（材料学专业论文）硅衬底辐照损伤噪声测试样品研究.pdf

摘要 摘要 硅半导体材料作为i c 主要的衬底材料，对其性能及辐照损伤的研究已有五 十多年的历史。随着微电子工艺的发展，对硅衬底材料提出了越来越高的要求。 但现有的研究方法均存在一定的局限性，迫切需要一种灵敏、快速、无损的研究 手段。基于低频噪声的表征技术即具有上述的优点，而被广泛应用于半导体材料 及器件的可靠性表征及寿命预测。 硅衬底材料的辐射效应主要表现为少子寿命衰减和多子去除效应。在硅单晶 太阳能电池中，硅衬底材料为器件的基区。本论文选用硅单晶太阳能电池器件， 对辐照前后的电学参数和噪声参数进行测量，发现硅衬底材料的辐照损伤与电池 的性能密切相关。实验发现，随辐照总剂量的增加，光电池的电参数与噪声参数 均发生变化并有较好的对应关系。电参数的衰减与基区的少子寿命密切相关，主 要表现为光电流减小，暗电流增加。噪声参数与势垒区的复合效应密切相关，主 要表现为频率指数基本不变，噪声幅值呈增大趋势。在实验的基础上，建立了硅 衬底材料辐照损伤的电学模型和噪声模型。 由上面的实验和理论分析，发现衬底对器件的性能有明显的影响。到目前为 止，关于1 f 噪声的理论和模型各不相同，但是都是建立在两个基本涨落机制基 础上，一个是载流子数涨落机制，另一个是载流子迁移率涨落机制。太阳能电池 辐照损伤可以用数涨落模型解释，因此研究衬底辐照损伤的载流子数涨落问题时 可以选用太阳能电池样品。为了考察衬底辐照损伤的迁移率涨落问题，本文设计 了衬底电阻样品。通过理论分析，发现衬底电阻样品的噪声参数与样品的掺杂和 几何参数密切相关。本论文主要从掺杂浓度和几何参数两个方面考虑样品的设 计。理论模型和样品的设计需作下一步的流片进行实验验证。 关键词：硅衬底材料辐照损伤太阳能电池低频噪声 a b s w a c t a b s t r a c t s i l i c o ns e m i c o n d u c t o ri st h em a i ns u b s t r a t em a t e r i a l ，t h ep r o p e r t i e sa n dt h e r a d i a t i o ne f f e c t sh a v eb e e nr e s e a r c h e df o rm o l et h a n5 0y e a r s b u tt h e r ea r ec e r t a i n l i m i t a t i o n si ne x i s t i n gm e t h o d s ，s ow eh a v ea nu r g e n tn e e df o ras e n s i t i v e ，r a p i d , n o n d e s t r u c t i v er e s e a r c ht o o l s l o w - f r e q u e n c yn o i s eh a st h ea d v a n t a g ea n dc a nb e w i d e l yu s e da st h ed i a g n o s t i ct o o lf o rq u a l i t yo fs e m i c o n d u c t o rm a t e r i a la n dd e v i c e l o w f r e q u e n c y n o i s e c a n a l s o b e u s e d i n t h e l i f e p r e d i c t i o n o f s e m i c o n d u c t o r d e v i c e i nt h i st h e s i s ，i nl o wd o s eg a m m ai r r a d i a t i o n ，ar e s e a r c ho nt h er a d i a t i o ne f f e c to f m o n o - c r y s t a l l i n es i l i c o ns o l a rc e l l i sp e r f o r m e d i nm o n o c r y s t a l l i n es i l i c o ns o l a rc e l l ， t h es i l i c o ns u b s t r a t ei st h eb a s eo ft h ed e v i c e e l e c t r i c a lp a r a m e t e r sa n dl o w f r e q u e n c y n o i s ep a r a m e t e r sw e r em e a s u r e db e f o r ea n da f t e rt h er a d i a t i o n t h r o u 【g hm e a s u r i n ga n d a n a l y z i n g ，i th a sb e e nf o u n dt h a tt h e r ei sas t r o n gc o r r e l a t i o nb e t w e e nt h er a d i a t i o n d a m a g eo fs u b s t r a t em a t e r i a la n dt h eq u a l i t yo ft h ec e l l s t h ee l e c t r i cp a r a m e t e ri s m a i n l yr e f l e c t e di nt h ep h o t o e u r r e n td e c r e a s e sa n di n c r e a s eo fd a r kc u r r e n t t h e d e g r a d a t i o no fm i n o r i t yc a r r i e rl i f e t i m ei nt h eb a s ec o u l db ea c c o u n tf o rt h ee f f e c t t h e n o i s ep a r a m e t e r sa r ec l o s e l yr e l a t e dt ot h eb a r r i e rz o n ea n dm a i n l yr e f l e c t e di nt h en o i s e a m p l i t u d e t h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n ta l s os h o wt h a tt h e r ei sas t r o n gc o r r e l a t i o n b e t w e e nt h el o wf r e q u e n c yn o i s ec h a r a c t e r i s t i c sa n de l e c t r i c a lp a r a m e t e r s ，w h i c h i m p l i e st h a tt h ef o r m e rc o u l db eu s e da san g wd i a g n o s t i ct o o lf o rt h eq u a l i t yo fs i l i c o n s o l a rc o i l b o t ht h ee l e c t r i cm o d e la n dn o i s ec h a r a c t e r i z a t i o nm o d e lo ft h er a d i a t i o n d a m a g eo f s i l i c o ns u b s t r a t em a t e r i a la r ep r o p o s e d s of a r , t h e1 fn o i s et h e o r ya n dm o d e li sn o tt h es a m e ，b u tb u i l to nt w om a j o r m e c h a n i s m s o n ei st h ec a r r i e rf l u c t u a t i o nm e c h a n i s m ，a n dt h eo t h e ri st h em o b i l i t y f l u c t u a t i o nm e c h a n i s m c a r r i e rf l u c t u a t i o nm o d e lc a nb ea c c o u n tf o rt h er a d i a t i o n e f f e c t so fm o n o c r y s t a l l i n es i l i c o ns o l a rc e l l i no r d e rt oi n v e s t i g a t et h em o b i l i t y f l u c t u a t i o nm e c h a n i s m ，s u b s l r a t er e s i s t a n c es t r u c t u r ei sd e s i g n e d t h r o u g ht h e o r e t i c a l a n a l y s i s ，w e v ef o u n dt h a tt h e r ei sas t r o n gc o r r e l a t i o nb e t w e e nt h el o wf r e q u e n c yn o i s e a n dt h es u b s t r a t ed o p i n ga n dg e o m e t r i cp a r a m e t e r s w i t hf o l l o w i n ge x p e r i m e n t s ，t h e t h e o r e t i c a lm o d e la n dt h ed e s i g n i n gs t r u c t u r ew i l lb ev e r i f i e d k e y w o r d s ：s i l i c o ns u b s t r a t em a t e r i a l r a d i a t i o nd a m a g es i l i c o ns o l a re e h s l o w - f r e q u e n c yn o i s 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： 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攥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：童l 垦日期2 1 1 ：2 ：! ! 导师签名： 聋盖 日期矽裾- 7 - z 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 继半导体耪辩律为站主簧豹嚣底耪辩，对其整裁及疆照援伤熬磷究已有五十 多年的历史。辕赘徽电子工艺的发展，器彳牛尺寸进入纳米尺度，封装向小墅化、 高密度化发展，使得衬底缺陷辩器件性能的影响增大，对硅衬底材料提出了越来 越麓的要求u “。 瑷今生产零绞错静荸鑫晕墨苓是阕嚣，毽在荸鑫审侥存在无数瓣结鑫缺陪。 这贱缺陷不仅包括室位、间隙原子、杂质原予等点缺陷，也包含了微缺陷。而且， 在芯片的加工工程中，也会引入缺陷。芯片加工的许多工艺( 如掺杂、蚀刻制版 等) 楚在辐照环壤孛透嚣熬。程宠残该工艺豹霹对，蕊篾受嚣不霹穗发戆辐射损 伤。这些缺陷及辐射损伤将对器件的性能产生影响l 受。 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 体嚣传震要在辊照环境中工纷。空间辐照环境使电子系统在极端苛刻鹣环境中工 作，籀照加速奄予系统帮材籽豹老纯，并鬈致电学佳能静送纯。因菇瓣半导体材 料辐射效应的研究具有现实意义【拯1 4 1 。 应用于半导体材料缺陷及辐射效应的研究方法有扫撒电子显微镜( s e m ) 、沟 遂一露教蕤、红终必谣( 双) 、毫子溪磁共振( e p r ) 、滚憩缀瓣态落仪( d 班s ) 和诚电子湮没( 辫披) 等技术，但都存在局限性。如扫描电子显微镜( s e m ) 技术， 要求样品制备得很薄，因为样晶对电子的吸收比较严重；沟道一背散射技术的主 要缺点是测量耱凌低；红外光谱( 双) 技术不韪直接确定能级、灵敏发低；电予 顺磁共振( e p r ) 按术所涉及盼仪器设备、实验技术及数据处理都穰复杂；深能级 瞬恣谱仪( d l t s ) 技术只能揭示材料的深能级分布状态；正电子湮没( p a t ) 技 术只能研究和揭示在小尺寸缺陷圈的状态及其运动过程。由于上述的研究技术都 存纛轰释各徉豹举足，露戮，缀有必要寻袋秘方镬、快速、灵敏纛完全菲酸舔 性的技术来表征材料的辐射效应。大量研究结果表明，熬于低频噪声的表征工具 即具肖上述的优点，且能敏感反映导致器件失效的各种潜在缺陷，已臼益成为半 导髂零君秘积器终霹纛蛙兹诊辑王其 6 - n 】。 尽管国步 在低频噪声在研究硅材料及器件可靠性方谣已有大量的论文发表， 并具有一定的应用前景，但由于国内低频噪声的研究起步较晚，因此这方面的研 究在隧内依然比较隧乏。 1 2 本论文主要研究内容 零论文的主鼹目的是在国内外已有的熬础上，尝试利用低频噪声对硅衬底材 2 硅衬底材料辐射损伤噪声测试样品研究 料的辐射效应进行研究，希望能找到低频噪声参数与辐照损伤之间的关系，建立 低频噪声表征硅衬底材料辐照损伤模型，并设计噪声测试样品对理论模型进行验 证。 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、研究内容及意义进行了概述。第二章为硅衬底材料辐射效应 及i f 噪声理论。本章介绍了阅读论文所需要的背景知识。第三章为硅衬底辐射 效应研究。设计实验，选用太阳能电池样品，对硅衬底材料辐照损伤及其对具体 器件的影响进行了研究。详细分析了辐照前后电参数的漂移、噪声参数的变化及 两者之间的相关性。第四章为辐照损伤表征模型和测试样品设计。在实验的基础 上，建立了硅衬底材料辐照损伤电学模型和噪声模型。在硅衬底材料辐照损伤表 征模型的基础上，初步设计了能灵敏反映衬底损伤的噪声测试样品。第五章简要 概述了论文的主要内容，并对下一步的工作进行了展望。 第二章继村底材辩辐射效成及噪声产生机理 3 第二牵硅衬廉材糕辐射效应及嗓声产生梳理 2 1 硅祷底材攀 基本概念 2 1 1 硅衬底材料结构及特性 孛雪藏楚器 孛制造熬基穑，糕瘫誊| 糕弱季雩嶷擞誓簸量对器释牲毙窍篷要豹影嘲。 幸雩浅材料鹣释类很多，弗置随着半辱倦技术的发展，还会不断爨现新的材料。 露髓，在生产和皮塌方面主嚣育三种类型：一怒元素半导体，如硅、锗；二是化 惫貔警学薅，窳瓣一v 族弱鞋一磁族纯会物警簿髂；三是绝缘嚣，麓夔宝五和灸 鼹蠢，疑串激磋辩凝应曩最广泛，产爨鼹大。 垂2 + t 硅原予襞捻零意瓣 辫2 1 可管黯睦材料具裔鑫刚石结稼，镱个缀予与旗近四个原予成键合，最外 羼孰遂舆霄四个徐电子，可默等透个瓣避潦子分享其馀电子，所以这群的一对袋 攀价堍予鼯共价键。在室温辩，这些款徐曦予棱局限程荚徐键上，灏戳不像金攥 嶷肖可以导电的自由电子。但是在较高的濑艘，热振动可能打断共价键，释出一 个岿内电子参与磐电。因此本征半导体材料猩囊温下的电性如同绝缘体一样，佩 农攥瀑辩藏_ 箨导藩一搀其毒巍萼逮注。秣嚣零援半导髂瓣毫导搴爨| l 主簧取决予杂 瓞。 张的纯学性壤比较稳定，其物理性能缀逡念 警必衬底材料。其曦阻率一般会 魏藩潺发、掺杂滚废、磁场强菠、党强度等鼹索焉改交，这静毫罄霉魏敏感度便 它藏为激鬟要黥奄予秘糕之一。产生这耱凝聚瓣缀零源嚣是糖耱懿穗子麓带绥拣。 酸糖籽的特性详凳表2 。lf 1 5 l 。 4 硅衬底材料辐射损伤噪声测试样品研究 表2 1 室温下硅的性质 性质 参数 原子量 2 8 9 晶体结构 金刚石 密度( c m 3 ) 2 3 3 介电常数1 1 9 禁带宽度( 1 1 2 本征载流子浓度( 原子c m 3 ) i 4 5 x 1 0 1 0 本征德拜长度( 1 lm ) 2 4 本征电阻率( q c m ) 2 3 1 0 5 晶格常数( r i m ) 0 5 4 3 0 9 5 原子密度( 原子c i n 3 ) 5 o x l 0 2 少数载流子寿命( s ) 1 4 1 2 电子迁移率( c i n w s ) 1 5 0 0 空穴迁移率( c m 2 v s ) 4 7 5 热容量( c a l g m o l ) 4 7 8 线性热膨胀系数( 4 ) 2 6 1 0 - 6 比热( j g ) 0 7 热导率( w c m ) 1 5 折射率 3 4 2 硅具有很高的折射指数，是个高反射率的材料，也具有光电效应。热膨胀的 本质是原子间的平均距离随温度的升高而增加。硅衬底与薄膜之间热膨胀系数的 差异是造成器件制造过程中热应力与位错产生的主要原因。 2 1 2 硅衬底材料相关工艺 任何集成电路的制造都离不开衬底材料一单晶硅。制备单晶硅有两种方法： 悬浮区熔法和直拉、法【”j 。 悬浮区熔法制各的单晶硅的电阻率非常高，特别适合制作电力电子器件。但 随着超大规模集成电路的不断发展，不但要求单晶硅的尺寸不断增加，而且要求 所有的杂质浓度能得到精密控制，而悬浮区熔法无法满足，因此，目前市场上的 单晶硅绝大部分是采用直拉法制备得到的。 首先要进行拉晶过程，拉制气氛由所要求的单晶硅性质及掺杂剂性质等因素 确定。之后性能合格的单晶锭还需要经过一系列加工成为单晶薄片才能作为器件 第二章硅衬底材料辐射效应及噪声产生机理 的衬底，供制造使用。制备这种单晶片的加工过程，统称衬底制备。要求采用的 加工方法不同，具体制备过程也有不同。图2 2 是硅衬底制备过程的一个例子f 蜘。 图2 2 硅衬底制备过程举例 衬底相关的集成电路工艺还包括光刻、刻蚀技术、氧化、掺杂和外延技术等。 其中掺杂有两种不同的工艺：1 、热扩散：用于结深、线条粗的器件；2 、离子注 入：用于浅结，细线条图形。离子注入工艺后需进行退火，以消除材料中的应力 或改变材料的组织结构，达到改善机构硬度或强度的目的。 2 1 3 硅材料及集成电路的发展 硅在自然界中分布含量排第3 位( 仅次于氧和氢) ，它占地壳部分所含原子总 数的1 6 7 ，地壳的主要部分是由含硅的岩层构成的。形成普通沙粒的二氧化硅 ( s i 0 2 ) 就是最常见的硅化合物。 在2 0 世纪时，世人发现硅具有半导体的性质。这些性质包括电阻率( 随着温 度的增加而递减) 、光电性( 光线使得硅的电阻率减小) 、热电效应、霍尔( h a l l ) 效应、磁电效应、半导体与金属接触的整流效应等。 1 9 4 7 年1 2 月2 3 日巴迪恩( b a r d e c n ) 、布拉顿( b r a t t a i n ) 及肖克利( s h o c k l e y ) 等人 于贝尔实验室发明了晶体管( t r a n s i s t o r ) ，正式开启了半导体时代的序幕。1 9 5 0 年， 蒂尔( t e a l ) 及里特尔( l i t t l e ) 两人将泽克拉斯基( c z o c h r a l s k i ) 于1 9 1 7 年发明的拉晶方 法，应用于生长锗及硅单晶上。这方法也成为现代生产高质量硅单晶材料的主要 方法。 在硅晶体管的发明之后，半导体界致力于硅原料的纯化上。虽然硅单晶已可 利用c z o c h r a l a s k i 方法获得，然而在c z 法中由于石英坩锅会受到硅溶液的侵蚀， 产生氧污染的问题。于是为了获得高纯度的单晶棒，亨利休里尔( h e l l r y w h 吼l r e l ) 于1 9 5 6 年发明了悬浮区熔法( f l o a t - z o n et e c h n i q u e ) 。f z 法因为没有使用容器来 盛装硅溶液，所以不会有氧污染的问题。在这时期内，利用c z 法及f z 法所产生 的晶体虽为单晶，但位错( d i s l o c a t i o n ) 却往往会出现在晶体中。后来在1 9 5 8 年， 6 硅衬底材料辐射损伤噪声测试样品研究 戴什( d a s h ) 发明了一种可以完全消除位错的方法( d a s ht e c h n i q u e ) 。因为有这 种产生零位错( d i s l o c a t i o n f r e e ) 的方法，才使得生长大尺寸晶棒成为可能。 在有了质量较佳的硅单晶之后，半导体的发展重心转到发展扩散掺杂技术 ( d i f f u s i o n d o p e dt e c h n i q u e ) 上。以此技术制造晶体管，可以比早期的合金技术 ( j u n c t i o nt r a n s i s t o r ) 达到更高功率与更高频率。这种扩散掺杂技术也于1 9 5 4 年 被用在制造大面积的二极管上。 1 9 5 8 年，基尔比( k i l b y ) 于德州仪器公司发明了集成电路，奠定了信息时代 来临的基础。在不到一年内，诺依斯( n o y c e ) 结合平面化技术及隔离技术，建立 了现代i c 结构的基本板。自从第一代i c 问世之后，半导体业的发展可以说是一 日千里，晶片上的电子元器件的密度与复杂性，也由小规模s s i ( s m a l l s c a l i n t e g r a t i o n ) 、中规模m s i ( m e d i u m s c a l ei n t e g r a t i o n ) 、大规模l s l ( l a r g e - s c a l e i n t e g r a t i o n ) 、超大规模v l s l ( v c r y - l a r g e - s c a l ei n t e g r a t i o n ) 、一直增加到今日的甚大 规模u l s i ( u l t r a l a r g e s c a l ei n t e g r a t i o n ) 。而集成电路的范围也变得相当广泛。 耳前用于半导体集成电路( i c ) 的衬底几乎全为硅单晶( 即硅晶圆) ，以i c 工业来看，硅晶材料具有价格低，强度佳，相关工艺技术成熟的优点，造就了硅 晶时代1 4 - 5 。 2 1 4 硅衬底材料质量及对器件的影响 对于衬底的材料，由于它们的结构、组成、获得的方法和难易程度，以及作 用各有不同，加上杂质、缺陷对器件制作工艺质量的不同影响，对它们的要求也 不完全相同。硅衬底材料选用的主要要求有： ( 1 ) 导电类型：例如一般硅外延片衬底和二极管选用n 型衬底，而l s i ，p i n 选 用p 型，晶体管则都可以； ( 2 ) 电阻率：要求均匀、可靠，一般在o 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 c l n 之间。不同器件对 电阻率的要求也不同。例如硅外延片衬底1 0 一3q c m ，而二极管是0 0 5 1 0 0 0 c w l l ； ( 3 ) 寿命：反映单晶中重金属杂质和晶格缺陷对载流子作用的一个重要参数， 与器件放大系数、反向电流、正向电压、频率和开关特性密切相关； ( 4 ) 晶格完整性：要求无位错、低位错，其他缺陷极少，特别是微缺陷； ( 5 ) 纯度高：微量杂质对硅性能影响很大，作用灵敏； ( 6 ) 晶向：对于双极型硅器件，一般要求 晶向，m o s 硅器件为 晶向； 此外，禁带宽度要适中，迁移率要高，杂质补偿度低等。 对于典型的p n 结隔离双极集成电路来说，衬底一般选用p 型硅。为了提高 隔离结的击穿电压而又不使外延层在后续工艺中下推太多，衬底电阻率选 舻1 0 0 啪，为了获得良好的p n 结面，减少外延层的缺陷，选用( 1 1 1 ) 晶向，稍偏 第二章硅衬底材料辐射效应及噪声产生机理 7 离2 0 5 0 。 随着半导体工业的发展，生产零位错的单晶早已不是问题，但在单晶中仍存 在无数的结晶缺陷。这些缺陷不仅包括空位、间隙院子、杂质原子等点缺陷，也 包含了微缺陷。 而且，在芯片的加工工程中，也会引入缺陷。芯片加工的许多工艺( 如掺杂、 蚀刻制版等) 是在辐照环境中进行的。在完成该工艺的同时，芯片受到不同程度 的损伤。这些缺陷及损伤对电子器件性能的影响详见表2 2 t 5 1 。 表2 2 缺陷对电子器件性能的影响 缺陷类型电子器件性能的影响 位错增加漏电流，降低少子寿命，影响双极增益 层错增加漏电流，降低栅氧化层品质，造成击穿 金属杂质增加漏电流，降低少子寿命，降低栅氧化层品质，影响双极增益 d d e f e c t s降低栅氧化层品质，造成击穿 a d e f e c t s增加漏电流，降低少子寿命，影响双极增益 氧沉淀 影响吸杂效果，影响力学性能，热施主的影响 2 2 1 辐射的基本概念 2 2 辐射效应的基本概念 ( 1 ) 辐射环境 半导体辐射效应涉及的辐射环境有空间辐射环境、核爆辐射环境、实验室辐 射环境和工艺辐射环境等四类。 一般宇宙空间的辐射主要来自宇宙射线、范艾伦带、太阳耀斑、太阳电磁辐 射和极光辐射等。范艾伦带是地球磁场俘获宇宙射线中的带电粒子而形成一个磁 致浓缩区，分布在地球周围。有内、外两层，内带以质子为主，外带以电子为主。 范艾伦带已成为航天器的主要威胁。 核武器爆炸形成的环境是由冲击波、光辐射、电磁脉冲、核辐射及x 射线等 构成的综合环境，是一种人为的、短期有效的恶劣环境。核爆辐射包括中子、放 射性微粒、y 和x 射线。对电子材料和设备的辐射损伤来说，主要是快中子、y 和x 射线。 实验室辐射环境是指用于模拟空间和核爆环境的某些辐射效应的实验室设备 所形成的辐射环境。模拟源能产生单一的( 或基本单一的) 辐射环境，条件可按需 要控制，而且重复周期短和花钱少，不仅可以进行效应模拟和机理研究，而且可 用于改进和完善试验技术及分析程序、积累数据。一般使用闪光x 射线机( 或直线 硅衬底材料辐射损伤噪声测试样品研究 脉冲电子加速器) 模拟核爆的剂量率效应，使用屯。辐射源模拟总剂量效应和使用 脉冲反应堆( 或稳态堆) 模拟核爆中子的效应。 金属钴经反应堆中子辐射后生成放射性同位素”c o ，一般密封在l m m 2 m m 厚 的不锈钢中，钴原子核在一次衰变过程中放出两个y 光子，其能量分别为1 1 7 m e v 和1 3 3 m e v ，y 射线穿透力强，射线在源中的自吸收很弱。”c oy 源一般可用于模 拟核爆y 累积总剂量对器件和电路产生的电离辐射损伤【1 4 】。 ( 2 ) 描述辐照效应的物理量 描述半导体器件和集成电路的辐射效应时，始终围绕中子注量、总剂量和剂 量率等3 种主要辐射来研究它们产生的效应，它们是核爆炸产生的主要辐射形式， 具体说明如下： 1 ) 中子注入：在给定的时间间隔内进入空间某点为中心小球体的中子数除以球体 最大截面积的商。它给出每平方厘米的中子数。 2 ) 总剂量：样品在受辐射期间内吸收的累积剂量。如处于稳态辐射环境，总剂量 等于辐射剂量率乘以辐照时间。 3 ) 剂量率：样品在单位时间内吸收的剂量。如处于脉冲辐射环境，剂量率等于在 一个辐射脉冲内样品吸收的总剂量除以辐射脉冲时间波形的半高宽。 其中总剂量和剂量率表示半导体器件或集成电路的y 辐照效应。中子注量表 示半导体器件或集成电路受中子辐射的注量所产生的效应。 2 2 2 材料辐射效应发展简史 早在5 0 年代，人们就发现了辐射对半导体的损伤，但没有给予足够的重视。 1 9 6 3 年发现人造地球卫星穿越范艾伦辐射带时，内部电子系统的晶体管因受辐射 而失效，这才引起人们对半导体辐射损伤的重视，并着手进行研究。1 9 6 5 年w a t l d n 成功地利用电子顺磁共振( e p r ) 技术测量了中子在硅单晶中产生的损伤缺陷；从 此，半导体辐射效应研究进入了系统深入的新阶段，并很快进入高潮。随着m o s 器件的出现和广泛应用，从7 0 年代初开始，研究的重点逐渐从双极性器件为中心 的位移效应转移到以m o s 器件为中心的电离效应方面。大规模集成电路出现之后， 由于集成度的提高和单元线度的缩小，又出现了许多新的辐射响应机制( 如单粒 子效应和光电流效应引起的闭锁等) ，进一步丰富和深化了半导体辐照效应的内 容。 ( 1 ) 国外情况 半导体材料辐照损伤的研究开始于2 0 世纪4 0 年代晚期。 2 0 世纪5 0 年代初，辐射效应主要研究各种材料在辐射场中性能变化。随着半 导体技术的发展，在各种辐射环境下半导体器件及电路的辐射效应研究广泛开展。 第二章硅衬底材料辐射效应及噪声产生机理 9 硅材料的辐射效应，y 总剂量辐射产生的永久性位移效应，y 瞬时辐射效应研究 都逐步有所报道。1 9 6 8 年美国出版了半导体辐射效应方面的第一部专著。 1 9 6 4 年，美国首先把有关辐射效应的内容从核和等离子体学术年会中分离出 来，召开了第一届全国性的核和空间辐射效应年会。到1 9 9 0 年，发展成为第2 7 届国际核和空间辐射效应年会。自此，这个会议就成为辐射效应的国际会议，每 年在美国举行一次。研究工作覆盖分立器件及集成电路的辐射效应和辐射加固。 随着辐射效应研究工作的深入，使新的问题不断的涌现。 辐射效应研究工作另一发展中心在欧洲。辐射效应研究主要集中在法国、英 国、德国和俄罗斯等国。 美国、法国和英国等在辐射效应试验方法和程序方面都制定了各自的军用标 准，得到广泛应用。 ( 2 ) 国内情况 国内辐射效应研究工作开始于2 0 世纪6 0 年代末，当时原电子部第1 4 研究院 在几次空爆下作了材料和器件的辐射效应试验，1 9 6 9 年中国工程物理研究院首次 在地下试验中作了半导体器件y 瞬时辐射效应研究，此后在多次核试验和模拟设 备上作了中子永久性位移效应、y 瞬时辐射效应和总剂量电离辐射效应试验。1 9 7 8 年由有关部委召集全国研究辐射效应的1 9 个单位的部分科研人员，对历次核爆环 境和实验室模拟源的辐射效应数据进行整理和总结，编写了电子元器件和集成 电路抗辐射技术资料一书。1 9 7 9 年核电子学与核探测技术学会成立，同时成立 了抗辐射电子学委员会，辐射效应研究工作已发展到科学院的一些研究所和大学， 材料、器件和电路的加固工作也相继展开。 截止到2 0 0 2 年，在全国范围召开了7 届抗辐射电子学和电磁脉冲学术会议。 从辐射效应机理、试验方法、器件和电路辐射效应和加固，到电子系统辐射效应 和加固、计算机模拟等都做了广泛的研究。 在辐射剂量测量、不同模拟源辐射试验方法和电子系统辐射加固等方面，建 立了一整套国家军用标准，使辐射效应研究工作在全国范围内逐步走向正规化和 规范化【“。 2 2 3 辐射损伤机理 辐射对于半导体材料作用的两个基本效应为位移效应和电离效应。 ( 1 ) 位移效应 位移辐照效应是指辐射粒子穿入固体物质，与晶格原子发生弹性碰撞，使原 子离开原来的晶格位置，产生间隙一空位及其复合体，改变材料的电学特性。半导 体材料中的位移辐射效应主要产生于半导体材料内部，这种损伤有时也称为体辐 l o 硅衬底材料辐射损伤噪声测试样品研究 射损伤( b u l k r a d i a t i o nd a m a g e ) 。位移损伤依赖于原子电离之外的能量损耗，即转 移给晶格原子的能量和动量，它们与入射量子的能量和质量有关。 位移效应的结果，破坏了晶格的势能，因而在禁带中形成了新的电子能级。 它不仅成为复合中心，而且也可以充当补偿中心、少子陷阶或散射中心，详见图 2 4 。所以位移效应实际上影响了半导体材料最重要的三个电参数，即：少于寿命， 载流子浓度和迁移率。 产生复金 陷获和发射 图2 4 缺陷能级作用示意图 1 、电导率减少； 电导率减少，通常认为是“载流子去除”过程，这意味着多数载流子被去除。 半导体材料受辐射粒子照射而引起位移效应后，由于产生了空位一间隙原于对在 禁带中形成了新的电子能级，它可以充当多数载流子的复合中心，从而引起半导 体中多数载流子的减少，这个现象称为载流子去除效应。p 型硅和n 裂硅都会们现 这种现象。 2 、散射中心使载流子迁移率下降； 3 、少于陷阱或复合中心的存在使少子寿命下降。 ( 2 ) 电离效应 电离辐射效应是辐射粒子进入物质，与物质内的电子相互作用，把自身的能 量传给电子。如果电子获得的能量大于原子的结合能，电子就会脱离原子核的束 缚，成为自由电子，原子也就电离成为离子。 电离效应主要导致材料性能发生瞬态变化，也可以在绝缘体材料内建立空间 电荷和在绝缘体半导体界面产生界面态，使表面器件性能发生永久性变化。 电离效应主要包括总剂量效应、剂量率效应、单粒子效应、剂量增强效应以 及低剂量率效应。前三者为主要效应，后两种实质为电离效应研究的发展。 第二章硅衬底材料辐射效应及噪声产生机理 1 1 2 3 1 噪声概述 2 3 噪声产生机理 半导体器件中的噪声，一般是按照物理机制的不同来分类的n 1 ，可分为热噪 声，散粒噪声，g r 噪声和1 f 噪声四大类，如图2 5 所示。 半导体器件噪声 低频噪声 ( 有色噪声) g - r 噪声 1 f 噪声 图2 5 半导体器件中噪声的分类 一般的频率范围内，熟噪声和散粒噪声的功率谱密度与频率无关，统称为自 噪声。其中，l l f 噪声与频率成反比，而g r 噪声则按1 ( 1 + f f d ) 规律变化( 其 中而为转折频率) ，称为有色噪声，但有时也统称为低频噪声。 热噪声起源于晶体中载流子的随机热运动，广泛存在于各种电阻性元器件之 中。热噪声的大小只与电阻和温度有关，即使器件没有电压和电流，也同样存在； 散粒噪声、g r 噪声和1 f 噪声则与器件的电流和外加电压有关，一旦电流或电压 消失，这些噪声也就不复存在。 散粒噪声起源于载流子跨越势垒的随机性，因此只存在于载流子运动受控于 某种势垒的器件中，如金一半接触的肖特基二极管，具有p n 结势垒的双极晶体管 等。m o s f e t 和j f e t 的载流子运动沟道中无势垒存在，所以基本上没有散粒噪声。 热噪声和散粒噪声是器件的基本工作原理决定的，从本质上看是不能彻底消除的， 而g r 噪声和1 厂噪声在很大的程度上是器件的杂质与缺陷引起的。从这个意义 上讲，低频噪声往往反映了器件内在质量和可靠性的优劣。 电子器件的噪声通常由白噪声，1 ，厂噪声和g r 噪声三种分量构成。其功率 漪 淹 声 噪 噪 噪 声粒 粒 逊 噪散 散 翰 散频 频 约 扩低 高 rjll厂j，l 声 声 噪 噪 粒 热 散 ，j、l 声噪白 声 声 噪 声 声 噪 肼 噪 噪 ” 本 合 发 本 基 复 猝 基 非 r，、【广、l 硅树鹰耪料辐射损伤噪声测试样品研究 谱密度霹写或隽： s 汐) = a + s t f r + e + 汐，五p j ( 2 1 ) 共有六个表征参数，郄舀噪声的幅度a ，1 f 噪声的幅度昱和频率指数豳予y ， g - r 噪声的幅度c 转折频率丙和指数因子口。不同的噪声分量以及各个分凝的不 同袭征参量往往具有不同的物理意义，对应于器件的不同结构特征和缺陷擞。因 此，从实测噪声频谱中分离出各种噪声分虽，并精确地确定各个分量表征参数的 假，是对器件进行噪声物理分析的前提。 2 3 2l 理噪声产生机理 广义主诱，压是功率谱密爱毒鬏搴成爱魄懿隧鼹涨落瑗象鹭霹称必i f 曝声。 毫予器 孛孛i f 骧声电压凄率溪密发阿戳霉残竣下影式： s ( ，) 一4 2 9 尸 ( 2 2 ) 式中，i 为通过器件的电流；f 为颤露；参数a 由器件结构特性决定；y 为颥率指 数；b 为电流因子。 根据范德齐尔的理论推导 1 1 】，电子器件中的1 f 噪声分为基本1 f 噪声和非 蒸本1 f 噪声两类。位于导电沟= i 踅、掇间电荷区、表面氧化层等处的陷阱中心对 裁流予的随机俘获和发射，将引起器件中载流子数的涨落，从而产生1 f 嵫声。 在可比的条件下，这种1 f 噪声的大小取决予陷阱密度的多少，随着陷阱密度蟾 不阉，可在一个较大的范国内变化，霹艇在本质上是不可潜除的，故成为繇罄本 1 f 噪声。各静敖瓣过程兹随橇後将弓| 麓耢辩或器终孛黪迂移率涨落，毽会霉 怒 1 f 礞声。对手苓霹类型戆耪瓣域不溺绫橡豹器箨，这耱1 f 磉声应爨鸯大舔稳 弼的强度，两盈麸本质上看跫不能消除的，故称为 # 基本1 f 噪声。西泼预料， 实验中测试得到的1 f 噪声为非基本1 f 噪声。 从金属膜电阻到半导体器件的所肖电子元器件中都观察到了1 f 嗓，因此人 们认为在1 f 噪声背后一定隐含着一种撼本的统一机制。到目前为止，关- 7 - i f 噤声的理论和模型各不相同，但是都嫩建立在两个基本涨落机制基础上，一个是 裁流予输涨落机制，另一个是载流予迁移率涨落机制。前者是m c w h o r t c r 弓i 入的， 厢者建立在h o o g e 经验公式基础上。 l 、载瀛子数涨落机制 1 9 5 7 年，m c w h o r t e r 提出了袭磷载滚子数涨落辊，霹半导诲懿1 f 臻声豹 怒霾善次雩# 了舞释，毽获为这耪涨落怒瘫半导体罢豢或徐豢熬载滚子逶：；篷醚邋贯 穿与表蘑氧纯层中的陷辫相互终雳雩| 越豹。实验证明，经予半导体一氧纯物爨蕊 附近几个纳米范围内的氧纯层中的陷阱与半导体体内交换载流子的时闻常数，可 第二章硅衬底材料辐射效应及噪声产生机理 1 3 在一个相当宽的范围内分布。已测得的范围达1 0 - o 至1o ，秒，这个范围正好与观测 的1 f 噪声的频率( 1 0 。h z 1 0 h z ) 相一致。 氧化层陷阱可与半导体体内交换载流子，直接引起半导体导带电子或价带空 穴的涨落。对于m o s f e t ，氧化层陷阱电荷涨落通过调制表面势，引起沟道载流子 数的涨落，并通过调制库仑散射引起沟道迁移率的涨落，从而导致沟道电流的涨 落。对于结型器件，氧化层陷阱电荷的涨落通过调制表面复合速度，引起表面少 数载流子数目的涨落，从而导致少数载流子电流的涨落。这就是表面l f 噪声的 形成过程。 2 、迁移率涨落机制 1 9 6 9 年h o o g e 总结了各种金属和半导体电阻中1 f 噪声的测量结果，提出了 一个著名的经验公式【1 8 】 墨( f ) 1 2 = s r ( f ) r 2 = 口“刀v ) ( 23 ) 式中，i 是通过样品的电流；r 是样品的电阻；n 是样品中的载流子总数；口一是由 材料特性决定的的胡格系数。显然，胡格公式描述的1 f 噪声是一种体效应。大 量的实验结果表明，口在1 1 0 - 3 9 1 0 - 3 之间，因而具有普适性。 在分别用体迁移率涨落模型和表面载流子数涨落模型对许多具体材料和元器 件进行计算，同时对比实验结果发现：通常这两种机构同时存在，在大多数情况 下，只有通过改变器件结构或改善表面状况，使表面载流予数涨落引起的i f 噪 声降低到可以忽略的程度以后，迁移率涨落才成为1 f 噪声的主导机构。 2 3 - 3 低频噪声诊断半导体器件可靠性 电子器件的失效可分为早期失效和使用期失效，前者多是由设计或工艺失误 造成的质量缺陷所致，可以通过常规电参数检验和筛选进行检测。后者则是由器 件中的潜在缺陷引起的。潜在缺陷的行为与时间和应力有关，在器件工作初期和 正常工作应力条件下，几乎显不出对器件性能的影响。只有在长时间工作之后或 是在过应力的作用下，才会引起器件性能的变化或退化。 随着电子器件朝着高性能、小尺寸和长寿命方向发展，传统的寿命试验可靠 性评价方法的局限性日益显著。近年来，大量研究结果表明，对于大多数电子器 件，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、快速和非破坏性的突出优点，正发展成为一种新型的电子器件可靠性表征 工具【1 ”。 其中，衬底的类型、大小、工艺等参数将对器件噪声产生不同的影响。2 1 ，具 体讨论如下： ( 1 ) 衬底晶向的影响 1 4 硅衬底材料辐射损伤噪声测试样品研究 图2 6 是在相同结构和工艺条件下，衬底晶向不同的双极晶体管的噪声特性， 以表现衬底晶向对双极晶体管噪声的影响。 n f 测试条件：r s = l k o ，v c b = 3 v , i c = 1 0 c l 肛a 。 皂 才 图2 6 衬底晶向对集成双极晶体管低频噪声的影响 ( 注：( 口) 是( 1 0 0 ) 晶向；( o ) 是( 1 1 1 ) 晶向) 由图2 6 可以看出，衬底晶向不同对双极晶体管噪声的影响非常显著。 ( 2 ) 衬底缺陷的影响 衬底硅片的缺陷也会直接影响到器件的噪声。选用原生缺陷少的衬底硅片已 成为获得完美晶体工艺，消除或削弱衬底材料缺陷对器件噪声影响的主要措施之 一 浓磷背吸除可以利用磷与硅之间原子半径的不匹配在硅片背面诱生大量重金 属磷化物以及失平配位，来吸除硅片体内和正表面的金属杂质、位错和层错。图 2 7 表现的就是浓磷背吸除前后批量n p n 晶体管噪声系数的分布情况。( a ) 图是未 吸杂前器件( 共4 2 7 个) ，( b ) 图是吸杂后器件( 共4 2 6 个)