不同钝化和氧化工艺LPNP晶体管辐射效应研究

作     者：甄兆丰 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李兴冀

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：横向双极晶体管 电离辐射损伤效应 位移损伤效应 钝化工艺 氧化工艺 

摘      要：本文以不同钝化和氧化工艺LPNP双极晶体管为研究对象,采用Co-γ射线、30Me V Si离子和1 Me V电子进行辐照试验。通过对晶体管电性能的测试分析,探究不同工艺对晶体管电离辐射损伤、位移损伤及电离/位移协同效应的影响机制。结合深能级瞬态谱和TCAD仿真进一步分析辐射缺陷的演化过程。试验结果表明,不同工艺晶体管在高低剂量率Co-γ射线辐照下,主要产生界面态陷阱和氧化物电荷,界面态陷阱会导致晶体管表面复合速率增加,进而导致基极电流增加和电流增益退化,而氧化物电荷对界面态的作用有一定的抑制作用。与高剂量率辐照相比,晶体管在低剂量率下产生的界面态陷阱浓度更高,造成的电流增益退化更严重,表现出低剂量率辐射增强效应(ELDRS),结合文献和TCAD仿真较好的验证了此结论。当晶体管受到Co-γ射线辐照时,在给定的反应温度及气氛等条件下,低温湿氧层作为钝化层的晶体管电流增益退化最小,低温湿氧层和氮化层组合的晶体管退化最严重;在30 Me V Si离子辐照下,主要在硅体内产生空位、间隙原子等缺陷,导致少子寿命降低和基极电流增加。在此条件下,低温湿氧层作钝化层的晶体管损伤最严重,低温湿氧层与氮化层组合的晶体管损伤最小;在1 Me V电子辐照下,会同时产生电离辐射损伤和位移损伤。在相同辐射吸收剂量下,Co-γ射线产生电离辐射损伤能力最强,而30 Me V Si离子产生位移损伤能力最强。不同钝化工艺晶体管在,在Co-γ射线辐照后,含有氮化层的晶体管损伤最严重,氧化物作为钝化层的晶体管损伤最小,这是因为在氮化层的制备过程中引入大量氢,氧化层中空穴俘获会释放质子到界面形成界面态陷阱,氢的存在使得界面态陷阱浓度变大;在30 Me V Si离子辐照后,钝化层的影响规律正好与上述相反,这是因为氧化层制备过程中会引入大量可动离子电荷,氮化层可以吸收并固定可动离子电荷,所以产生的损伤相对较小。含有不同氧化层的晶体管受到电离辐射损伤后,有干氧层的晶体管损伤最严重,这是因为湿氧层制备过程中会在界面处引入水分子,当氧化层中质子释放到界面产生悬挂键时,水分子可以与悬挂键反应使其重新钝化,最后产生的界面态陷阱浓度较低;湿氧层制备的温度越低,引入的界面电荷浓度越高,辐照后产生的损伤越严重。