（材料学专业论文）多晶硅导电材料辐射损伤噪声灵敏表征技术研究.pdf

摘要 摘要 多晶硅导电材料作为集成电路和光伏产业重要的基础材料，它在辐射环境下 性能的退化对航天电子器件和系统的运行可靠性具有巨大影响。多晶硅导电材料 常规电学表征参量对辐射损伤不灵敏，而噪声与材料内部缺陷密切相关，可以忠 实反映材料内部的辐射损伤变化。本文研究既可用于多晶硅导电材料辐射损伤， 又可用于器件辐射效应的噪声表征技术。 本文结合多晶硅导电材料的实际应用环境设计了四种类型共十一个电阻器样 品，几乎涵盖了多晶硅导电材料在集成电路中所有应用类型。样品采用既能够真 实的反映多晶硅导电材料的辐射损伤，又便于噪声测试的四端测试结构。设计合 理的6 0 c oy 射线辐照实验方案，测试了辐照前后的样品电学和噪声特性。通过对 电学和噪声测试数据的分析和比较，给出了多晶硅电阻器样品性能退化的辐射损 伤机制解释，优选出用于多晶硅导电材料辐射损伤噪声表征的灵敏参量。 已有多晶硅导电材料1 f 噪声解析模型是分别基于载流子迁移率涨落和载流子 数涨落机制建立的。但是根据载流子在多晶硅导电材料内的传输物理图像可知， 载流子在传输路径上将被富集缺陷的晶界区所俘获，导致载流子数的涨落：而这 些被俘获的载流子将调制晶界区的势垒，引起载流子迁移率的涨落。因此，考虑 单一涨落机制建立的1 f 噪声模型是不完善的。本文引入与晶界势垒变化相关的晶 界处缺陷俘获发射引起的载流子数变化，建立基于双机制的多晶硅导电材料1 f 噪 声统一模型。通过引入辐射损伤系数，建立多晶硅导电材料辐射损伤1 f 噪声表征 模型。最后，基于噪声表征技术，本文给出了多晶硅导电材料辐射损伤的失效判 据和基本测试流程。 关键词：多晶硅辐射损伤噪声灵敏表征技术 a b s t r a c t 1 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fa e r o s p a c et e c h n o l o g y , t h ek i n d so fe l e c t r o n i cm a t e r i a l sa n d d e v i c e su s e di ns p a c ee n v i r o n m e n ti n c r e a s e dc o n s t a n t l y p o l y s i l i c o nc o n d u c t i v em a t e r i a l i sa l li m p o r t a n tb a s i sm a t e r i a l i n i n t e g r a t ec i r c u i t s a n dp h o t o v o l t a i ci n d u s t r y , i t s p e r f o r m a n c ed e g r a d a t i o nh a sal r e m e n d o u si m p a c t o i lt h er e l i a b i l i t yo fa e r o s p a c e e l e c t r o n i cd e v i c e sa n ds y s t e m si ni r r a d i a t i v ee n v i r o n m e n t c o n v e n t i o n a le l e c t r i c a l c h a r a c t e r i z a t i o no fp o l y s i l i c o nc o n d u c t i v em a t e r i a l sr a d i a t i o nd a m a g ei si n s e n s i t i v e ； h o w e v e r , n o i s ei sc l o s e l yr e l a t e dt ot h ei n t e r n a ld e f e c t si nm a t e r i a l s ，i tc a nb e af a i t h f u l r e f l e c t i o no ft h ei n t e r n a lr a d i a t i o nd a m a g e t h i sp a p e rr e s e a r c ho i ln o i s ec h a r a c t e r i z a t i o n t e c h n o l o g yf o rr a d i a t i o nd a m a g e ，i tc a r lb e u s e di np o l y s i l i c o nc o n d u c t i v em a t e r i a l sa n d d e v i c e c o n s i d e r i n gt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n to fp o l y s i l i c o nc o n d u c t i v em a t e r i a l ， w ed e s i g nf o u rk i n d so fr e s i s t o rs a m p l e sw i t hat o t a ln u m b e re l e v e n t h o s es a m p l e s a l m o s tc o n t a i ne v e r ya p p l i c a t i o no fp o l y s i l i e o nc o n d u c t i v em a t e r i a l si ni c t h e ya r e d e s i g n e da sf o u r - t e r m i n a l t e s ts t r u c t u r e ，w h i c hc a nb eaf a i t h f u lr e f l e c t i o no ft h e p o l y s i l i c o nc o n d u c t i v em a t e r i a l sr a d i a t i o nd a m a g ea n dc o n v e n i e n tf o rn o i s et e s t i n g b a s e do nt h ew e l l d e s i g n e d6 0 c o 了i r r a d i a t i o ne x p e r i m e n t st h ee l e c t r i c a la n dn o i s e p a r a m e t e r sa r et e s t e d t h r o u g ha n a l y s e sa n dc o m p a r i s o n ，t h ed a m a g em e c h a n i s mo f p o l y s i l i c o nr e s i s t o rs a m p l e sa r eg i v e n ，a n do p t i m u mn o i s es e n s i t i v ec h a r a c t e r i z a t i o n p a r a m e t e r so fp o l y s i l i c o nc o n d u c t i v em a t e r i a l sw h i c hs u f f e r r a d i a t i o nd a m a g ea r e p r e s e n t e d t h e1 fn o i s em o d e l sa v a i l a b l ef o rp o l y s i l i e o nc o n d u c t i v em a t e r i a l sw e r eb a s e do n m o b i l i t yf l u c t u a t i o na n dc a r r i e rn u m b e rf l u c t u a t i o nm e c h a n i s m ，r e s p e c t i v e l y h o w e v e r , a c c o r d i n gt ot h et r a n s m i s s i o np h y s i c a li m a g ei np o l y s i l i c o nc o n d u c t i v em a t e r i a l s ， c a r r i e r sw i l lb ec a p t u r e db yt h ed e f e c t sw h i c hg a t h e ra r o u n d 咖b o u n d a r i e s ，i tw i l l r e s u l ti nt h ec a r r i e rn u m b e rf l u c t u a t i o n s ，t h e s ec a p t u r e dc a r r i e r s w i l lm o d u l a t et h e p o t e n t i a l b a r r i e r so fg r a i nb o u n d a r i e s ，i tw i l lc a u s ec a r r i e rm o b i l i t yf l u c t u a t i o n s t h e r e f o r e ，i ti si m p e r f e c tt o c o n s i d e ras i n g l ef l u c t u a t i o n i nt h i sp a p e r , w ec o n s i d e r c a r r i e rn u m b e rc h a n g ew h i c hc a u s e db yt h ed e f e c t sc a p t u r i n ga n de m i t t i n ga r o u n dg r a i n b o u n d a r yi sr e l a t e dt og r a i nb o u n d a r yp o t e n t i a lb a r r i e r s b a s e d o nt h ed u a lm e c h a n i s m s w ee s t a b l i s hau n i f i e d1 fn o i s em o d e lf o rp o l y s i l i c o nc o n d u c t i v em a t e r i a l s b y i n t r o d u c i n gt h er a d i a t i o nd a m a g ec o e f f i c i e n t , w ee s t a b l i s ht h el fn o i s ec h a r a c t e r i z a t i o n m o d e lf o rp o l y s i l i c o nc o n d u c t i v em a t e r i a l s f i n a l l y , b a s e do nt h en o i s ec h a r a c t e r i z a t i o n 2 多晶硅导电材料辐射损伤噪声灵敏表征技术研究 t e c h n i q u e ，w ep r e s e n t e dt h ei r r a d i a t i o nf a i l u r ec r i t e r i o na n db a s i cm e a s u r e m e n tp r o c e s s o fp o l y s i l i c o nc o n d u c t i v em a t e r i a l s k e y w o r d ：p o l y s i l i e o n r a d i a t i o nd a m a g en o i s es e n s i t i v e c h a r a c t e r i z a t i o nt e c h n i q u e 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：塑幽 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名：至兰垒蠲 导师签名：牲 茹 期 期 日 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 多晶硅导电材料被喻为微电子产业和光伏产业的“基石”。自1 9 6 4 年多晶硅薄 膜出现以来，多晶硅材料在半导体器件和集成电路中得到了广泛应用：1 ) 重掺杂 的多晶硅导电材料常用作电容器、随机存储器、电荷存储元件的极板，r o m 器件 的浮栅，电荷耦合器件的电极等；2 ) 轻掺杂的多晶硅导电材料常用作m o s 静态 存储器的负载电阻及单层、多层互连导线等3 ) 用于制作液晶显示技术中的薄膜晶 体管( t f t ) 和薄膜太阳能电池等【卜2 】。 多晶硅导电材料的发展与应用水平，已经成为衡量一个国家综合国力、国防 实力和现代化水平的重要标志。随着航天技术、核能等高技术领域的迅速发展， 越来越多的高性能商用半导体器件需要在辐射环境中工作。空间辐射环境要求电 子系统能够在极端苛刻的环境中工作。辐射会加速电子系统性能不稳定和材料的 老化，并导致电学性能的退化【3 巧1 。由于多晶硅导电材料在微电子产业、液晶显示 和光伏器件中的广泛应用，使其不可避免地会应用于空间辐射环境。在辐射环境 下多晶硅导电材料的可靠性高低直接关系到半导体器件和电子系统的正常工作。 因此，研究多晶硅导电材料的辐射损伤具有重要意义。 早期材料或器件的辐射损伤主要是通过扫描电子显微镜( s e m ) 、红外光谱 ( m ) 、电子顺磁共振( e p r ) 、深能级瞬态谱仪( d l t s ) 和正电子湮没( p ：a t ) 等 技术来进行研究，但是这些技术或者对材料或器件测试样品的制作工艺要求较高， 或者不能全面的反映材料的辐射损伤和器件的辐射效应，都存在一定的实用局限 性。噪声测试具有高速，无损，敏感等特点，而且噪声是与材料内部的缺陷密切 相关的，辐射后产生的微量缺陷都有可能引起噪声的数量级上的变化【卯】。从测试 得到的噪声功率谱中可以提取各种与材料缺陷或器件损伤相关的表征参量用于分 析退化过程。对于m o s f e t 、光电耦合器等器件而言，已经利用1 f 噪声表征方法 来研究器件的辐射损伤机制及进行可靠性表征 9 1 l 】。 1 2 研究现状 半导体材料的辐射损伤研究开始于二十世纪四十年代晚期，而多晶硅导电材 料相对于其它材料而言，在同等的辐射环境中具有较好的抗辐射能力，直n - - 十 世纪晚期才开始有较为深入的研究【协1 5 1 。器件在辐射环境下应用一般都会出现明 显的辐射效应。辐射引起器件功能退化的主要原因是器件存在辐射易损部位，如 m o s f e t 器件中的s f f s i 0 2 界面。辐射在s e s i 0 2 界面处及附近引入缺陷，这些缺 多晶硅导电材料辐射损伤噪声灵敏表征技术研究 陷能起复合中心的作用，俘获或发射载流子，导致了m o s f e t 器件的阈值电压漂 移、跨导退化。但是，多晶硅导电材料内并不存在类似的辐射易损部位，辐射效 应不明显。如在6 0 c o 射线辐射下，即使辐射剂量达到2 0 0 0 k r a d ( s i ) ，阻值仅有微 小的增大【1 2 1 。 1 9 8 2 年，h c d eg - r a a f f 和m t m h u y b e r s 首次测试了多晶硅电阻器的1 f 噪声 【1 6 】，开始了多晶硅导电材料1 f 噪声研究的先河。自此先后出现了基于载流子数涨 落机制和迁移率涨落机制建立的两种多晶硅导电材料1 f 噪声模型。载流子数涨落 主要认为是材料内富集于晶界处的大量悬挂键和缺陷俘获和发射载流子所致 【1 7 l9 1 ，而迁移率涨落则归结于晶粒耗尽区的晶格散射【1 6 】，【2 0 - 2 4 】。但是，从载流子实 际传导过程可知，载流子数的涨落必然引起晶界及其耗尽区的势垒变化，而势垒 的改变又将导致对载流子的散射引起迁移率的涨落，这意味仅仅基于单一机制建 立1 f 噪声模型是不全面的。需要迸一步研究建立基于双机制的多晶硅导电材料i f 噪声统一模型。此外，多晶硅导电材料的1 f 噪声研究仅限于模型机制的解释和简 单应用，还未曾有将1 f 噪声表征技术用于该材料的辐射损伤研究。 1 3 研究目的和论文结构 本论文研究的目的主要是在国内外已有的基础上，利用低频噪声来研究多晶 硅导电材料的辐射损伤。通过实验结果分析，优选用于表征材料辐射损伤的灵敏 参量。同时通过建立基于双机制的多晶硅导电材料1 f 噪声解析模型及表征模型， 给出失效判据和测试基本流程，形成用于多晶硅导电材料辐射损伤研究的噪声灵 敏表征技术。 为此，本文将分为五章对论文主题进行讨论，各章内容安排如下。第一章对 本课题的研究背景、现状及目的迸行了概述。第二章介绍了多晶硅导电材料辐射 损伤的微观机制与模型，器件的辐射效应及1 f 噪声变化，并给出材料与器件相结 合的辐射效应研究方法。第三章主要介绍了用于辐射损伤研究而设计的多晶硅电 阻器样品的规格、版图及特性，辐照实验的方案和测试结果的分析，给出辐射损 伤灵敏表征参量优选的原则及结果。第四章主要是建立了多晶硅导电材料的1 f 噪 声统一模型，并给出材料辐射损伤噪声灵敏表征技术的失效判据和测试基本流程。 第五章是论文的研究成果及结论，并对下一步工作进行了展望。 第二章多晶硅导电材料辐射损伤表征原理研究 第二章多晶硅导电材料辐射损伤表征原理研究 21 多晶硅导电材料的器件应用 多晶硅与单晶硅性质的差异主要是由材料的内部结构所决定的。多晶硅导电材 料中存在大量的晶界，在这些晶界附近富集了大量的缺陷，成为电子和空穴的俘 获中心，对多晶硅导电材料的电学特性有巨大的影响。但是，多晶硅导电材料拥 有优蔑的力、热、光、电特性，从而使其在微电子领域、显示技术和光伏产业内 有广泛的应用。 2 11 多晶硅导电材料的结构 多晶硅导电材料的电学性质与单晶硅不同，根本原因是由于多晶硅导电材料 内存在晶粒问界。晶粒间界是一个晶向的晶粒向另一个晶向的晶粒的过渡区，它 的结构复杂，原子呈无序排列，其厚度通常为几个原子层。如图21 所示。多 晶硅材料是由许多小晶粒组成的，在晶粒内部原子周期性地有序排列，可以把每 个晶粒看作一块小的单晶体，各自具有不同的晶向，而晶粒间界将它们连接起来 潍测 鞣聪 l illli - 一o l l i j li 习千f 秤li 图21 多晶硅导电材料的结构示意图 晶粒间界对掺杂多晶硅导电材料电学性能的影响有两个方面1 1 ： ( 1 ) 载流子陷阱：由于原子在晶粒间界无序排列，因而存在大量悬挂键和缺 陷态，形成了高密度的陷阱( 接近硅表面的表面态密度) 。晶粒内，杂质龟离产 生的载流子首先被这些陷阱俘获，从而减少了参与导电的自由载流子的数目。陷 阱在俘获载流于之前是电中性的，一旦俘获载流子就带电荷，从而在它周围形成 了一个多子势垒区，阻挡载流子从一个晶粒向另外一个晶粒运动，因此使载流子 迁移率降低。这样，在同等掺杂水平的情况下，多晶硅导电材料中的载流子浓度 多晶硅导电材料辐射损伤噪声灵敏表征技术研究 和迁移率都将小于单晶硅。 ( 2 ) 杂质分凝：由于晶粒和晶粒间界结构不同，晶粒内原子和晶粒间界处原 子的化学势也就不同，杂质将在晶粒间界处分凝，因而所掺杂质将有部分沉积在 晶粒间界处，从而使晶粒内的掺杂浓度低于均匀掺杂的情况，直到晶粒间界饱和。 分凝在晶粒间界处的杂质原子，在电学上是不活动的，所以载流子浓度也将低于 掺杂水平。 图2 2 ( a ) 和( b ) 分别定性的表示晶粒间界的这两种作用。 。 - r -。 。 。 ， - i 】簟斑予瞄听) 杂质分簟 图2 2 晶粒间界作用的定性表示 晶粒间界对多晶硅导电材料电导率仃的影响可以概括为【1 】： a 图2 3 晶粒间界对多晶硅导电材料电导率的影响 如图2 3 所示，总掺杂浓度分为两部分：( i ) 在晶粒间界分凝，浓度为； ( i i ) 晶粒内掺杂，浓度为g ，对非重掺杂情况，室温下，可以认为浓度为g 的 杂质全部电离提供载流子，其中一部分被晶粒间界陷阱所俘获，浓度为m ，因而 真正参与导电的只是其中的一部分，浓度为。 晶粒间界对多晶硅导电材料的电学性能有很大的影响，使其在应用中有一定 第二章多晶硅导电材料辐射损伤表征原理研究 5 的局限性。例如，在多晶硅太阳能电池中，随着晶界缺陷态密度的增加，电池的 各参量均随之退化，尤其是填充因子阡、开路电压y 下降明显。这主要是因为随 着晶界缺陷态密度的增加，晶粒间界处以及晶粒内部的复合随之增加。但是电流 密度- 厂的下降并不明显，估计是由于多晶硅导电材料光生载流子的迁移率在不同的 晶界缺陷态密度下变化不大的缘故：又如，多晶硅中的晶界陷阱也强烈的影响了 m o s f e t 中跨导，导致阈值电压的退化。近些年来研究发现氢离子退火可以提高 多晶硅的电学特性，通过氢的结合可以使晶界陷阱钝化。钝化后多晶硅导电材料 的电阻率降低，m o s f e t 特性得到改进。 2 1 2 多晶硅导电材料的应用 多晶硅导电材料的需求主要来自于半导体和太阳能电池。按纯度要求不同， 分为电子级( 半导体) 和太阳能级。多晶硅导电材料的种种性质决定了它的广泛 应用： ( 1 )自对准工艺的出现以及多晶硅导电材料与硅工艺的兼容，使得多晶硅导电 材料成为m o s f e t 器件的首选栅极材料。 ( 2 )由于多晶硅导电材料能热生长出性能良好的多晶硅s i 0 2 绝缘层，并且具有良 好的s i s i 0 2 ( 多晶硅) 界面特性，可以来做电荷存储元件和单层、多层互 连引线。 ( 3 )由于多晶硅导电材料氧化速度依赖于掺杂浓度，并且当氧化温度低于9 0 0 时，高掺杂多晶硅的氧化速率远远大于轻掺杂单晶硅衬底氧化速率，因而 可用于m o s 集成电路中差值氧化工艺，以简化工艺流程。 ( 4 )由于多晶硅导电材料的电阻率随着掺杂浓度的改变可以改变几个数量级， 而未掺杂或轻掺杂多晶硅导电材料又有极高的电阻率，所以可将轻掺杂多 晶硅用作m o s 静态存储器的负载电阻，以缩小电路单元面积。 ( 5 )由于杂质在多晶硅中的扩散系数远大于单晶硅中的扩散系数，所以可将多 晶硅薄膜用于器件隔离。 ( 6 ) 利用上述的杂质在多晶硅中的扩散特性和掺杂多晶硅对铝硅接触中重组现 象的抑制作用，可将掺杂多晶硅导电材料用作掺杂扩散源和浅结欧姆接触 口 力譬o ( 7 )利用多晶硅与薄氧化层的界面特性和多晶硅低少子迁移率等特性，可用多 晶硅导电材料做双极晶体管的发射极，以提高晶体管发射极的注入效率。 ( 8 ) 由于掺氧多晶硅具有的半绝缘性( s 口0 s ) ，所以可用于器件钝化和隔离。 多晶硅导电材料辐射损伤噪声灵敏表征技术研究 ( 9 ) 由于多晶硅导电材料薄膜技术的发展和有源一体化技术的实现，可用于低 成本、高效率的太阳能电池板和大面积液晶显示屏幕中的像素开关薄膜晶 体管( t f t ) 。 2 2 多晶硅导电材料辐射损伤机理与模型 2 2 1 多晶硅导电材料辐射损伤微观机制 多晶硅导电材料内部本征点缺陷的数量是材料电学性能变化的主要原因，但 是由于存在的杂质和晶界结构使得本征点缺陷的研究变得非常复杂。研究表明， 形成的空位填隙对、硅自填隙原子都被晶界缺陷所俘获，在材料内部形成空位富 集的区域。辐射效应诱生材料内部的缺陷造成了少数载流子扩散长度n 的减少。 少数载流子扩散长度厶是太阳能级多晶硅导电材料主要特征i 而较低的。主要原 因是材料内部存在金属杂质、点缺陷( 本征的或外来的) 以及大的位错和晶界缺 陷。本征点缺陷( 自填隙原子& ，和空位) 和非本征杂质( 碳，氧) 是多晶硅中微 缺陷的根源【2 引。 t e m l m r e t m ! ( 目 图2 4 室温下y 辐射的多晶硅样品的d l t s 频谱 图2 4 所示为3 0 0 m r a d ( s i ) y 辐射前后低氧掺杂的多晶硅样品的d l t s 频谱。 从图中可知仅仅是在空穴陷阱h ( o 3 6 ) 处出现峰( 这里采用的是标准符号 h ( e 一巨，) 来表示具有能级e 的空穴陷阱) 。观察到的峰归结为与氧相关的缺陷。 j a w o r o w s k i 等人认为电子辐射后能谱是在互+ 0 3 9 e v 出现峰，这个峰认为是由 ( c s ) 缺陷或( v + o 屹) 缺陷形成的。但是更倾向的结论为后者。这是因为多 晶硅导电材料晶界的杂质分凝作用，碳和氧将沉积在晶界处而不能移动。此外， 辐射后样品中产生了h ( 0 1 3 ) ，h ( 0 1 7 ) ，h ( 0 2 7 ) ，h ( o 3 4 ) 等峰，而主要峰 并没有偏离h ( 0 3 6 ) ，仅仅增加了强度。生成其它峰的主要缺陷如下：h ( 0 1 7 ) 第二章多晶硅导电材料辐射损伤表征原理研究 是双空位( v 2 ) ，h ( 0 2 7 ) 是双空位氧( v 2 0 ) ，h ( 0 3 4 ) 是c 1 0 1 ，v + o + b 和 b l o i 。因此，y 辐射引入了空位( v ) 和空位相关的缺陷。 2 2 2 多晶硅导电材料辐射损伤模型 a _ 卜叫 弋叫m n w 竹 卜帆伊能妒忏 、v s c r7 渺 s x c 图2 5 具有非统一势垒高度的n 型多晶硅导电材料能带图 对于多晶硅导电材料的研究，很多研究者认为晶界处存在大量的俘获态，能 够俘获载流子而使其不再移动。晶界的这些电荷形成势垒，阻止载流子从一个晶 粒向另一个晶粒运动，因此，多晶硅导电材料中载流子的传输与金属半导体肖特 基势垒相似，为了对此加以解释，如图2 5 所示为低或中等掺杂的n 型多晶硅导电 材料的非统一势垒高度的能带图【2 们。假设多晶硅导电材料是由一系列有限的晶粒 体电阻七和大势垒电阻串联构成的。基于肖特基二极管的电流传输机理，通过 能量势垒九的电流表达式【2 6 】如( 2 1 ) = k - - 2 q a g 俐鼍恻等) s i n h ( 等) ( 2 - 1 ) 其中， a g 是晶粒的横截面积，近似为平均晶粒尺寸 的平方，d 为空间电荷 区的宽度，挖( d ) 为准中性区的电子密度，是结合速率，为( k t 2 x m * ) 2 ，屹为 扩散速率，近似为k ，是界面附近最大的电场，是耗尽势垒区的偏置 电压。由式( 2 1 ) 可得 = d v s c r = 争州硼_ l 掣脚( 旁删等) _ 1 ( 2 2 ) 多晶硅导电材料的晶粒体电阻七通常由下式给出 七唰专 亿3 ， 其中，b 是中性体区长度，等于( a - 2 d ) ，既是与体区相关的电阻率，4 是中性 区的横截面积，由0 2 d ) 2 给出。因此，式( 2 3 ) 可以写成 r c = g 玎( d ) 占( a - 2 d ) 。1 ( 2 - 4 ) 一般情况而言，低辐射剂量的y 射线电离辐射将不会引起多晶导电材料性能 多晶硅导电材料辐射损伤噪声灵敏表征技术研究 的退化。主要原因是多晶硅导电材料内部存在晶界，晶界附近富集了大量的悬挂 键和缺陷，它们是载流子俘获和发射的中心。由于晶界的杂质分凝和载流子俘获 机制，电离辐射诱生的电子和空穴对晶界缺陷态密度影响较小，仅使晶界处势垒 。有微小改变。而对于高辐射剂量的y 射线或质子、中子等高能粒子造成的位移 损伤，并不会改变晶界处的缺陷态密度，而仅仅是辐射诱生晶粒内的晶格缺陷致 使材料内电子迁移率。降低，电阻率办增加。 2 3 多晶硅器件的辐射效应 2 3 1 多晶硅电阻器的辐射效应 a m l 俚1 n 图2 6 多晶硅电阻器的横截面不恿图 图2 6 为典型的多晶硅电阻器的横截面示意图【1 3 】- 【15 1 。该样品是在6 0 0 h m 厚的 场氧上沉积了2 5 0 n t o 的多晶硅导电材料，然后再沉积6 0 0 h m 厚的栅氧及7 5 0 r i m 的 p - s i n 。多晶硅导电材料中磷的掺杂浓度为4 0 1 0 1 0 c n l 一，制得的电阻为1 3 5 kq 。 基于载流子俘获模型，电阻率p 和与多晶硅导电材料晶界的悬挂键密度相应的陷 阱密度坼由下式给出 p 虻( 瓦1 膨p 。西e o ) ( 2 5 ) 三 m = ( 8 e n e o ) 2 ( 2 - 6 ) 其中，n 是掺杂浓度，是晶粒尺寸，占是硅的介电常数，r 是温度，q 是元电荷， k 是玻尔兹曼常数，e 是活化能，辐射前计算得到的r 为4 4 8x1 0 1 2 c m 。 第二章多晶硅导电材料辐射损伤表征原理研究 9 a ) 们“i v o - t g e f v 譬 盏 基 弓 0 1 1 i i , il j v o l t a g e v 图2 7 多晶硅导电材料不同注量辐射前后的i - v 特性 ( a ) 2 0 m e va l p h a 射线( b ) 2 0 m e v 质子 图2 7 ( a ) 和( b ) 分别为多晶硅电阻器在2 0 m e va l p h a 射线和2 0 m e v 质子 辐射前后不同注量下的i v 特性。从图中可以看出辐射后电流减小，且随着辐射剂 量的增加这种减少愈加明显。从图2 8 可知，多晶硅电阻器的阻值随着辐射剂量的 增加而增加。 萤 置 望 毒 翌 器 重 f i , l l e n c l g ( 1 h 鼍 图2 8 多晶硅导电材料的电阻随辐射注量的变化 在不同的辐射注量下，多晶硅导电材料的电阻是和温度呈反比的，而这种关 系是和辐射注量不相关的。这个结论说明通过方程( 2 5 ) 和( 2 6 ) 可以计算与多 晶硅电阻晶界的悬挂键密度相应的陷阱密度。图2 9 就是通过式子( 2 5 ) 和( 2 6 ) 计算得到的不同辐射注量下多晶硅电阻的陷阱密度( 从) 。从图中可以看出，多晶 硅导电材料的陷阱密度随着辐射注量的增加几乎没有变化，仅仅与辐射粒子的类 型有关。这表明多晶硅电阻的变化主要是由晶粒的晶格缺陷造成的，而不是由晶 界产生。因此，载流子俘获模型不能用来解释经过辐射的p 掺杂的多晶硅电阻的 电阻率。一般而言，电阻的增加是由于辐射诱生的晶格缺陷造成载流子浓度降低 v|v卜z幽薯譬u 1 0 多晶硅导电材料辐射损伤噪声灵敏表征技术研究 或载流子散射增加，迁移率降低。 1 0 i t 1 0 1 1 1 9 n l o l 3 l o l o 傍 f l i j e n c e l l 哺2 j 图2 9 陷阱密度随辐射注量的变化 也就是说，辐射仅仅诱生了多晶硅电阻器的晶粒内产生晶格损伤，引起性能 的退化，而晶界处的陷阱态密度由于晶界作用对器件性能退化贡献非常小。此外， 电离辐射研究发现，即使g a m m a 辐射累积剂量达到1 0 0 0 k r a d ( s i ) ，多晶硅导电 材料的电阻率仍几乎没有变化【1 2 】，如图立1 0 所示。 图2 1 0 不同偏置下，多晶硅导电材料电阻率随辐射剂量的变化 2 3 2 多晶硅t f t 的辐射效应 如图2 1 1 为多晶硅薄膜晶体管( t f t ) 典型的横截面示意图【2 7 1 。多晶硅t f t 和m o s f e t 的器件结构非常相似，区别就在于m o s f e t 的衬底为单晶硅，而t f t 的衬底是透明的石英玻璃。多晶硅t f t 的有源区是本征的多晶硅薄膜，其中存在 大量的晶粒间界，使得多晶硅t f t 的沟道迁移率较低，因此，在很多方面不如晶 体m o s f e t 。正是由于有源矩阵a m ( a c t i v em a t r i x ) 液晶显示器件l c d ( l i q u i d c r y s t a ld i s p l a y ) 的发展促进了多晶硅t f t 的研究。a m l c d 要求在一个较大的面 积范围内为每个像素单元配上一个开关元件，这个开关元件必须做在透光的衬底 上，常规的晶体m o s f e t 集成电路无法胜任，而多晶硅t 则恰恰能够实现这一 第二章多晶硅导电材料辐射损伤表征原理研究 1 1 功能。 o x i d eg a t e p o l y s ic h a n n e l i- 图2 1 1 多晶硅t f l r 的横截面示意图 随着辐射剂量的增加，多晶硅t f t 的亚阈值区向负栅压漂移并变得更浅。这 表明辐射诱使亚阈值摆幅s 和阈值电压珲增加。考虑到多晶硅t f t 中有源区的多 晶硅薄膜的独特结构，对t f t 的辐射情况下传输特性的分析需要考虑晶界的作用。 理想情况下，认为多晶硅中的电子传输是通过热发射通过晶界的，则通过晶界的 电流密度可以写作幽】 ，：印刀上p g 7 。r ( 矿脚一1 ) ( 2 7 ) 杉手吻 其中，以是载流子浓度，v ，是晶界处的热发射速率，屹是晶粒内的漂移扩散速率， 是晶界处的势垒高度，是晶界处的电势。对于本征的多晶硅沟道，在偏置 电压下，可以表示为冽 = 笼22 与 协8 ， 其中，心是晶界处俘获态密度，t 是多晶硅薄膜的厚度，占是硅的介电常数。对 方程( 2 7 ) 在整个多晶硅沟道横截面进行积分，得到源一漏电流厶 厶= w c o x ( g c 一巧) l e 9 3 啼7 8 ( 一吩) r ( e g 埘一1 ) ( 2 9 ) 基于方程( 2 - 9 ) ，假设心与、若相关，则可以通过1 n 厶一 和1 ( 一巧) 的函数的线性拟合得到。 晶体硅m o s f e t 迁移率退化的表达式为【2 7 】 “：l( 2 1 0 ) 。 1 + r 从r u 其中，心为辐射前的迁移率，眺，为在s i s i o ：界面辐射诱生增加的俘获态密度， 7 7 为常数。对于多晶硅t f t 的迁移率的表达式与( 2 1 0 ) 非常相似，用来说明测 试得到的和吸收剂量d 的关系 2 尚 q 1 1 ) 1 2 多晶硅导电材料辐射损伤噪声灵敏表征技术研究 其中，y 为常数。通过方程( 2 - 1 0 ) 和( 2 - 1 1 ) 得到越，和吸收剂量d 的关系为 眺= 上d (212)is 7 7 从( 2 1 2 ) 可知，多晶硅t f t 的迁移率退化是由于s i s i 0 2 界面的俘获态密度的增 加造成的。 同时，多晶硅t f t 的栅氧电压可以表示为 v o , = 一g 削厶c 矗 ( 2 1 3 ) 其中，刖，是栅氧内增加的被俘获的空穴面密度。i i 型多晶硅t f t 的栅氧电压一 般为负值，这是由于与电场相关的栅氧化层内辐射诱生的俘获空穴导致开启t f t 需要降低外部电场。 通过方程( 2 9 ) ，( 2 1 2 ) 和( 2 1 3 ) 可以分别提取多晶体t f t 的晶界的俘获 态密度6 ，s u s i 0 2 界面俘获态密度t l n i , ，栅氧化层的俘获空穴密度毗，。如图 2 1 2 为如上三种变量随辐射剂量的变化【z 丌。从图中可知直到辐射剂量达到1 0 0 0 g y ( s i ) ，几乎保持常数为 4 3 x1 0 1 1 l i n 2 ，而吨，和毗，与辐射剂量存在相关性。 结果表明，电离辐射下晶界对多晶硅t f t 性能的退化几乎没有贡献，主要是由辐 射诱生的栅氧化层俘获空穴和s i s i 0 2 界面俘获态密度造成的。 4 彻 c u m u l m i v ed | 蹴f 鳓 图2 1 2 多晶硅t f r 中三种俘获态密度与辐射剂量的关系 2 3 3 多晶硅器件辐射l f 噪声变化 噪声是导致器件失效的各种潜在缺陷的敏感反映，噪声检测方法以其灵敏、 普适、和非破坏性的突出优点，正发展成为一种新型器件可靠性表征工具【3 0 】。图 2 1 3 为多晶硅电阻器在不同偏置条件下的典型1 f 电压噪声功率谱密度变化。从图 中可以看出，在不同偏置条件下，低频区的电压噪声功率谱密度随着频率的增加 而线性降低。 对于m o s f e t 器件，辐射在s i s i c h 界面处及附近引入缺陷，这些缺陷能起复 ，-舞o：01)茸譬口。盆鲁tiv弓。d鲁u工 第二章多品硅导电材料辐射损伤表征原理研究 1 3 f r e q u e n c y ( h z ) 图2 1 3 不同偏置下多晶硅电阻器的电压噪声功率谱密度 合中心的作用，俘获或发射载流子，导致1 f 噪声的增加【9 】【3 l 】。但是，从前面的内 容可知，对于多晶硅器件而言，由于晶界作用，辐射诱生的多晶硅导电材料内晶 界的缺陷态密度对载流子的传输贡献很小，而辐射在晶粒内诱生的晶格缺陷相对 于材料内部的缺陷而言是微小的。因此，对于一定辐射剂量下的多晶硅电阻器或 t f t 的源漏沟道而言，1 f 噪声频谱变化很小。例如，多晶硅t f t 的沟道噪声可 以表示为【3 2 】 s i ( f ) = 号铲( v o 一_ 一争瑶 像1 4 ) s = 4 j j 丁c ：河( 形) ( 一) ( 2 1 5 ) 其中，曲u ) 和s 分别是多晶硅t f t 源一漏沟道1 f 噪声和热噪声。厂是频率，k 为 玻尔兹曼常数，丁为温度，a ，夕，艿为无量纲系数。口，夕，j 分别是从噪声功 率谱密度中提取的。如图2 1 4 所示，随着辐射剂量的增加，这些系数几乎没有发 生变化，这说明即使辐射剂量达到1 0 0 0 g y ( s i ) ，辐射对多晶硅t f t 的源漏沟道 噪声是没有影响的。 图2 1 4 多晶硅1 r i 可的沟道噪声及噪声频谱参量随辐射剂量的变化 1 4 多品硅导电材料辐射损伤噪声灵敏表征技术研究 2 3 41 f 噪声与多晶硅导电材料缺陷 研究表明，l f 噪声是与材料内部的缺陷密切相关的，缺陷的微小变化都有可 能引起噪声数量级上的改变【_ 7 1 。通过1 f 噪声的测试可以用于表征辐射引起的材料 内部的缺陷变化，并根据l f 噪声的变化来分析器件性能的退化程度，进行可靠性 筛选和表征。 多晶硅导电材料内的晶界处存在大量的缺陷，这些缺陷俘获和发射载流子， 改变晶界势垒高度和空间电荷区的宽度。载流子在通过势垒区和空间电荷区时， 受到晶界电荷缺陷和晶粒晶格的散射，引起载流子迁移率的涨落，材料内部与氧 相关的点缺陷及晶界处富集的各种缺陷将俘获和发射载流子，导致多晶硅导电材 料传输路径上自由载流子数量的涨落。而迁移率涨落和载流子数涨落两种机制是 引起1 f 噪声功率谱密度变化的原因。因此，l f 噪声是与多晶硅导电材料内部的 缺陷密切相关的。 2 4 材料与器件相结合的辐射效应研究方法 2 4 1 多晶硅导电材料辐射损伤与器件退化 随着航天技术、核能等高技术领域的迅速发展，越来越多的高性能半导体器 件需要在辐射环境下工作。空间辐射环境要求电子系统在极端苛刻的环境中工作。 辐射加速电子系统和材料的老化，并导致其电学性能的退化。而这些半导体器件 在辐射环境下性能的退化甚至失效主要是由于器件内含有辐射易损的材料结构， 如s i s i 0 2 界面，多晶硅与二氧化硅界面等。这些材料结构的损伤会导致器件性能 退化。例如，s i s i 0 2 界面损伤会导致m o s f e t 器件阈值电压漂移、迁移率减少或 光电耦合器件的c t r 降低漂移等。 2 3 节的研究表明，多晶硅导电材料内部存在特殊的结构晶界。虽然晶界 是缺陷富集的区域，也是噪声产生的根源，但是多晶硅内的晶界并非为辐射易损 部位。这是由于晶界的杂质分凝和载流子俘获机制，使得辐射诱生的缺陷对多晶 硅电阻器的性能退化影响较小。例如，多晶硅电阻器在注量为1x1 0 1 1 锄。2 的2 0 m c v a l p h a 射线辐射后，晶界界面态密度从4 4 8x1 0 1 2 c m 2 增加到5 0 2 1 0 1 2 锄之，增加 了1 2 ，而电阻率仅增加了5 3 。一般在辐射环境下，多晶硅导电材料对器件性 能退化并没有太大的影响。但是，在实际器件应用中，多晶硅导电材料一般都是 生长在场氧上，多晶硅与s i 0 2 的接触界面则是器件的辐射易损部位，尤其是多晶 硅的晶界结构使得界面变得更加不平整时，存在更多界面缺陷。也就是说，对于 多晶硅电阻器电流横向传输的器件而言，辐射诱生的缺陷对器件的性能影响较小； 而对于多晶硅t f t 器件纵向栅压控制的器件而言，辐射诱生的界面陷阱将导致器 第二章多晶硅导电材料辐射损伤表征原理研究 1 5 件性能的退化甚至失效。 2 4 2 材料辐射损伤噪声测试