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摘要 摘要 随着航天与核技术的发展，越来越多的电子器件用于辐射环境，辐射会影响 电子器件的性能和可靠性。器件性能参数的退化往往来源于材料中缺陷的积累。 因此为了保证电子器件在辐射环境下的可靠性，需要一种快速、灵敏、简便易行 的方法来评价电子材料的抗辐射能力。本文研究了s i 0 2 介质、p n 结和硅材料的辐 射损伤机制及1 f 噪声与材料缺陷之间的关系。以s i 0 2 介质材料为例，建立了s i 0 2 介质材料抗辐射能力噪声无损评价方法，并以l a b v i e w 为平台设计并实现了电子 材料抗辐射能力无损评价软件系统。本文主要完成的工作如下： 1 研究了s i 0 2 介质、p n 结和硅材料的辐射损伤机理，分析了噪声与材料缺 陷之间的关系及s i 0 2 介质材料辐射损伤噪声灵敏表征方法，建立了s i 0 2 的噪声无 损评价模型，给出参数提取方法，并设计了无损评价方案。 2 基于上述结果，利用l a b v i e w 平台完成了典型电子材料抗辐射能力无损 评价软件系统。针对低频噪声测试的频率范围，选择了合适的数据采集板卡，完 成了评价系统的采集模块。研究了连续采集存储技术，在l a b v i e w 平台上采用队 列结构实现了长时间连续采集和数据存储。 3 在评价方案的基础上，设计并实现了爆裂噪声分析和基于评价模型的评价 分析模块，实现了对s i 0 2 介质、p n 结与硅材料的抗辐射评估及预测。 关键词：二氧化硅抗辐射能力无损评价l a b v l e w a b s t i a c t a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o ft h em i c r o e l e c t r o n i c s t e c h n o l o g y a n da e r o s p a c e t e c h n o l o g y ，t h ep e r f o r m a n c eo fe l e c t r o n i cd e v i c e si n c r e a s e sg r e a t l y a sas e r i o u st h r e a t t ot h er e l i a b i l i t yo fe l e c t r o n i cd e v i c e ，r a d i a t i o nr a y si ns p a c ew h i c ha r er e d u c e db y n l e d e g r a d a t i o no fd e v i c ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so r i g i n a t e sf r o mt h ea c c u m u l a t i o no f d e f e c t si nm a t e r i a l t h e r e f o r e , i no r d e rt oe n s u r et h er e l i a b i l i t yo fe l e c t r o n i cd e v i c e s o p e r a t e di nt h er a d i a t i o ne n v i r o n m e n t , ar a p i d ，s e n s i t i v ea n ds i m p l em e t h o di sn e e d e dt o e v a l u a t et h er a d i a t i o nt o l e r a n c eo fm a t e d a l s r a d i a t i o ne f f e c ta n dn o i s em e c h a n i s mo f s i 0 2d i e l e c t r i c ，p nj u n c t i o na n ds i l i c o nm a t e r i a lh a v e b e e ns t u d i e di nt h i sp a p e r , a n dt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e1 fn o i s ea n dm a t e r i a ld e f e c t s a ss i 0 2d i e l e c t r i cm a t e r i a lf o r e x a m p l e ，n l en o i s en o n d e s t r u c t i v ee v a l u a t i o nm e t h o df o ra n t i r a d i a t i o ni ni th a sb e e n e s t a b l i s h e d ，a n du s i n gl a b v i e wt od e s i g na n di m p l e m e n ta l ls o f t w a r es y s t e m st o n o n - d e s t r u c t i v ee v a l u a t ea n t i r a d i a t i o no fe l e c t r o n i cm a t e r i a l s i nt h i sp a p e r ，t h em a j o r w o r kd o n ef o l l o w i n g ： 1 r a d i a t i o ne f f e c ta n dn o i s em e c h a n i s mo fs i 0 2d i e l e c t r i c ，p nj u n c t i o na n ds i l i c o n m a t e r i a lh a v eb e e ns t u d i e di nt h i sp a p e r n er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e1 fn o i s ea n d m a t e r i a ld e f e c t sa sw e l la sn 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 nm e t h o do fr a d i a t i o nd a m a g e i ns i 0 2d i e l e c t r i cm a t e r i a ih a v eb e e na n a l y z e d t h en o i s en o n d e s t r u c t i v ee v a l u a t i o n m o d e lo fs i 0 2d i e l e c t r i cm a t e r i a lh a sb e e ne s t a b l i s h e d ，a n dt h ep a r a m e t e re x t r a c t i o n m e t h o di sg i v e n ，a n dt h en o n d e s t r u c t i v ee v a l u a t i o np r o g r a mi sd e s i g n e d 2 b a s e do nt h e s er e s u l t s ，t h eu s eo fl a b v i e wp l a t f o r i l lt oc o m p l e t eas o f t w a r e s y s t e mf o rn o n d e s t r u c t i v ee v a l u a t i o na n t i r a d i a t i o ni nt y p i c a le l e c t r o n i cm a t e r i a l s a c c o r d i n gt o t h en o i s et e s tf r e q u e n c yr a n g e ，s e l e c tt h ea p p r o p r i a t ed a t aa c q u i s i t i o n b o a r da n dc o m p l e t et h ee v a l u a t i o ns y s t e mo fc o l l e c t i n gm o d u l e n l ec o n t i n u o u s a c q u i s i t i o na n ds t o r a g et e c h n o l o g i e sh a v eb e e nr e s e a r c h e d ，a n dal o n g t i m ec o n t i n u o u s a c q u i s i t i o na n d d a t as t o r a g eh a sb e e na c h i e v e dw i t ht h eq u e u es t r u c t u r ei nl a b v i e w 3 b a s e do nt h ee v a l u a t i o np r o g r a m ，t h eb u r s t n o i s ea n a l y s i sm o d u l e ，a n dt h e e v a l u a t i o n - m o d e l - b a s e dm o d u l eh a v eb e e nd e s i g n e da ni m p l e m e n t , i tu s i n gf o ra s s e s s a n df o r e c a s ta n t i - r a d i a t i o no fs i 0 2d i e l e c t r i c ，p nj u n c t i o na n ds i l i c o nm a t e r i a l k e y w o r d s ：s i l i c aa n t i - r a d i a t i o nn o n d e s t r u c t i v ee v a l u a t i o nl a b v i e w 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：盈埠日期：丝竺毫乙一 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： 导师签名： 日期：塑斗 日期_ 丝! 里：兰歹 第一章绪论 第一章绪论 本章首先分析了半导体器件及集成电路中辐射损伤敏感材料在航天领域应用 中的重要性及其面临的可靠性问题；然后，探讨了辐射损伤敏感材料的研究方法 及使用低频噪声评价其抗辐射能力的进展情况，表明了研究的目的与意义；最后 针对上述问题，提出本课题所要研究内容与解决方案。 1 1 研究背景 微电子技术、航空航天技术领域的迅速发展，越来越多的电子器件工作在空 间辐射环境下，空间的高能辐射射线对空间电子系统的可靠性构成严重的威胁 d , 2 ，3 】。电子系统与器件在辐射环境下的功能退化，主要是由于其构成材料的辐射损 伤引起。在半导体工艺中，m o s 结构中的s i 0 2 介质材料、双极型器件结构中p n 结以及广泛应用的硅材料都是处于关键部位的易损材料，在空间辐射环境下，极 易引起材料的辐射损伤，造成器件的功能退化。 作为目前半导体器件和i c 电路中常用介质材料的二氧化硅( s i 0 2 ) ，其优异的 机械性能，稳定的化学性质和电学性能以及相当成熟的理论、生成工艺，在行内 一直扮演着极为重要的角色【4 】。由于硅基半导体工艺的特点，s i 0 2 介质材料用于 m o s 器件中的绝缘栅，器件表面的保护膜或钝化层，器件或版层之间的隔离层等 多种用途。在辐射环境中，s i 0 2 介质材料的辐射损伤与很多半导体器件性能的退 化有着直接或间接的联系，如m o s 器件中出现的阈值电压漂移、跨导降低、泄漏 电流增大；双极晶体管增益减小是由于辐射在基极氧化层界面引入了界面陷阱导 致复合电流增大现象等1 5 j 。 p n 结是许多微电子和光电子器件的核心部分，p n 结的性质决定了半导体器件 的电学特性和光电特性，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。为了更准确的评估器件的可靠性，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。 硅是地壳上最丰富的元素半导体，其性质优越而且工艺技术比较成熟，已成为 固态电子器件的主要原料。硅材料的发展和应用水平，已经成为衡量一个国家综 合国力，国防实力和现代化的重要标志。硅材料应用广泛，在各种产业中都可以 看到它的身影，如以硅作为基区材料的太阳能电池、经过掺杂的多晶硅导电材料 用于电容器、随机存储器等元件的极板、r o m 器件的浮栅、电荷耦合器件的电极、 m o s 静态存储器的负载电阻及单层、多层互连导线以及薄膜晶体管( t f t ) 等【丌。 2 典型电子材料抗辐射无损评价软件研制 随着空间技术的发展，它们将不可避免地会应用于空间辐射环境。而辐射环境下 硅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 硅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 ( 瓜) 、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。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。大量研究表明，基于低频噪声的表征工具既具有上述 优点，又能灵敏的反映导致器件失效的各种潜在缺陷，因此日益成为半导体材料 和器件可靠性的诊断工具。国外1 9 6 6 年就开始用1 f 噪声来预测半导体器件可靠 性。国内西安电子科技大学微电子所孙青、庄奕琪教授等人从1 9 8 7 年就开始这一 领域的研究工作，取得不少成果，并为后来噪声实验室的研究奠定了基础【8 j 。 随着人们对器件可靠性要求的不断提高，对器件进行无损检测的呼声越来越 高，噪声测试技术受到的关注也越来越多。对于噪声表征技术的研究也越来越深 入透彻，为噪声评价技术的研究打下了良好的基础。 1 2 研究目的和意义 大量研究表明，低频噪声可以灵敏的反映半导体内部各种潜在的缺陷，这为 使用噪声参数表征器件内部的缺陷提供了有利的保证。2 0 世纪8 0 年代以来的研究 发现，电子器件的1 f 噪声的大小和器件的可靠性有密切的关系，而相对于传统的 电参量测试方法，噪声参量测试具有非破坏性和高灵敏度等优点。辐照前器件的 噪声水平可以用来评价器件的抗辐射能力，这个突出特点也是电学参量无法比拟 的。基于电子材料抗辐射能力无损评价模型编写的软件，能够很好的对电子材料 ( 或器件) 的抗辐射能力作出评价，从而寻求抗辐射加固方法，改善其抗辐射性 能。 研制一个这样的面向用户并且操作简单方便的电子材料辐射损伤评价软件， 可以方便、快速地从实验室实测的噪声数据中评价和预测材料经过辐照后可能出 现的损伤，对于筛选满足环境要求的器件具有极大的意义，同时本文中使用 l a b v i e w 进行编程，具有友好的用户界面。 第一章绪论 3 1 3 论文主要工作和结构 本论文的主要内容是在国内外相关研究的基础上，结合本实验室关于s i 0 2 介 质材料，p n 结和硅材料辐射损伤表征方法的基础上，研究三种材料抗辐射能力的 噪声无损评价方法，建立它们的噪声无损评价模型；在此基础上设计典型电子材 料的抗辐射能力无损评价软件，以便于使用噪声技术对三种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 本文的研究背景、研究内容及意义进行概述。第二章介绍了辐射损伤、无损评价 及虚拟仪器相关背景知识，以便于阅读本论文。第三章以s i 0 2 为例介绍了介质材 料抗辐射能力无损评价方法的设计思想，建立了相应的评价模型，并制定了评价 方案。同时在本章最后简要介绍了p n 结和硅材料评价方案。第四章以抗辐射能力 无损评价方案的操作流程为蓝本，设计并实现了典型电子材料无损评价软件系统 各个模块，并对其作了比较详细的说明。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。 第二章基础研究 第二章电子材料辐射效应及其评价方法 本章从论文所选的三种典型的辐射损伤敏感材料出发，首先研究了其材料与 器件辐射损伤机理，分析了电子材料中的缺陷与低频噪声之间的关系，提出了应 用于器件的电子材料辐射效应研究方法；其次，论证了噪声用于电子材料抗辐射 能力无损评价的可行性；最后研究电子材料抗辐射能力无损评价方法的测试技术。 2 1电子材料辐射损伤原理 2 1 1 电子材料辐射损伤机理分析 能够对材料及器件产生辐照效应的有四种类型的辐射，它们分别是质子 ( p r o t o n s ) 、中子( n e u t r o n s ) 、电子( e l e c t r o n s ) 和伽马射线( g a m m ar a y s ) 。其中，伽 马射线是电磁辐射，其能量大于x 射线的典型值。辐射对材料作用的两个基本效应 为位移( d i s p l a c e m e n t s ) 辐射效应和电离( i o n i z a t i o n ) 辐射效应。 位移辐射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，从而产生晶体缺陷，改变器件的电学特性。半导体器件 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射损伤 ( b u l kr a d i a t i o nd a m a g e ) 。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 要决定于电子吸收的能量，与辐射类型无关。对于一般的辐射来说，电离主要决 定于吸收机制。所以，电离损伤可以用每单位体积的物质吸收的能量来度量，常 用的单位为m d ( 拉德) 。因为对于给定的剂量，电荷的释放决定于材料吸收的能 量，电离剂量必须指定特定的吸收体，例如，l r a d ( s i ) ，l r a d ( s i 0 2 ) ，l r a d ( g a a s ) ， 电离辐射效应又包括两种损伤类型：表面损伤效应( s u r f a c ed a m a g ee f f e c t s ) ( 在 绝缘体内) 和瞬态损伤效应( t r a n s i e n td a m a g ee f f e c t s ) ( 在半导体内) 。表面效应使 半导体器件的性能产生半永久的变化。这种变化是由于接近于表面的电离或者接 近于钝化层中的电离引起的。 按辐照剂量分，器件及材料的电离辐照效应还可分为剂量率效应和总剂量效 应。只要半导体器件暴露在辐照环境中，在电子元器件整个寿命期中辐照效应就 会积累下来。只用晶体管受到的辐照剂量，就能够完全表征器件的特性并预测器 件失效和性能退化，这就是辐照总剂量效应( t o t a ld o s ee f f e c t s ) 。电路中也存在另 外一些与吸收辐射剂量率有关的辐射效应，这些效应包括集成电路的闩锁 典型电子材料抗辐射无损评价软件研制 ( 1 a t c h - u p ) 、回跳( s n a pb a c k ) 和信号颠倒，双极晶体管和n 沟道功率晶体管的烧 毁。辐射剂量率越高，出现上述问题的几率也就越太，这种效应称为剂量率效应 ( d o s er a t ee f i e c t s ) 。 1 ) s i 0 2 介质材料与m o s 器件 s i 0 2 是集成电路中的常用介质材料，在半导体器件和集成电路中有着非常广 泛的应用。在c m o s 电路中s i 0 2 是制作m o s f e t 的关键材料，使用热生长工艺 制作的质量很高的氧化层可作为c m o s 器件的绝缘栅氧化层材料；在硅半导体工 艺中它们可作为杂质选择扩散的掩膜、器件表面的保护膜或钝化层以及作为集成 电路中电容器介质；通过硅的局部氧化( l o c o s ) 或浅槽隔离( s t i ) 工艺制作的 场氧化层可用于器件之间或不同版层间的隔离介质【9 l 。所有固态形式s i 0 2 的主要 结构单元是s i 0 4 的四面体，如图21 所示。在所有形式的s i 0 2 中，不管它是晶体 的，玻璃质的，还是无定形的。都具有o - s i - o 之间键角为1 0 9 。的局部四面体配 位结构。 图21s i 0 2 介质材料的微观结构 图2 2 所示为m o s 器件的结构图，图中简单地说明了s i 0 2 介质材料在c m o s 器件中的应用。 b u i kc m o ss t r u ( i ur e 图2 2 s i 鸥舟质材料与m o s 器件 s i 0 2 介质材料是很好的绝缘体，因此在外界应力的影响下很容易在体内储存 电荷，s i s i 0 2 界面足硅和二氧化硅的过渡区域，受晶格常数不匹配及材料原子处 于非化学计量比的影响，界面及附近将残留一定的晶格应力，形成缺陷中心。对 第二章基础研究 7 于m o s f e t 等依靠半导体表面效应工作的m o s 器件，载流子在材料界面附近输 运，运动状态不可避免地会受到材料及其界面性质的影响。s i 0 2 介质体内和s i s i 0 2 界面处的主要陷阱电荷有可动离子电荷( q m ) ，界面陷阱电荷( q i t ) ，固定氧化层 电荷( q f ) 和氧化层陷阱电荷( q m ) 。如图2 3 所示。随着工艺技术的提高，可动 离子电荷已基本被消除，其余三种电荷起源于晶格的不匹配、非化学计量比以及 应力的影响，较难消除。这些陷阱中心可能与流经界面的载流子发生交换，调制 硅的表面势，造成器件参数的不稳定性变化。 园嘴岫 够峨 1 蓝铡。一 警一4 - ! ! 罱严、 图2 3s i 0 2 介质材料中的电荷分布 s i 0 2 介质材料的辐射损伤主要表现为栅氧化层内部及其界面处陷阱对辐射诱 导电荷的俘获，参与电荷俘获的缺陷类型较为复杂，主要有氧化层内的氧空位缺 陷和s i s i 0 2 界面处的三配位硅悬挂键缺陷【l 副。m o s 结构中的s i 0 2 栅氧化层介质 及其界面是电离辐射损伤敏感部位，引起m o s 器件电离辐射效应的陷阱电荷按照 其性质和位置的差异可分为氧化层陷阱电荷和界面陷阱电荷【9 】。如图2 4 所示。 图2 4 电离辐射过程中空穴和质子的输运示意图【9 l 辐射诱导陷阱电荷形成的物理过程大致如下：s i 0 2 介质材料受电离射线的照 射后，在氧化层中激发大量电子空穴对，逃离初始复合的电子在电场作用下很快 离开氧化层，而空穴迁移率较小，被氧化层内的空穴陷阱俘获，形成氧化层陷阱 电荷；辐射产生的一部分空穴会与氧化层内部的含氢缺陷( 如s i h 和或s i o h ) 8 典型电子材料抗辐射无损评价软件研制 发生反应，释放质子【1 6 1 ；由于衬底电子不能通过隧穿将其中和，在界面附近以质 子形式存在【2 0 】的氢在电场作用下向s i s i 0 2 界面移动，与被氢钝化的三价硅悬挂键 ( p b h ) 发生界面反应，形成界面陷阱电荷( p b 心) 1 7 , 1 8 】。这两种辐射诱导陷阱电 荷的形成将引起m o s 器件性能的退化。 2 ) p n 结与双极型器件 p n 结在许多半导体器件如结型晶体管、双极型集成电路中占有极其重要的地 位。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 前采用的主要有化学气相沉积、离子注入、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。 p n 结具有单向导电性，当p n 结正偏时，正向电流较大，相当于p n 结导通， 反偏时，反向电流很小，相当于p n 结截止。对于器件而言，将p n 结封装起来后， 加上电极引线就构成了半导体二极管，简称二极管。二极管与p n 结一样具有单向 导电性。但由于二极管中存在引线电阻和半导体电阻，在外加正向电压相同的情 况下，二极管的正向电流要小于p n 结的电流；在大电流的情况下，这种情况更明 显。另外，由于二极管表面漏电流的存在，使外加反向电压时的反向电流增大。 双极型晶体管的基本特征是由满足几何结构参数和材料物理参数要求的两只 背靠背p n 结构成。其特点是电子和空穴两种极性载流子同时参与输运过程。其基 本类型分为共用区为p 型的n p n 型晶体管和共用区为n 型p n p 型晶体管，结构如 图2 5 所示，各电极结构名称如下：基区为p n 结共用区，该区电极为基级( b ) ； 发射区为正偏p n 结的非公用区域，该区电极称发射极( e ) ；发射结为正偏的p n 结；集电结为反偏p n 结：集电区为反偏p n 结的非公用区域，该区电极称为集电 极( c ) 。 三一c e b b ( d c e b b ( h ) c c 图2 5 晶体管示意图，( a ) p n p 型；( b ) n p n 型 p n 结二极管经电离辐照后，表面损伤和体损伤均存在，主要以表面损伤为主。 表面损伤发生在s i 0 2 钝化层内，特别是覆盖在结区上方的s i 0 2 钝化层。丫总剂量 第二章基础研究 9 辐射也在二极管基区产生大量简单缺陷，这些简单缺陷可俘获多数载流子，使它 们不参与导电，这样掺杂浓度降低，引起二极管体电阻增加，正向压降增加【1 9 1 。 研究表明双极晶体管电离辐射效应主要是s i 0 2 钝化层内感生氧化物陷阱电荷 和界面态1 2 0 j 。氧化层陷阱电荷改变s i 中的表面势；界面陷阱成为复合中心， 增加表面复合速率。对于n p n 型双极晶体管的发射极基极而言，辐射诱生正电荷 n 弧的积累将耗尽p 型基区，即耗尽区向基区扩展，导致总的耗尽层表面积增加。 这样辐照诱生的两种缺陷共同作用于发射极基区( e b ) 结表面空间电荷区，引起 表面复合电流增大，基极电流厶增大，从而导致电流增益随着厶增大而减小。而 对于p n p 型双极晶体管的e b 结，辐射诱生正电荷将在r l 型基区表面积累，使得耗 尽层表面积减小，从而抑制表面复合，如图2 6 所示。 ( a ) p n p 型( b ) n p n 型 图2 6s i s i 0 2 界面处辐射诱生正电荷对发射极基区( e b ) 结空间电荷区的影响 由于s i 0 2 介质层是晶体管对电离辐照损伤最敏感的部位。在电离辐照过程中， 材料原子受到辐射射线作用后产生电子一空穴对。s i 0 2 介质层具有绝缘特性，电 子空穴对不会立即复合，在电场作用下，由于电子的迁移率远远大于空穴的迁移 率，电子将离开氧化层，而空穴集中在氧化层中。电离辐射产生的空穴输运到 s i s i 0 2 界面附近，被集中在离s i s i 0 2 界面约1 0 n m 陷阱区俘获，从而形成氧化物 陷阱电荷的积累。 3 ) 硅材料及其应用 硅具有优良的半导体电学性质，禁带宽度适中，载流子迁移率较高，电子迁移 率为1 3 5 0 ( c m ) 2 f v s ) ，空穴迁移率为4 8 0 ( c m ) 2 ( v s ) 。本征电阻率在室温( 3 0 0 k ) 下 高达2 3 x 1 0 5q c m ，掺杂后电阻率可控制在1 0 4 1 0 4q e m 的较宽范围内，能满足 制造各种器件的需要。硅单晶的非平衡少数载流子寿命较长，在几十l as 至l m s 之间，热导率较大，化学性质稳定，又易于形成稳定的热氧化膜等特点，而且价 格低，工艺成熟，故广泛应用于微电子，光伏等产业【1 0 , 1 1 】。最普遍使用的硅材料分 为三种：单晶硅，多晶硅和非晶硅，如图2 7 。 硅材料硅作为半导体材料主要用于集成电路衬底，栅极，扩散电阻，太 阳能光电转换材料等。目前对于双极晶体管、m o s 器件、太阳能电池等硅基器 件的电学特性和缺陷的研究也逐步深a t l 2 1 4 1 。自对准工艺的出现以及多晶硅导电 1 0 典型电子材料抗辐射无损评价软件研制 上j 7 丫 r r 图2 7 ( a ) 单晶硅、( b ) 非晶硅及( c ) 多晶硅结构示意图 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。 由于硅材料具有良好的界面特性，所以也可用于电荷存储元件和单层、多层互连 引线。 硅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三d 的减少。少数载流子 扩散长度厶是太阳能多晶硅导电材料主要特征，而较低的厶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( 自填隙原子研，和空位) 和非本征杂质( 碳，氧) 是多晶硅中微观缺陷的根源。 材料是一切电子器件和电路的基础。如材料的类型、晶向、缺陷、阻值、作 用方式和工艺参数等都会直接或间接影响器件的性能和各种参数变化。因此在器 件制造中选取参数合适的材料就显得十分重要。 2 1 2 电子材料中的缺陷与低频噪声 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 s c 力刊号+ 毒杀 江d 式中，彳为白噪声幅度，召为1 f 噪声幅值，y 为频率指数因子，c 为哥r 噪声幅值， 石和a 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。本文主要研究 第二章基础研究 实验样品的低频l f 噪声特性1 2 。 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1 f 噪声电压的功率谱密度可以写成以下形式【2 2 】 s ，( 门= a i 卢f 7 ( 2 - 2 ) 式中，j 为通过器件的电流；f 为频率；参数彳由器件结构特性决定；常数y = 0 8 1 2 ，典型值为1 0 ；鼻= 2 0 ( 均匀材料) 或1 o 以0 ( 结构较复杂的器件) 。 目前半导体器件1 f 噪声模型都是建立在两个基本涨落机制的基础上，一种是 基于m c w h o r t e r 理论 2 3 1 的载流子数涨落模型。该理论认为载流子数的涨落导致了 沟道电流涨落，从而产生了1 f 噪声。另一种是基于h o o g e 理论1 2 4 1 的体迁移率涨落 模型。 1 ) 载流子数涨落机制 m c w h o r t e r 提出的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。目前已测得的范围达1 0 至1 0 5 秒，这个范围正好与观测的1 f 噪声的频率( 1 0 击h z 1 0 5 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 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 个著名的经验公式【2 5 j s ，( f ) 1 2 = s r ( f ) r 2 = a 日( f ，v ) ( 2 3 ) 式中，是通过样品的电流，r 是样品的电阻，是样品中的载流子总数，a h 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，a h 在1 1 0 七，- - 9 x 1 0 。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：通常这两种机制同时存在，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。 1 2 典型电子材料抗辐射无损评价软件研制 由于s i s i 0 2 界面处及其附近的缺陷在能量和空间上都有一定的分布，因此它 们与硅中的载流子交换的时间常数具有较宽的分布范围。在噪声测试的时间范围 内，对测试有贡献的是那些能与硅交换电荷的界面附近的氧化层陷阱，即边界陷 阱【2 6 1 。边界陷阱的物理位置如图2 8 ( a ) 阴影部分所示，其伸入介质层的深度由 测试的频率范围确定。测试的频率越低，氧化层中的陷阱将有更多的时间与硅交 换电荷，在电学参数测试时它们的荷电状态是不是固定是由能不能与硅交换载流 子也所确定，如图2 8 ( b ) 所示。 - 埘h 1 1 1 国”o d 翻 图2 8m o s 器件中的缺陷示意图，s i s i 0 2 界面附近能与硅交换电荷的边界陷阱【2 7 】。 对于边界陷阱的微观结构，c j n i c k l a w 等人1 2 8 j 认为对于氧化层较厚的器件， 层由于具有较长的s i s i 键和驰豫硅原子附近引起的空位空间，使得它具有一定的 电子俘获能力。这种缺陷俘获电子后，将在禁带中部附近引入负电荷态。位于界 面附近的这种缺陷中心为沟道中的载流子交换提供能态。电子和空穴在能带态和 局域态间的跃迁就引起了低频噪声【2 9 】。f l e e t w o o d 等人认为层这种形式的电荷交换 正是1 f 噪声的起源之一【2 7 刎。位于界面附近的e 。也可以与硅中的载流子交换， 从而起到边界陷阱的作用，使m o s 器件的l f 噪声增大。王永强等人【3 0 】还认为边 界陷阱的产生与氧化层中的氧空位缺陷及氢都有密切关系，在某种情况下，同一 种氧化层空位由于其所处位置的不同，可能充当不同的陷阱角色，而且还会有所 转换。 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( 如) 、界面态( ) 陷阱和位移效应产生的体陷阱。氧化层正电荷( 如) 和界面态( 帆) 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分r 噪声， 通常与1 f 噪声相叠加成为低频噪声的主要成分。 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 第二章基础研究 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，1 f 噪声是与多晶硅导电材料内部的 缺陷密切相关的。 2 1 3 用于器件的电子材料辐射效应研究方法 构成器件的基础是各种具有特定功能的材料，器件性能参数的退化来源于材 料中缺陷的积累。传统的材料与器件辐射效应研究相互脱节或各自独立进行。材 料辐射效应研究重点在于材料的辐射损伤，主要关注材料中缺陷产生的微观机理 及动力学过程。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，材料的发展促进了器件性能的提升，材料的特性决定 了器件的功能和性质。 随着航天、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。下 面将简要介绍s i 0 2 、p n 结和硅材料的辐射损伤与器件退化之间的关系。 s i 0 2 介质材料是m o s 器件的关键材料，s i 0 2 的辐射损伤对m o s f e t 器件性 能将产生重要影响，这些性能的退化大致可以分成两类：( 1 ) 辐射在s i 0 2 介质材 料体内及其界面处引入额外的缺陷电荷，这些缺陷将调制导电沟道的表面势，增 强对沟道中载流子的散射作用，引起m o s 器件参数退化，如阈值电压漂移、跨导 退化及1 f 噪声增加等，表现为器件性能的量变。( 2 ) 辐射可能引起隔离氧化层下 导电通道的形成，造成原本相互隔离的器件电学连接，诱发闩锁( l a t c h u p ) 、泄 漏通道开启等致命性失效；另外还可能在m o s 器件中引入大的缺陷，对载流子产 生较强的复合作用，产生g - r 噪声，这都表现为器件性能的质变，而这种性能的质 变正是材料历经辐照、缺陷逐渐积累的量变过程的叠加导致的。 p n 结的辐射损伤对双极型器件性能产生重要影响，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，如双极晶体管增益退化，二极管反向电流增加等；( 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。 1 4 典型电子材料抗辐射无损评价软件研制 硅材料是空间太阳能电池的主要材料，硅材料辐射损伤对空间太阳能电池的 性能将产生重要影响。这些影响主要是由硅材料中的辐照诱导缺陷引起，这些缺 陷对载流子去除，类型转换以及少数载流子寿命的降低有重要作用。因此，对于 硅材料辐射效应的研究和应用可以很好的帮助器件和电子电路的抗辐射效应研究 和性能改进。 综上所述，材料的辐射损伤与电子器件的性能退化之间有着千丝万缕的联系， 因此研究材料辐射损伤是研究辐射效应的关键所在。 为了解决上述问题，需要一种可以将材料研究成果直接用于器件抗辐射评价 的通用的、灵敏的评价方法。噪声对材料和器件微观缺陷灵敏且测试方法无损、 简单易行，可靠性高。因此，可以首先根据材料的实际应用设计材料测试结构并 外购对应的测试样品，建立硅材料辐射损伤与器件电学、噪声参量退化的联系， 建立辐照损伤模型。然后设计合理的实验方案进行辐照，测试材料和器件的电学 参数和噪声功率谱密度，验证损伤模型，拟合数据提取噪声敏感参量，建立噪声 评价模型，形成一套噪声评价技术。 本项目研究目的主要有两点：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，可直接应用于材料辐射能力评价；二是在第一步工作的 基础上研制能直接使用的、集噪声测试与评价分析于一体的评价软件系统 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。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 在器件中应用环境相类似的特定样品，在同样的辐照实验条件下同步对材料样品 和对应的器件进行辐照实验研究，建立噪声评价模型，形成一套噪声评价技术。 它将不仅可以直接应用于材料及其工艺的抗辐射能力评价上，也可以用于对电子 器件中的材料辐射损伤原位检测和评价。 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，研究便于实际应用的抗辐射能力评价方 法。 第二章基础研究 1 5 2 2 噪声无损评价方法 近2 0 年来，无损检测( n o