，且会改变器件常规性能等问题，本发明提出了一种基于多晶硅加热的双极器件及其电离辐射损伤修复方法。
本发明为解决其技术问题采用的技术方案是：
一种基于多晶硅加热的双极器件，包括钝化层、氧化层、Si衬底、多晶硅。
所述钝化层、所述氧化层、所述Si衬底依次相连的层片状结构，在氧化层设置层片状的多晶硅，所述多晶硅的上表面与钝化层的下表面相接。
上述的基于多晶硅加热的双极器件，所述多晶硅与所述Si衬底之间为辐射敏感区域，所述辐射敏感区域包括界面陷阱电荷、氧化物陷阱电荷，界面陷阱电荷位于氧化层与Si衬底的界面，氧化物陷阱电荷位于氧化层内。
上述的基于多晶硅加热的双极器件，所述多晶硅设置多晶硅电极。
一种基于多晶硅加热的双极器件的制备方法，包括如下过程：
版图设计：进行基于多晶硅加热的双极器件的版图设计；
仿真：进行仿真计算，验证双极器件各项性能满足设计规则；
流片：按仿真满足设计规则的版图设计要求，实施流片；
测试：检测流片的基于多晶硅加热的双极器件的多晶硅加热电阻，得到合格的基于多晶硅加热的双极器件。
上述的基于多晶硅加热的双极器件的制备方法，所述测试过程，进一步包括：
检测电压为1V，记录多晶硅的电阻值R，统计流片制备的双极器件的多晶硅加热电阻平均值。
基于多晶硅加热的双极器件的合格判据为：
多晶硅的电阻值R在多晶硅加热电阻平均值的5％以内为合格。
一种基于多晶硅加热的双极器件电离辐射损伤修复方法，包括如下步骤：
步骤1，确定双极器件的电离辐射损伤阈值
对基于多晶硅加热的双极器件进行抗辐照能力测试，记录辐照剂量率X、辐照时间、辐射敏感参数，至辐射敏感参数超过规定值时停止。
依据辐射敏感参数超过规定值时的辐照时间、辐照剂量率，得到电离辐射损伤阈值Dth。
步骤2，确定双极器件的修复参数
对步骤1实施辐照能力测试达到电离辐射损伤阈值Dth的双极器件进行修复试验，修复试验采用正交试验方法。
修复试验中，当恢复程度区域饱和时，记录修复电压、修复时间，采用修复电压最低、修复时间最短进行优化，得到最佳修复电压Vb、最佳修复时间tb。
步骤3，确定双极器件的修复失效阈值
重复步骤1施加总剂量为电离辐射损伤阈值Dth的辐照、步骤2采用最佳修复电压Vb和修复时间tb实施修复，至双极器件功能失效，记录重复修复次数n，即为最大重复修复次数。
由最大重复修复次数，即可得到修复失效阈值，即n Dth。
步骤4，实施修复
当电离辐射损伤达到电离辐射损伤阈值Dth时，即双极器件工作时间达到修复间隔时间，对双极器件实施修复。
修复过程为：双极器件工作时间达到修复间隔时间，双极器件停止工作，对多晶硅施加最佳修复电压Vb，持续最佳修复时间tb。
当重复修复次数达到最大重复修复次数n次，双极器件报废。
上述的基于多晶硅加热的双极器件电离辐射损伤修复方法，所述确定双极器件的电离辐射损伤阈值，进一步包括：
所述抗辐照能力测试采用钴源辐照装置，辐照偏置采用最劣偏置条件，辐照剂量率为X，X＝0.01～0.10rad(Si)/s。
上述的基于多晶硅加热的双极器件电离辐射损伤修复方法，所述确定双极器件的电离辐射损伤阈值，进一步包括：
所述电离辐射损伤阈值Dth为辐射敏感参数超过规定值时的辐照时间t与辐照剂量率的乘积，即Dth＝t X。
上述的基于多晶硅加热的双极器件电离辐射损伤修复方法，所述确定双极器件的修复参数，进一步包括：
所述修复测试中，修复电压值小于多晶硅击穿电压，电压值间隔应小于2V；修复时间间隔为：10s、30s、60s、100s、300s。
上述的基于多晶硅加热的双极器件电离辐射损伤修复方法，所述实施修复，进一步包括：
由工作辐射环境的辐照剂量率Xture，可以得到双极器件的修复间隔时间Tture，即：Tture＝Dth/Xture。
本发明的有益效果是：
一种基于多晶硅加热的双极器件，在器件辐射敏感区的氧化中制作多晶硅加热电阻，并对多晶电极进行引出。通过给多晶硅施加电压，将电能转化为热，使得局部加热，实现氧化层辐射感生缺陷的修复，加热面积小，热效率高，实施方法简单，且对器件自身可靠性影响较小。
一种基于多晶硅加热的双极器件电离辐射损伤修复方法，考虑了辐射感生界面陷阱电荷的钝化过程，给出了修复时间、修复电压的选择方法，实施流程简单。对辐射产生的缺陷进行修复，使得器件性能恢复，从而延长器件在辐射环境寿命，达到抗辐射加固的目的，具有很好的应用前景。
一种基于多晶硅加热的双极器件，多晶硅加热电阻自身具有很强的抗辐射能力，不会受辐射影响造成加热功能失效。此外，提出的多晶硅加热方法，多晶硅位于器件上方氧化层中，实现时不会改变Si中器件设计，不影响器件常规性能。因此，本发明实现方法简单、成本低，且能跨量级提升器件抗辐射能力，应用前景广阔。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是基于多晶加热的双极器件电离辐射损伤修复方法流程图；
图2是基于多晶加热的双极器件示意图。
图中：1.钝化层；2.氧化层；3.Si衬底；4.多晶硅；5.辐射敏感区域；6.界面陷阱电荷；7.氧化物陷阱电荷。
具体实施方式
实施例1、2、3
一种基于多晶硅加热的双极器件电离辐射缺陷修复方法，在双极器件(双极工艺晶体管)的钝化层中制作多晶硅加热电阻，对制作的带多晶硅加热电阻的双极器件进行抗辐射性能测试、修复条件测试，确定双极器件的电离辐射损伤阈值、修复失效阈值和具体修复条件，根据双极器件工作的辐照环境和测试获得修复条件，对双极器件实施修复，如图1所示。
基于多晶硅加热的双极器件的制作
进行带多晶硅加热电阻的双极器件的版图设计，多晶硅加热电阻位于双极器件基区表面钝化层中。主要是利用为多晶硅加热电阻两端施加电压，将电能转换为热能，利用多晶硅产生的热对下方辐射敏感区域：氧化层及Si与SiO2界面的辐射感生产物进行修复。对设计的器件进行流片制作，测试多晶硅加热的双极器件的多晶硅加热电阻的阻值，得到合格的基于多晶硅加热的双极器件。
第一步，版图设计
设计基于多晶硅加热的双极器件的版图结构，在钝化层中设计多晶硅栅电阻，并做电极引出。
基于多晶硅加热的双极器件主要结构包括：钝化层1、氧化层2、Si衬底3、多晶硅4，如图2所示。钝化层1、氧化层2、Si衬底3自上而下依次相连，多晶硅4位于钝化层1与氧化层2之间，如图2所示。
辐射敏感区域5位于多晶硅4与Si衬底3之间，界面陷阱电荷6位于氧化层2与Si衬底3的界面，氧化物陷阱电荷7位于氧化层2中。
多晶硅的两端引出电极，当通过多晶硅电极对多晶硅进行通电时，多晶硅为电阻，多晶硅加热电阻使辐射敏感区域温度升高，达到加热辐射敏感区域的目的。
对版图设计的基于多晶硅加热的双极器件进行仿真，确定器件各项性能满足设计规则。得到基于多晶硅加热的双极器件的版图设计。
第二步，按基于多晶硅加热的双极器件的版图设计进行加工，制作基于多晶硅加热的双极器件。
首先，按版图设计流片，进行测试、封装等，形成基于多晶硅加热的双极器件。
其次，检测基于多晶硅加热的双极器件的多晶硅加热电阻，检测电压为1V，记录多晶硅加热电阻值R。选择多晶硅加热电阻值R为平均值的5％以内为合格；得到基于多晶硅加热的双极器件。
具体修复过程包括如下步骤：
步骤1，确定双极器件的电离辐射损伤阈值
对选取的基于多晶硅加热的双极器件进行抗辐照能力测试，计算抽取的双极器件的抗总剂量平均值，得到双极器件的电离辐射损伤阈值及辐射敏感参数。
抽取步骤1得到的基于多晶硅加热的双极器件N1件，N1＝3～6件。
对抽取的N1件基于多晶硅加热的双极器件进行全参数测试，随后进行辐照试验，辐照过程中对器件进行全参数测试，并记录辐照时间。记退化最为严重的参数为辐射敏感参数，当辐射敏感参数超过规定值时停止辐照。
辐照采用钴源辐照装置，辐照偏置采用最劣偏置条件，辐照剂量率为X，X＝0.01～0.10rad(Si)/s。
依据公式Dth＝t*X，t为累计失效辐照时间，计算每个双极器件辐射敏感参数超差时累积的总剂量值。对N件双极器件的总剂量值求平均，得到双极器件的抗总剂量能力平均值，即为基于多晶硅加热的双极器件的电离辐射损伤阈值Dth。至此，得到基于多晶硅加热的双极器件的电离辐射损伤阈值Dth。
步骤2，确定双极器件的修复参数
对双极器件施加总剂量为电离辐射损伤阈值Dth的辐照，然后，进行修复测试正交试验，选取最佳修复电压Vb和修复时间tb，即为双极器件的修复参数。
抽取双极器件N2件，N2＝15～30件，按步骤1的试验条件及步骤1得到的电离辐射损伤阈值Dth，对每件双极器件施加总剂量为电离辐射损伤阈值Dth的辐照。
表1相关参数
对施加辐照的失效双极器件进行修复测试正交试验。
正交试验参数为电压、时间。电压为多晶硅两端施加的电压值，电压值小于多晶硅击穿电压值，电压值间隔应小于2V；时间为多晶硅通电时间，时间间隔为：10s、30s、60s、100s、300s。
对正交试验的每组修复的双极器件的辐射敏感参数进行测量，以观察辐射敏感参数的恢复程度，在恢复程度区域饱和的条件下，选择修复电压最小，修复时间最短的条件，记为所制作的双极器件的修复最佳电压值Vb和时间tb。至此，得到双极器件的修复参数，即最佳修复电压Vb和修复时间tb。
步骤3，确定双极器件修复失效阈值
重复步骤1的过程，对双极器件施加总剂量为电离辐射损伤阈值Dth的辐照。对辐照后的双极器件按步骤2的修复参数进行重复修复，至双极器件参数不能修复或功能失效，记录重复修复次数n，得到双极器件总剂量修复失效阈值n*Dth。
首先，按步骤1得到的电离辐射损伤阈值Dth，施加总剂量为电离辐射损伤阈值Dth的辐照，进行辐照后敏感参数测试。
其次，按步骤2得到的修复最佳电压值Vb和时间tb，对辐照失效的双极器件进行重复修复，在每次修复后均对辐射敏感参数进行测试，至制作的双极器件敏感参数不能修复或器件性能失效，记录双极器件修复失效时的重复修复次数，即可重复修复次数n。得到双极器件总剂量修复失效阈值n*Dth。
步骤4，实施修复
按基于多晶硅加热的双极器件工作辐射环境的辐照剂量率Xture，计算器件可累计工作时间Tture，Tture＝Dth/Xture。当实际工作时间达到Tture时，即达到双极器件的修复间隔时间，双极器件断电停止工作，对双极器件实施修复。修复时，对多晶硅电极施加电压Vb，持续时间tb。修复结束，多晶硅电极断电，制作的双极器件继续工作。
对于继续工作的双极器件，当工作累积工作时间再次达到Tture时，重复修复。当重复修复次数达到n次，双极器件修复失效，达到器件使用寿命阈值。
Claims (10)
1.一种基于多晶硅加热的双极器件，其特征在于，包括钝化层(1)、氧化层(2)、Si衬底(3)、多晶硅(4)；
所述钝化层(1)、所述氧化层(2)、所述Si衬底(3)依次相连为层片状结构，
在氧化层(2)设置层片状的多晶硅(4)，所述多晶硅(4)位于辐射敏感区域(5)上方，所述多晶硅(4)的上表面与钝化层(1)的下表面相接；所述多晶硅(4)设置多晶硅电极。
2.根据权利要求1所述的基于多晶硅加热的双极器件，其特征在于，多晶硅电极所述辐射敏感区域(5)是指遭受电离辐射后在双极器件的氧化层(2)与Si衬底(3)的界面存在界面陷阱电荷(6)或者在双极器件的氧化层(2)内存在氧化物陷阱电荷(7)的区域。
3.根据权利要求1或2所述的基于多晶硅加热的双极器件，其特征在于，所述多晶硅电极为多晶硅栅电阻。
4.权利要求1至3所述基于多晶硅加热的双极器件的制备方法，其特征在于，包括如下过程：
版图设计：进行基于多晶硅加热的双极器件的版图设计；
仿真：进行仿真计算，验证双极器件各项性能满足设计规则；
流片：按仿真满足设计规则的版图设计要求，实施流片；
测试：检测流片的基于多晶硅加热的双极器件的多晶硅加热电阻，得到合格的基于多晶硅加热的双极器件。
5.根据权利要求4所述的基于多晶硅加热的双极器件的制备方法，其特征在于，所述测试过程，进一步包括：
检测电压为1V，记录多晶硅的电阻值R，统计流片制备的双极器件的多晶硅加热电阻平均值；
基于多晶硅加热的双极器件的合格判据为：
多晶硅的电阻值R在多晶硅加热电阻平均值的5％以内为合格。
6.权利要求1至3所述基于多晶硅加热的双极器件的电离辐射损伤修复方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，确定双极器件的电离辐射损伤阈值：
对基于多晶硅加热的双极器件进行抗辐照能力测试，记录辐照剂量率X、辐照时间、辐射敏感参数，至辐射敏感参数超过规定值时停止；
依据辐射敏感参数超过规定值时的辐照时间、辐照剂量率，得到电离辐射损伤阈值Dth；
步骤2，确定双极器件的修复参数：
对步骤1实施辐照能力测试达到电离辐射损伤阈值Dth的双极器件进行修复试验，修复试验采用正交试验方法；
修复试验中，当恢复程度区域饱和时，记录修复电压、修复时间，采用修复电压最低、修复时间最短进行优化，得到最佳修复电压Vb、最佳修复时间tb；
步骤3，确定双极器件的修复失效阈值：
重复步骤1施加总剂量为电离辐射损伤阈值Dth的辐照、步骤2采用最佳修复电压Vb和修复时间tb实施修复，至双极器件功能失效，记录重复修复次数n，即为最大重复修复次数；
由最大重复修复次数，即可得到修复失效阈值，即nDth；
步骤4，实施修复：
当电离辐射损伤达到电离辐射损伤阈值Dth时，即双极器件工作时间达到修复间隔时间，对双极器件实施修复；
修复过程为：双极器件工作时间达到修复间隔时间，双极器件停止工作，对多晶硅施加最佳修复电压Vb，持续最佳修复时间tb；
当重复修复次数达到最大重复修复次数n次，双极器件报废。
7.根据权利要求6所述的基于多晶硅加热的双极器件电离辐射损伤修复方法，其特征在于，所述步骤1确定双极器件的电离辐射损伤阈值，进一步包括：
所述抗辐照能力测试采用钴源辐照装置，辐照偏置采用最劣偏置条件，辐照剂量率为X，X＝0.01～0.10rad(Si)/s。
8.根据权利要求6所述的基于多晶硅加热的双极器件电离辐射损伤修复方法，其特征在于，所述步骤1确定双极器件的电离辐射损伤阈值，进一步包括：
所述电离辐射损伤阈值Dth为辐射敏感参数超过规定值时的辐照时间t与辐照剂量率的乘积，即Dth＝tX。
9.根据权利要求6所述的基于多晶硅加热的双极器件电离辐射损伤修复方法，其特征在于，所述步骤2确定双极器件的修复参数，进一步包括：
所述修复测试中，修复电压值小于多晶硅击穿电压，电压值间隔小于2V；修复时间间隔为：10s、30s、60s、100s、300s。
10.根据权利要求6所述的基于多晶硅加热的双极器件电离辐射损伤修复方法，其特征在于，所述步骤4实施修复，进一步包括：
由工作辐射环境的辐照剂量率Xture，可以得到双极器件的修复间隔时间Tture，即：
Tture＝Dth/Xture。
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2023
- 2023-07-03 CN CN202310806759.8A patent/CN116779594B/zh active Active
Patent Citations (3)
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116779594B (zh) | 2024-08-16 |
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