（材料物理与化学专业论文）pn结材料辐射损伤噪声灵敏表征方法研究.pdf

摘要 摘要 p n 结是双极型器件的基本结构，这种结构的抗辐射能力将直接影响双极型器 件在辐射环境中的可靠性。因此迫切需要对p n 结材料辐射损伤效应进行深入研究， 并提出一种表征技术用以评价双极型器件的抗辐射能力。噪声与材料及器件的内 部缺陷密切相关，使用噪声有望能够实现对双极型材料辐射损伤的表征，进而发 展成为双极型器件无损评估的工具。 本论文深入研究了p n 结材料的辐射损伤机制及噪声产生机制，发现双极型器 件经1 ，总剂量辐射后，表面损伤和体损伤均存在，并以表面损伤为主。根据材料与 器件相结合的辐射效应研究方法，分析比较了p n 结材料的易损部位，提出测试结 构的设计原理，完成了不同结构辐射易损测试结构的设计。针对实验样品设计了 辐照实验，测量辐照前后电学参量和噪声参量，验证了设计样品的正确性和抗辐 射性能；对比电学参量和噪声参量的实验结果，优选出噪声灵敏表征参量。基于 p n 结器件l f 噪声模型，引入辐射损伤机制，建立了材料辐射损伤的噪声表征模型。 以噪声表征模型为基础，初步提出p n 结材料的辐射损伤噪声灵敏表征技术。 本文基于p n 结材料的辐射损伤机制和1 f 噪声模型、辐射损伤一参量测试实验 样品设计及其测试结果，优选了噪声灵敏表征参量，提出了p n 结材料辐射损伤噪 声灵敏表征技术，为运用噪声表征p n 结材料、工艺和双极型器件的抗辐射能力提 供了一种快速、灵敏的表征方法。 关键词：p n 结辐射损伤噪声表征技术 a b s t r a c t p nj 1 1 i l o nl st h eb a u s i cs 觚l c n l i - ci nb i p 0 1 a r d c v i c e s ，觚d 也er a d i a t i o nt o l e r a n c eo f t h i sg 呱c t u r eh a v ed i r e c t i m p a c t s0 n 。n l er c l i a b i l i t yo fb i p o l a rd e v i c e s0 p e r a t e di i l r a d l a t l o ne n v i r o l l i n e i l t t h e r c f o r e ，i n d 印mr e s e 砌o nt l l e r a d i a _ t i o ne 骶c t so fd n j u n c t l o n 姐dt ot i n dac h 张烈e r i z a t i o nt e c l l l l i q u ew t l i c hc 锄b eu s e dt oe v 以u a t et l l e r a d l a t l o n t 0 1 e 撇c eo f b i p o l a rd e v i c e sa r en e e d c dw g e n t l y n el o w 疔e q u e n c y n o i s ei s d l r c c n yr e l a t e dt ot h ei n n e rd e f - e c t so fm a t 硎a l sa l l dd 刚c c s ，s on o i s ei se x d e c t e dt 0b e u s e da sa p 娥吼e t e rt 0c h 蹦衙面z et 1 1 er a d i a t i o nd 锄a g ei 1 1p nj l l i l c t i o nm a t 鲥a 1 ，a n dt 0 b e c o m eau s u a ln o n d e s t m 嘶v e 钾a l u a t i v e d e v i c e s t o o lf o rt l l er a d i 撕彻t 0 1 啪n c eo ft h eb i p 0 1 a r 1h er a d l a 乜o nd a m a g em e c h 觚i s m s2 u l dt h en o i s eg 饥锄匝o nm o d e lf o rp n 1 】i l c t i o n m a t e n a l sw h i c ha r ew i d e l yu s e di ns e n l i c o n d u c t o rd 嘶c e s 觚d i n t e g r a t e dc i r c u i t sw 嬲 d e 印l ys t u d i e d ，b o t hb u l kd 锄a g ea i l d 汕f a c ed a m a g ee x i s ti np n j u n c t i o n 咖叽l r 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u i l 砸o nd e v i c e s ，an o i s e c h a r a c t 嘶z a t i o nm o d e lf 缸r a d i a t i o nd 锄a g eo fp nj l l i l 砸o nm a l 萌a 1w a s p r o p o s e db y 删d u c m gt l l e 棚l a t i o nd a m a g em e c h 趾i s mi n1 fn o i s em o d e l i n g f i n a l l y ，b a s e do nt 1 1 e n 0 1 s ec n 盯a c t e n z a 乜o nm o d e l ，t 1 1 en o i s e s c i l s i t i v ec h a r a c t 缸z a t i o nt e c l “q u ef o r 僦i 撕0 n d a n l a g eo fp nj l l n c t i o nm a t e r i a lw 嬲p r o p o s c d j nt h i sp a p t h ：r o u 曲t 1 1 em o d e l i n g 内r 黝出撕o n d 锄a g ea n dn o i s eg e l l a t i o ni np n j u i l 0 nm a t 嘶a l ，t h ed e s i 印o f 础a t i o nd 锄a g e p 躲l i n e t e rt e s ts 锄p l e s 觞w e l l 嬲t h e e x p e n m e n tr e s u l t s ，n o l s es e n s i t i v ec h a r a c t 面z 撕o np a r 锄e t e ri sc h o s e no 砒，an o i s e s e n s l t l v ec h a r a c t e n z a t i o nt e c h n i q u e 研r a l d i 撕o nd a m a g ei np nj u n c t i o nm a t 谢a jw a s 舯p o s c d ，i tp r o d u c c san e 、) l ，m e t l l o df o rm e 刚i 撕0 nt 0 1 黝c c 钾a l u a t i o no ft h ep n j l l n c 廿o nm a t e n a l ，t e c h i l o l o g y 孤dd 州c c s b a s e d0 nn o i s em e 笛u r 锄髓t r a d i a 6 0 nd a m a g e n o i s ec h a r a c t e i i z a 廿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：鲢日期至竺：z ：量：i 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：送二l 导师签名： 日期少尹工7 日期型埘 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 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 体器件在辐射环境中工作。空间辐照环境使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，并导致电学性能的退化，从而造成电子系统功 能退化。因此对半导体材料辐照效应的研究具有现实意义【l 】。 p n 结是许多微电子和光电子器件的核心部分。这些半导体器件的电学特性及 光电特性由p n 结的性质所决定，而这些器件在辐射环境下将出现辐射损伤导致性 能退化，其根本原因是辐射在p n 结内引入缺陷。为了更准确地评估器件的可靠性， 必须将双极型器件的性能退化与p n 结材料辐射损伤、缺陷产生微观机制相结合， 建立既可用于材料辐射损伤，又可用于器件辐射效应的表征方法。 应用于半导体材料缺陷及辐射效应的研究方法有扫描电子显微镜( s e m ) 、沟 道背散射、红外光谱( 取) 、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，但在实际中都存在一定的局限性【2 】。如扫描电子显微 镜技术要求样品制备得很薄，因为样品对电子的吸收比较严重；沟道背散射技术 的主要缺点是测量精度低；红外光谱技术不能直接确定能级、灵敏度低；电子顺 磁共振技术所涉及的仪器设备、实验技术及数据处理都很复杂；深能级瞬态谱仪 技术只能揭示材料的深能级分布状态；正电子湮没技术只能研究和揭示小尺寸缺 陷团的状态及其运动过程。这些技术都不能预测材料和器件的抗辐照能力。因此， 很有必要寻求一种方便、快速、灵敏且完全非破坏性的技术来对半导体的抗辐照 能力进行评估。而大量研究表明，基于低频噪声的表征工具既具有上述优点，又 能敏感反映导致器件失效的各种潜在缺陷，日益成为半导体材料和器件可靠性的 诊断工具【3 川。 尽管国外在低频噪声用于p n 结材料及器件可靠性方面的研究已有大量的论文 发表，并已经有一定的应用研究，但是国内电子材料低频噪声的研究起步较晚， 这方面的研究在国内依然比较匮乏。 1 2 课题研究内容及论文结构 本论文的主要内容是在国内外相关研究的基础上，根据国内双极型器件和p n 结材料辐射损伤研究的需要，优选表征这种材料的噪声灵敏表征参量，建立噪声 p n 结材料辐射损伤噪声灵敏表征方法研究 灵敏表征方法；采用理论模型研究与实验经验模型研究并行并互相补充、互相验 证的方法，最终建立p n 结材料辐照损伤与噪声参量表征模型，应用噪声灵敏表征 技术对p n 结材料的可靠性作出评估。 为此，本文将分为五章对论文主题进行阐述，各章内容安排如下。第一章对 本题的研究背景、研究内容及意义进行概述。第二章提出p n 结材料辐射损伤表征 原理，给出p n 结材料中缺陷与双极型器件性能之间的关系，并介绍材料与器件相 结合的辐射效应研究方法。第三章为p n 结材料辐射损伤灵敏表征参量研究。其中 包括测试样品的设计、研制、辐照实验的设计、辐照前后电学参数和噪声参数变 化相关性分析讨论及噪声灵敏表征参量的优选。第四章为p n 结材料辐射损伤噪声 表征技术，包括灵敏表征技术概述，1 f 噪声辐射损伤表征模型的建立和表征方法 研究。第五章简要概述了论文的主要工作及结论，并对下一步工作进行了展望。 第二章p n 结材料辐射损伤表征原理研究 第二章p n 结材料辐射损伤表征原理研究 2 1p n 结的器件应用 2 1 1p n 结与双极型器件结构 p n 结是很多半导体器件如结型晶体管、双极型集成电路的心脏。讨论p n 结的 性质具有很重要的实际意义。首先p n 结本身就可称作二极管，可用来实现整流和 开关等功能；其次p n 结是大多数半导体器件的基本机构，如b j t ，m o s f e t 、j f e t ； 对p n 结的分析方法可以应用到其它器件上【引。 下面简要介绍p n 结的基本概念。采用半导体工艺技术，在一块半导体材料内 形成共价键结合的p 型和n 型区，其界面及其两侧载流子发生变化的区域称为p n 结。p n 结的形成技术有很多种，目前采用的主要有离子注入、化学气相沉积、扩 散、硅片直接键合等。而目前主流的技术还是平面扩散工艺，典型的p n 结二极管 工艺过程如图2 1 。 图2 1p n 结二极管的形成示意图 p n 结的掺杂分布以其工艺方法确定，分为掺杂均匀分布的突变结和掺杂浓度 缓慢分布的缓变结。而平面扩散工艺形成的p n 结由于其杂质从p 区到n 区是逐渐 变化的，也属于缓变结。 j 卫： j 卜一： oeo e0 e固固l 国o 固 口。口口 i 999 go e 固。l 曾譬雷管 99 99 09 。国l 曾譬譬譬 9e ee0eo o l 譬粤粤粤 口口口口 p 区 一强 一v ：l l 臣k n 区 图2 2 空间电荷区形成过程 口窒穴 电子 0 施主 e 受主 4 p n 结材料辐射损伤噪声灵敏表征方法研究 从图2 2 关于空间电荷区的形成过程可以得出这样的结论，1 ) 在热平衡方程 中，p n 结区是空间电荷区，也被称作耗尽区或者势垒区；2 ) 空间电荷区的宽度 形= + z p ；3 ) 对于一个单边突变结而言，整个空间电荷区主要扩展到结的低掺 杂区。面结伏安特性曲线如图2 3 所示，v d o 的部分称为正向特性，v d 髓嗽疆v o l 戳g e ( v ) 图2 7 n + p 二极管电子辐照前后i - v ( a ) 和c v ( b ) 特性变化 3 ) 噪声特性 对于含高间隙氧的c z 衬底，辐照后噪声谱密度总体没有增加，但是噪声幅值 很大，这是因为辐照引起的噪声增加比其初始本体噪声小得多。由于f z 衬底初始 本体噪声较低，辐照后噪声谱密度明显增大，且增大到与c z 晶片的噪声谱相当。 这与载流子寿命实验得到的规律很致【2 6 1 。噪声由于载流子生成与复合速度加快 而出现变化。 p 函a v譬oz扣-二)u 第二章p n 结材科辐射损伤表征原理研究 窖 苫 。 耋 薹 嚣 童 皇 6 bsc咔lol e 1 1 粕m t v 刖咖n 啪枷啊国 f z o 豫砷_ “_ o 口仍7 脚 o1 瓢珊1 7 ： 厶t 7 7 棚7 o m 一翻 咎 o 吐髓a 占 t l j 薯1 7 n 9 理i ， 耋 孵囊艄 暑 h 呐o i s t hl 乳锄 1 ，争囊豇7 1 x l i 1 融， 蕾蕾姗 u “i 5 计l o l e + l 】 0 6m t vp r 呻n 雌髓l 聪嘲2 ， 图2 8 载流子寿命和质子注量的关系图2 9 载流子寿命倒数与质子注量的关系 4 ) 理想因子 理想因子也可以反映材料内部的缺陷水平，理想情况下理想因子为1 ，该值与 1 偏离越多说明材料中缺陷越多【1 5 1 。对于高氧含量未经处理的c z 衬底，它的理想 因子在辐照前和辐照后都是最坏的，为1 1 8 偏离1 有将近2 0 ，表明体内原有缺 陷占主导作用，辐照诱导缺陷作用不明显。辐照后其它类型衬底的理想因子出现 很明显的增加，p 型f z 衬底材料的理想因子辐照前后变化最大，增加1 0 以上。 p n 结的辐射损伤不仅与辐照条件( 如能量、注量、温度、偏置状态等) 有关， 还与硅材料初始材料性能有关，如掺杂类型，掺杂浓度，氧空位数量等。下面分 别讨论这些参数与辐射损伤的关系。 ( 1 ) 衬底晶格生长和初始氧空位 二极管采用不同的衬底类型( 如c z ，f z ) 和外延层制作，而掺杂浓度和初始 氧空位浓度都不同。在c z 和f z 中的氧含量大小对二极管性能影响有很大不同， 表现为c z 衬底的寿命损伤系数和漏电流损伤系数比f z 衬底的损伤系数小2 5 倍。 对于n 型和p 型f z 硅k ，和足。满足恒定比率，两者可以相互推导得出。高能质 子辐照下，k ，和k 。两个损伤系数关系如此紧密，基本原因是引入相同的深能级缺 陷，此缺陷控制正向偏置下的复合过程和反向偏置下的生成过程。对于n 型材料非 大注入水平，双空位能级是寿命减少的主要原因。对于p 型硅同样适用，只是并不 直观。在p 型和n 型f z 材料中双空位中心的产生率是十分相近的，这说明两个损伤 系数足，和k 。值大小十分相近。 相对于f z 衬底，c z 衬底表现出完全不同的性质。因为辐照前的电学参数主要 受氧沉积引入的缺陷控制。高能质子辐照后，这些缺陷仍然存在。所以漏电流损 伤因子随初始氧浓度表现出强烈的变化。这是因为，( 1 ) 辐照后引入的缺陷近似 等于间隙氧空位，所以寿命模型需同时考虑氧空位和辐射诱导缺陷，( 2 ) 有效g r 能级随辐照注量变化，更接近禁带中心。( 3 ) k ，和k 。值很分散，没有恒定比率。 1 2 p n 结材料辐射损伤噪声灵敏表征方法研究 ( 2 ) 衬底类型和掺杂浓度 表2 1 辐照前后自由载流子寿命 s 叠l n 芦l ts 蜘p i 皇s 0 m 讲t d td ：匐i b c f o f c 箱8 泌1 0 辫嶂1 2 巧嶂 ! 翌型! 墼i 望旦。 纽l = z 一。i ! 互l 。一幽2 2 。 l 册球戤c d 3 勉嶂1 0 1 7 陋1 5 昝s 糯觚增湘慨h f - 1 ) ( 阻0 9 t 亩。l 复臼 c g 岫d c i l t 舀a 嘲脚 轴r d 雌g l i a n o i 亡 2 7 峭 租1 0 峨1 1 ) 0 驰，雌 ( o 0 鞲7 玉 1 4 扯s 帆眠) 辐照后p n 结样品自由载流子寿命均降低，但辐照通过正极的样品少子寿命降 低的较多；衬底高掺杂的二极管载流子寿命降低的更多；n 型衬底二极管载流子寿 命的退化比p 型衬底二极管退化严重。 辐照后p n 结样品正向压降都增大，n 型衬底二极管比p 型衬底二极管显著；p 型衬底二极管随着衬底掺杂浓度的增大，其正向压降也随之增大： 大注入水平下，从正极辐照的样品正向压降增大的较多。室温下测量，在不 到1 0 0 v 的小电压下，辐照后反向电流都基本不变；辐照负极的样品，n 型衬底样 品反向电流不变，p 型衬底二极管反向电流稍有增大；辐照正极的样品，反向电流 都增大，高掺杂p 型衬底二极管更显著；1 0 0 摄氏度下测量，通过正极辐照的样品 中引入更多的表面态，反向电流增加幅度很大【l 8 1 。 o o s o o o o o 2 0 0 1 0 0 o 图2 1 0 电子辐照前后反向电流的变化图2 t i 不同辐照温度下反向电流的变化 ( 3 ) 不同材料和工艺 对于不同材料制成的p n 结材料，其抗辐照特性有明显差别。如化合物( 如砷 化镓、碳化硅) p n 结太阳能电池的抗辐射能力就要比硅p n 结太阳能电池强很多【1 8 】。 而不同的工艺对辐照效应也很敏感，如制作开关二极管时采用点接触工艺，较之 平面工艺制作的硅整流二极管丽言，它的总剂量效应较小，在较高的总剂量辐射 下，开关二极管的正向压降和反向电流变化很小【l 】。 双极型集成电路广泛应用于航天、核反应堆等具有涉及辐射的领域。研究表 明，双极型电路电离辐射效应表现为电路稳定性降低，其主要原因在于电离导致 双极晶体管的增益退化。因此，研究双极晶体管的辐射效应有重要意义。 由于双极晶体管由两个p n 结组成，明确两个结在辐照过程中的损伤机制便于 _气一t，吾。璺奎，芒 囊童7童s鼻3 2 ， o o d o o o 口o o ，一馨暑吞一lte 第二章p n 结材料辐射损伤表征原理研究 我们解释其性能退化机理。 以双极晶体管来讨论其辐照损伤机理。 双极晶体管经电离辐射后增益退化主要是基区电流厄增大引起的 3 4 。3 8 】。为便 于讨论晶体管的辐射效应，把如分成两部分，即体成分( 如b u i l 【) 和表面成分( 五 汕妇) 。电流增益脓达式如下 0 = l c | ib = i c | ub h 峨+ ib 岛。铀3 ( 2 一、q 、) 其中昆为集电极电流。基区发射射极结( e b ) 附近的表面复合电流五。觑。 对电离辐射损伤最敏感，是辐照诱导的过剩基极电流的主要成分。表面复合电流 表达式可表示为 11 厶棚枷芘寺瞩w ( ) 靠，e x p ( ( 2 1 1 ) 二二r r 其中g 是电子电荷电量；啪x ) 是在表面处与氧化物正电荷相关发射极基极耗 尽层宽度的变量；岛为表面复合速率，与快界面态有关；为基极发射极电压。 研究结果得到以下结论：在总剂量辐射环境中，n p n 晶体管的性能比p n p 晶体 管的退化严重；有高掺杂基区环的双极管没有这种环( 特别是n p n 晶体管) 的双极 型晶体管的抗辐射能力强；器件的发射极周长与面积比越小，对总剂量辐射愈不 敏感；集电极的偏置不影响增益的退化；发射极反偏置是总剂量辐射时最坏的偏 置条件；基极发射极电压越高，辐照后基极电流增加愈大，增益降低愈多；在较 低辐射剂量范围内，多晶硅发射极双极型器件比单晶硅发射极双极型器件抗总剂 量辐射能力强，但在大剂量下，它的能力可能降低；在较低辐射剂量率下，其增 益退化更大。 2 3 2 双极型器件辐射1 f 噪声变化 关于二极管辐照和噪声相关性的文献中【3 4 d 7 1 ，s i m o 朗等人对于测量的噪声参 量做了全面的讨论。作者认为辐照前噪声谱可以定义为低频1 f 噪声和散粒噪声之 和。而辐照前1 f 噪声的经验模型可以表示为s ，( 厂) = c ，p 声，c 为经验因子，p 为电流指数，典型值为1 5 2 ，为频率指数，大小在o 6 1 3 之间。 文章表明工艺过程中引入的缺陷可以扮演低频噪声源。而对于不同类型衬底 制作的二极管而言，它们的噪声水平有很大差异。表2 2 中指出，理想因子m 和 低频噪声之间有很强的关系。我们发现在相同偏置电流下，较大的噪声水平显示 的m 较大。对于双极晶体管也发现同样的关系。且频率指数因子和理想因子也有 较强的关系，表现为对于相同电流情况下，理想因子越大频率指数因子越小。 1 4p n 结材料辐射损伤噪声灵敏表征方法研究 表2 2 理想因子和噪声参量的关系 众多研究学者表明，在复合电流主导机制下，p n 结理想因子接近于2 ，主要 噪声源是二极管中圆台边界处的载流子复合贡献1 阡噪声和与本征陷阱能级相关的 g r 噪声。而在扩散电流主导机制下，理想因子接近于1 ，噪声主要源于p + n 结空 间电荷区的迁移率和扩散率的涨落。通过对电流和噪声数据的分析可确定界面态 密度和胡格常数，表征二极管的表面和体内质量。 图2 1 2 不同偏置下噪声功率谱与频率的关系图2 1 3 电流噪声与电流的关系 图2 1 2 和图2 1 3 为二极管噪声功率谱密度随正向偏置电流的变化曲线。经作 者分析，在小电流偏置下，即处在复合机制下，此时1 0 h z 点频值与电流里平方关 系：而在扩散机制主导下，1 0 h z 点频值与电流近似呈线性关系。 而二极管在经过不同辐照源辐照后，噪声参数也发生明显变化。对于质子辐 照而言，如图2 1 4 所示，质子辐照后硅二极管叠的明显增加。文章中图2 1 5 指出， 辐照前f z 二极管的电流指数值接近2 ，而频率指数稍大于1 ，且随着正向电流 的增加还可发生微小变化。转折频率和二极管正向电流成正比例；质子辐照后转 折频率随着正向电流增加更快，值减小为1 5 。 对于电子辐照而言，文章表明c z 衬底的二极管的低频噪声谱在电子辐照前后 没有发生变化。频率指数和转折频率随正向电流增大。对于f z 二极管而言，闪烁 噪声在电子辐照后减小( 帚1 0 衅) 。进一步说，频率指数随着辐照缓慢增加，对于 1 0 衅而言从0 9 增大到1 2 ，而电流指数在2 m e v 辐照后明显减小，从1 5 2 减小 到1 2 1 。 第二章p n 结材料辐射损伤表征原理研究 1 5 f 弛q 婀刖净h 誊 毒 f 啪，州a i r n 曩l ，i l 图2 1 4 质子辐照后噪声随电流的变化关系图2 1 5 不同质子辐照点频值和电流关系 2 3 31 f 噪声与p n 结材料缺陷 电子器件的噪声通常由白噪声，1 f 噪声和g r 噪声三种分量构成，其功率谱 密度可以写成 m 号+ 竺 ( 2 1 2 ) 1 + ( 厂五) 8 式中，爿为白噪声幅度，b 为1 f 噪声幅值，y 为频率指数因子，c 为g r 噪声幅值， 厅和口分别为其转折频率和指数因子。不同的噪声分量以及各个分量的不同表征参 数具有不同的物理意义，对应于器件的不同结构特征与缺陷特性。对于p n 结而言， 其噪声主要为1 f 噪声。因此，本文主要研究实验样品的低频1 f 噪声特性【3 】。 从广义上讲，凡是功率谱密度与频率成反比的随机涨落现象均可称为1 f 噪声。 电子器件中l f 噪声电压的功率谱密度可以写成以下形式【2 4 】 s ，( 厂) = 么歹户厂7 ( 2 1 3 ) 式中，为通过器件的电流；厂为频率；参数彳由器件结构特性决定；常数) ，= 0 8 1 2 ，典型值为1 0 ：口= 2 o ( 均匀材料) 或1 o 2 o ( 结构较复杂的器件) 。 到目前为止，关于l 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，一个是载流子输涨落机制，另一个是载流子迁移率涨落机制。 前者是m c 讹o r t c r 引入的，后者建立在h o o g e 经验公式基础上。 l 、载流子数涨落机制 1 9 5 7 年，m c w h o 船提出了表面载流子数涨落机制，对半导体的1 f 噪声的起 因首次作了解释，他认为这种涨落是由半导体导带或价带的载流子通过隧道贯穿 与表面氧化层中的陷阱相互作用引起的。实验证明，位于半导体一氧化物界面附 近几个纳米范围内的氧化层中的陷阱与半导体体内交换载流子的时间常数，可在 一个相当宽的范围内分布。已测得的范围达1 0 。6 至1 0 5 秒，这个范围正好与观测的 l f 噪声的频率( 1 0 啊z 1 0 5 h z ) 相一致。 -皇葛曩喾_e-。兰-鼍苫之 -墨吒 -，曩二暑i皇。鲁基百芝 1 6p n 结材料辐射损伤噪声灵敏表征方法研究 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率，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1 f 噪声的 形成过程。 2 、迁移率涨落机制 1 9 6 9 年h 0 0 9 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【l s 】 s ，( 厂) ，2 = s 月( 厂) r 2 = 口( - ，) ( 2 1 4 ) 式中，是通过样品的电流，尺是样品的电阻，是样品中的载流子总数，口w 是由 材料特性决定的胡格系数。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w 在1 x 1 0 。3 9 1 0 弓之间，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，使表面载流子数涨落引起的1 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。 众所周知硅衬底质量对其器件的电学性能和成品率有很重要的影响。晶格缺 陷的存在不只影响其电荷传输，而且影响其低频噪声电流涨落。近些年研究表明 工艺引入的缺陷群也可扮演低频噪声的起源。对于不同衬底材料制作的p n 结材料 或者二极管而言，可以观察到噪声谱密度非常不同。对于不同工艺形成的衬底而 言，氧沉积诱使的深能级缺陷群也是有效的复合中心，衬底中初始氧空位或间隙 氧复合中心浓度的不同都将对1 f 噪声功率谱的大小产生影响。表2 3 为不同工艺 处理的p n 结材料辐照前后的噪声变化关系【3 7 】。 表2 3 辐照前和辐照后的噪声数据和正向偏置电流及理想因子的关系 o d c n o t 讷硼i & l 酣k 曙d 融喇 m ls i lm l os l l om ls i l朋l os n o p f z 0 9 70 钳l 舶4 舶1 1 l2 舶1 1 71 5 6 m 1 0 l0 5 60 越3 4 11 0 71 跖1 i o2 0 4 印l h l 霉h o i t 1 84 6 8l 刀3 “1 1 74 1 21 2 5 1 5 7 f r 2 6 ) h i g ho i 1 0 83 舶1 1 59 6 31 1 32 舛 1 1 s8 z s 1 g f r 2 鼬 i o w o i 。 1 0 l3 1 2 71 o l5 0 o1 1 1 3 1 71 1 6 3 8 。5 l g n 韵 前人研究表明，与p n 结材料辐照效应密切相关的三种缺陷为电离辐照产生的 氧化层正电荷( ) 、界面态( ) 陷阱和位移效应产生的体陷阱。氧化层正 第二章p 1 1 结材料辐射损伤表征原理研究 电荷( ) 和界面态( “) 陷阱共同作用改变p n 结材料表面性能。氧化层陷阱 电荷的涨落通过调制表面势，引起p n 结表面复合电流的涨落；若p n 结空间电荷 区的陷阱为禁带中部附近的深能级复合中心或陷阱中心，也可发射或俘获载流子 形成哥r 噪声，通常与l f 噪声相叠加成为低频噪声的主要成分。 2 4 材料与器件相结合的辐射效应研究方法 2 4 1p n 结材料辐射损伤与器件性能退化 构成器件的基础是各种具有特定功能的材料或结构，特定材料或结构的发展 促进了器件性能的提升，材料特性决定了器件的功能和性质，因此当外界应力引 起器件中材料性质的改变时，这种改变将直接导致器件的性能出现退化甚至失效。 p n 结是二极管及双极型器件的核心结构，p n 结的辐射损伤对双极型器件性能 将产生重要影响，这些影响可以分为两类：( 1 ) 电离辐射在s i 0 2 氧化层内及其界 面引入缺陷电荷，这些缺陷电荷改变了p n 结的表面状态，间接影响p n 结的性能， 使得其表面复合增加，引起双极型器件性能退化，如二极管反向电流增加，双极 晶体管增益退化等；( 2 ) 位移效应将引起的双极型器件内部的体损伤，辐射引入 缺陷和缺陷群，作为附加的复合中心降低基区的少子寿命和掺杂浓度，从而使二 极管正向压降升高，双极晶体管增益下降等。器件性能的退化正是关键材料或结 构历经辐射过程、缺陷引入并逐渐积累的量变过程叠加导致的。因此，研究材料 的辐射损伤是进行器件辐射效应研究的关键。 2 4 2 材料辐射损伤噪声测量样品研究方法 本项目研究目的有二，一是为电子材料抗辐射能力评价提供一种快速、灵敏、 简便易行的方法，可直接应用于材料和工艺抗辐射能力评价；二是在第一步工作 的基础上发展一种半导体器件抗辐射能力无损检测方法，为电子器件辐射加固和 筛选提供新的技术手段。 以上研究目的决定了本项目的研究方法不同于以往的辐射效应研究。传统的器 件与材料辐射效应研究相脱节或者是各自独立进行。材料辐射效应研究重点在于 材料的辐射损伤、缺陷产生的微观机理及动力学过程研究。而器件辐射效应研究 重点在于器件电学参数的变化和性能退化。材料研究的目的在于应用，电子材料 主要用于制造电子器件。辐射环境中，电子器件的辐射损伤产生在材料之中，而 辐射效应表现为材料和器件性能的退化。因此，为了满足电子器件和电路辐射加 固的需要，必须将材料和器件辐射效应研究有机结合起来，本项目正是从这一点 出发，创造了新的辐射加固研究方法。这种方法是设计与材料在器件中应用环境 1 8 p n 结材料辐射损伤噪声灵敏表征方法研究 相类似的特定样品结构，在同样的辐照实验条件中同步对材料样品和对应的器件 进行辐照实验研究，通过对比分析实验结果，优选得到既可用于材料辐射损伤， 又可用于器件辐射效应的表征方法。 该方法可行性和必要性在于，固态电子器件和电路辐射效应实质是辐射作用造 成关键材料的损伤，进而导致器件和电路性能变化。因此，作为固态电子器件和 电路辐射加固的前提，除了研究材料损伤机制和特性之外，还必须研究材料损伤 与器件性能之间的关系，并在此基础上，研究便于实际器件应用于的辐射损伤表 征方法。 p n 结材料要实现上述研究目的和方法，首先要从p n 结材料及其在器件中的位 置和作用出发，分析材料测试样品设计要求、损伤和测试原理，经过设计制备相 对应的测试结构。这样的测试结构需要满足即可以灵敏反映辐射损伤特性，又易 于电参量和噪声参量测量，测试结构的设计和实验验证将在下一章介绍。 第三章p n 结材料辐射损伤灵敏表征参量研究 1 9 第三章p n 结材料辐射损伤灵敏表征参量研究 3 1 印结材料辐射损伤- 噪声测试样品研制 3 1 1 测试样品的设计原则和设计思想 为了能够设计出合乎研究需求的p n 结材料辐射损伤噪声测试样品，本文制定 了如下设计原则：1 ) 测试样品应能灵敏地反映p n 结的辐射损伤效应：2 ) 测试样 品的辐射损伤应便于电学参量和噪声参量的测量；3 ) 测试结构应尽量简单；4 ) “替 位”原则( 即只有待验证层的结构和参数不同，其它结构及参数必须完全相同) ； 5 ) 工艺可制造性。 根据相应的设计原则：测试样品应能灵敏地反映p n 结的辐射损伤效应。所以 根据其相应的损伤机理和辐射加固措施，我们得出p n 结材料辐射损伤一噪声测试样 品的设计思想。 a 与界面态相关的工艺参数，氧化层厚度和衬底材料晶向。一般界面态随着氧化 层厚度增加而增加； 晶向的材料经电离辐射后产生的界面态比 高得多。 1 ) 用各种离子注入的场氧化物来提高抗热电子和辐射加固性能( 这个只能根 据特定工艺而定，本工艺不能实现) ； 2 ) 增大基极表面氧化物的厚度可提高辐射敏感性，相应的工艺线对氧化层厚 度以确定，不能考虑此影响因素； 3 ) 采用 晶向的材料提高辐射敏感性，这也需根据工艺而定，所以不能 考虑这个因素； b 与空间正电荷耗尽p n 结基区相关的工艺参数：氧化层特性( 同上) ，衬底类型， 基区表面掺杂浓度，岛周长面积比，基区接触区到岛的距离。 1 ) 衬底类型。n p 结电离辐射时引起耗尽层扩展，p n 结因p 为重掺杂，不易 耗尽，所以n 型衬底的二极管较抗电离辐射，所以对比设计不同衬底类型的p n 结 型二极管： 2 ) 基区表面掺杂浓度。通过降低基极表面掺杂而减小双极型器件的抗辐射能 力，所以对比设计不同基区掺杂浓度的p n 结型二极管； 3 ) 岛周长面积比。增大发射极周长面积比来设计器件或电路，对辐射较敏 感。对比设计不同发射级周长面积比的p n 结结构，分别设计正方形、蹄型和梳型 结构的岛，周长面积比依次增大； 4 ) 基区接触区和岛的距离。增大基极接触区和发射极边缘之间的本征基区表 面面积，因该区域易受电离辐射损伤，这样效应更明显，设计基区接触区和岛的 2 0p n 结材料辐射损伤噪声灵敏表征方法研究 距离不同的各种p n 型二极管【3 8 】。 3 1 2 设计工艺要求 1 工艺参数 测试样品的工艺为0 3 5 呻c m o s 工艺，根据工艺特点，样品设计为p 十n ，- n 和n + p 结二极管。p + n 和p + n 一型二极管分别位于n 阱和d n w e l l 中，n + p 型二极 管位于h v 】? w e n 中。n 阱掺杂浓度为7 2 7 4 8 1 0 1 6 c n l ，p 掺杂结深为1 0 0 姗； h ，w d l 掺杂浓度为4 1 0 1 5 c n l 一，阱内n 掺杂结深为6 0 0 i 蚰；d n w e u 掺杂浓度 为1 1 0 1 7 c i l l 一，阱内p 掺杂结深为4 5 0 咖。 2 版图设计规则 版图设计在c h a n e 瑚公司0 3 5 吼工艺给出的设计规则的基础上进行的。工 艺条件为四层金属布线的c m o s 工艺。根据设计要实验的目的，主要选取以下的 参数： a 相关的图层信息为： r v l ，w b l l 、d n w e l l 、n w e l l 、m e t a l l 、m e t a l 2 、m e t a l 3 、 m e t a l 4 、p a d 、a l 、a 2 、v i a 3 、p c o m 、n c 0 m 、p o l y 2 和c o n t a c t ； b 主要的设计规则见表3 1 。 表3 1 设计规则 图层名称内容尺寸备注 间距、宽度和覆盖 最小宽度 2 5 0 量都为最小值 阱间距 0 6 0 h w ( 高压p 阱) 与n w 色1 l 的距离 3 o o 与d 1 州e l l 的距离 5 0 0 对阱内n c o m p 的覆盖 3 6 0 对阱内p c 伽叩的覆盖 0 2 0 宽度 1 7 0 等势阱间距 1 1 0 n w e l l ( n 阱) 对n 阱内p c o m p 的覆盖 1 1 0 与d 1 州e l l 间距 7 o o 宽度 2 5 0 d m 色1 1 ( 深n 阱) 等势阱间距 9 阱内p c o m p 的覆盖 2 5 0 p c o m p 、n c o n 叩n 阱或p 阱中的宽度 0 4 0 ( p 型掺杂和n 型掺杂) l 、w c o i n p 与l 、w c o m p 间距 o 6 0 l v p c o n l p 与l 、，p c o n l p 间距 o 6 0 p 阱中n 掺杂与p 掺杂间距 0 6 0 高压p 阱中n 、p 掺杂间距 1 4 0 第三章p n 结材料辐射损伤灵敏表征参量研究 2 1 n 阱中n 、p 间距o 6 0 d n 阱中n 、p 间距1 4 0 p o l y 2 ( 多晶硅2 )低压晶体管栅宽度 o 3 5 尺寸0 4 0 0 4 0 c h a c t ( 接触孔)间距 0 4 0 掺杂对接触孔的覆盖 o 1 5 宽度 o 4 5 n = 1 ，2 ，3 ，4 金属n 与金属n 间距 0 4 5 加5 0 n = 1 ，2 ，3 ，4 m e t a l n 金属1 对接触孔的覆盖 0 1 5 金属n + 1 对通孔n 的覆盖0 1 5 n = 1 ，2 ，3 通孔n 的最小尺寸0 4 5 0 4 5 n = 1 ，2 ，3 ，4 an 通孔n 与通孔n 间距 o 4 5 金属通孔最好不 金属n 对通孔n 的覆盖0 1 5 要放在接触孔上 c p n 结的衬底类型的选择。可选取的有n 阱、高压p 阱及深n 阱，以上器 件的衬底分别形成低压p