基于柵掃描法的雙極器件總劑量輻射感生產(chǎn)物平均濃度提取方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于柵掃描法的雙極器件總劑量輻射感生產(chǎn)物平均濃度提取方法，針對柵掃描法所測IB?VG曲線由于界面態(tài)陷阱濃度小或多能級界面陷阱共同存在時，曲線峰值位置不明顯，難以確定的問題，對柵掃描法進行了改進，提出在測量IB?VG曲線的同時，測量IC?VG曲線，并求取log(IC)?VG曲線的拐點Vmg,C作為基區(qū)表面的耗盡電壓，從而獲取輻射感生產(chǎn)物的平均濃度方法。與文獻所報導的柵掃描法和亞閾分離相結合的方法相比，該方法不需要額外使用亞閥分離方法來獲取半帶電壓，且對不同的基區(qū)摻雜濃度的器件均具有很好的適用性，既簡化了輻射感生產(chǎn)物的平均濃度分離的復雜度，又增加了準確性和適用性。
【專利說明】
基于柵掃描法的雙極器件總劑量輻射感生產(chǎn)物平均濃度提取 方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及一種雙極器件總劑量效應的測量方法，尤其涉及一種基于柵掃描法的 雙極器件總劑量輻射感生產(chǎn)物的平均濃度提取方法。
【背景技術】
[0002] 空間的天然輻射環(huán)境及核輻射環(huán)境，會在電子器件中產(chǎn)生電離輻射累積效應(簡 稱為總劑量效應），從而導致電子器件電參數(shù)的退化甚至功能失效，嚴重影響航天器及戰(zhàn)略 武器的壽命及可靠性，因此必須開展總劑量效應的機理研究及電子器件的抗總劑量性能加 固研究。
[0003] 總劑量效應主要產(chǎn)生于電子器件的氧化層和Si與Si02的界面，并主要形成兩種輻 射感生產(chǎn)物，分別為在氧化層內(nèi)形成的正氧化物陷阱電荷和在Si與Si0 2表面形成的界面陷 阱。這兩種輻射感生產(chǎn)物是導致器件電參數(shù)退化的根本原因。因此測量或提取這種產(chǎn)物特 征(如平均濃度、空間分布、能級分布等)在輻射前后的變化，就成為電子器件總劑量效應機 理研究中必須解決的關鍵問題。本發(fā)明只涉及一種輻射感生產(chǎn)物平均濃度的測量方法。目 前國內(nèi)外還無直接測量輻射感生產(chǎn)物平均濃度的方法，主要通過測量器件電參數(shù)間接提 取。
[0004] 目前航天器及戰(zhàn)略武器中使用的電子器件主要有M0S及雙極器件兩大類。M0S器件 中，由于兩種輻射感生產(chǎn)物對器件閾值電壓的影響相互獨立且線性疊加，因此其平均濃度 分離方法相對簡單，且已經(jīng)很成熟。但在雙極器件中，界面陷阱導致器件參數(shù)的直接退化， 氧化物陷阱通過調(diào)節(jié)表面勢從而間接調(diào)制界面陷阱的作用，兩者對器件電參數(shù)的影響是非 線性的，使得雙極器件中輻射感生產(chǎn)物的分離更加困難。
[0005] 目前國內(nèi)外主要采用一種柵掃描法來實現(xiàn)對雙極器件輻射感生產(chǎn)物的提取(一種 用于橫向NPN晶體管電離輻射損傷的定量測試方法（申請?zhí)枺篊N201410172919)，用于縱向 NPN晶體管電離輻射損傷的定量測試方法（申請?zhí)?CN201410172916))。該方法主要必須依 賴于一種特殊的器件結構，它是在基區(qū)的氧化層上制作一個柵電極，形成一個柵控的晶體 管（如圖1所示），這是因為雙極器件的輻射敏感物理位置主要為發(fā)射結耗盡區(qū)及基區(qū)上的 氧化層。柵掃描法的基本原理如圖2所示。在輻照前后測量時，使柵控晶體管處于正常工作 狀態(tài)(發(fā)射結正偏，集電結反偏），隨后在柵電極上加掃描電壓，使基區(qū)靠近Si0 2表面從平帶 逐漸過渡到耗盡、再到反型，在這個過程中測量基極電流。當基區(qū)表面平帶或反型時，表面 處載流子濃度相差很大，根據(jù)間接復合理論，界面陷阱作為復合中心的作用很小。而在基區(qū) 表面耗盡時，表面空穴與電子的濃度相等，界面陷阱復合中心的作用最為明顯，因此基極電 流有最大值，且最大值輻照前后變化量與輻射感生界面陷阱的平均濃度成正比。而輻射感 生正氧化物陷阱電荷的存在改變了氧化層電場，使基區(qū)表面耗盡所需的柵電壓值發(fā)生改 變，因此基極電流的最大值位置的變化量則與氧化物陷阱電荷的平均濃度成正比。
[0006] 對于柵控橫向型PNP晶體管，輻射感生的界面陷阱平均濃度如式1所示： (式 1);
[0008]其中A IB-pe5ak為輻照前后基極電流最大值的變化量，VEB為發(fā)射結偏壓，m為Si半導 體本征載流子濃度，室溫下m = 1.5 X l(T1()Cnr3，〇為表面載流子復合截面，一般為1(T13~10 - 17cm2，uth為熱速度，室溫時uth=107cm/s，q為電子的電荷量，T為絕對溫度，k為玻爾茲曼常 數(shù)，S peak為表面復合率最大值所對應的面積，一般情況下假設與基極的面積相同。
[0009 ]輻射感生的氧化物陷阱電荷平均濃度如式2所示：
(式 2);
[0011] 其中為單位面積上的柵電容，單位為C/cm2, AVpeak為輻照前后基極電流最大值 所對應柵極電壓的變化量。在理論上基極電流最大時，基極表面耗盡，因此V peak與使器件表 面耗盡的半帶電壓Vmg,cs相等。
[0012] 但該方法存在如下幾個問題：
[0013] (1)輻照前，由于器件本身固有的界面陷阱較少，使基極電流IB的峰值位置的提取 不確定度大(如圖3所示），影響輻射感生產(chǎn)物濃度提取結果的準確性。
[0014] (2)在一些器件中，柵掃描法所測Ib-Vc曲線的波峰平坦化(如圖3所示），使得基極 電流Ib的峰值位置V peak難以確定。對于這一問題，國內(nèi)外已有文獻報導[1]，認為導致這一現(xiàn) 象的原因是Si與Si0 2表面存在不同能級的界面陷阱，不同陷阱能級的載流子俘獲截面不 同，而式1的推導中只假設界面陷阱位于禁帶中央。為了解決這一問題，國內(nèi)外 [2,3]均推薦了 亞閾分離(又稱之為半帶電壓法)與柵掃描相結合的方法。其思路為將柵控晶體管的集電極 當作M0S管的漏，發(fā)射極作源，基區(qū)為襯底，柵電極為柵，通過測量M0S管的亞閾特性曲線，求 取半帶電壓V mg,sub，認為Vmg與柵掃描法中導致基區(qū)表面耗盡的電壓值乂^^是相等的，因此 Ib-Vc曲線中Vmg,sub所對應的IB值，即為式1中的I B-Pe5ak。但該方法不適用于基區(qū)輕摻雜的器 件，因為柵掃描法中發(fā)射結正偏，基區(qū)中有少數(shù)載流子注入，基區(qū)處于非平衡態(tài)，注入的少 子濃度遠大于本征基區(qū)的少子濃度，使得基區(qū)表面更易于耗盡。而在亞閾特性曲線測量中， 發(fā)射結反偏，基區(qū)沒有從發(fā)射極注入的少數(shù)載流子，近似處于平衡態(tài)。因此嚴格來講，|V mg,cs <|Vmg,sub|。在基區(qū)高摻雜情況下，若柵掃描法中發(fā)射結的偏壓使載流子為小注入情況，注 入少子與多子濃度相差很大，此時I Vmg,cs |~| Vmg,sub |，且發(fā)射結偏壓越小，注入基區(qū)的非平 衡少子濃度越小，兩者的差異越小。但在基區(qū)輕摻雜時，在相同的VEB時，注入少子與多子濃 度差別更小，更易于表面耗盡，使得V mg,CS與Vmg,sub有較大的差值(見圖4)，此時難以用亞閾分 離和柵掃描法相結合的方法來進行輻射感生產(chǎn)物的分離。
[0015] ⑶式1中載流子復合截面〇的取值無依據(jù)，不同文獻的取值不同（從1(T13~5X10 ~cm 2)，導致最終計算所得A Nlt值相差幾個量級。
[0016] (4)現(xiàn)有文獻中，對柵掃描法中發(fā)射結、集電結偏壓的選取沒出明確的選擇依據(jù)， 但在實際測量時，特別是發(fā)射結偏壓的選取，過大會導致I B-VC曲線的波形展寬，波峰平坦 化;過小則使復合電流太小，Ib測量的不確定度增大，從而影響輻射感生產(chǎn)物平均濃度提取 的準確性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017] 為了解決基極電流IB的峰值位置的提取不確定度大的技術問題，本發(fā)明在分析輻 射感生氧化物陷阱電荷和界面陷阱與雙極器件電參數(shù)相互關系的基礎上，提出了一種改進 的基于柵掃描法的雙極器件氧化層輻射感生產(chǎn)物的分離技術，使得對雙極器件中輻射感生 的氧化物陷阱電荷和界面陷阱的平均濃度的測量準確性更高，適用性更強。
[0018] 本發(fā)明采用的技術方案如下：
[0019] 本發(fā)明提供一種基于柵掃描法的雙極器件氧化層輻射感生產(chǎn)物的平均濃度提取 方法，包括以下步驟：
[0020] 步驟1)確定發(fā)射結正偏電壓與集電結的反偏電壓，確定柵掃描電壓的范圍及掃描 步距；
[0021] 步驟2)測量試驗對象輻射前后的柵掃描IB-VC曲線；
[0022] 其特殊之處在于:還包括：
[0023]步驟3)在柵掃描法中測量IB-Vc曲線的同時，測量Ic-Vc曲線，并將1 〇g(Ic)-Vc曲線 的拐點Vmg,c作為基區(qū)表面的耗盡電壓;Vmg,d^對應的基極電流為；
[0024]步驟4)利用式5)和式6)提取輻射感生產(chǎn)物的平均濃度；
(式 5);
[0026]其中：A IB_mg,e為福照后與福照前l(fā)B-mg,e的差值，Veb為發(fā)射結偏壓，m為Si半導體本 征載流子濃度，室溫下ru = 1.5 X l(T1()Cnf3，〇為表面載流子復合截面，一般為1(T13~10- 17cm2，uth為熱速度，室溫時uth= 107cm/s，q為電子的電荷量，T為絕對溫度，k為玻爾茲曼常 數(shù)，Speak為表面復合率最大值所對應的面積，一般情況下假設與基極的面積相同；
(式 6);
[0028]其中AVmg,c為輻照后與輻照前的Vmg,c差值，為單位面積上的柵電容，單位為C/ cm2。
[0029]上述柵掃描法中發(fā)射結正偏壓Vpn的取值范圍為：
(式 3 >;
[0031] 其中Nb為基區(qū)摻雜濃度，kT/q = 0.0259V，m為發(fā)射級注入基區(qū)的少子濃度與基區(qū) 摻雜的比值，m為硅的本征載流子濃度；
[0032] 柵掃描方法中集電結零偏或弱反偏。
[0033] 建議m〈〇.〇l。
[0034] 上述基于柵掃描法的雙極器件氧化層輻射感生產(chǎn)物的平均濃度提取方法，還包括 對式5中表面載流子復合截面進行校準的步驟，具體為：
[0035] 1)對器件進行輻照，并使電參數(shù)有明顯的退化量；
[0036] 2)分別利用柵掃描法及亞閾分離方法提取器件輻射后感生的界面陷阱平均濃度；
[0037] 3)設亞閾分離方法所獲取的界面陷阱濃度為Nlt,sub，柵掃描法所得的值為N lt,GS，載 流子復合截面初始值為M，則合理的復合截面〇取值應為：
(式 4 );
[0039] 其中k為常數(shù)，代表處于禁帶上方的受主陷阱濃度與禁帶下方的施主陷阱濃度的 比值，對于PNP管k~2,對于NPN管1^~0.5。4、根據(jù)權利要求3所述的基于柵掃描法的雙極器 件氧化層輻射感生產(chǎn)物的平均濃度提取方法，其特征在于：
[0040] 在對表面載流子復合截面進行校準時，柵掃描法中發(fā)射結的偏壓在式3所示范圍 內(nèi)選擇，并盡可能小，以使Vmg,GS與Vmg,sub盡可能接近，以提尚fe準結果的準確性。
[0041] 本發(fā)明還提供一種基于柵掃描法的雙極器件氧化層輻射感生產(chǎn)物的平均濃度提 取方法，包括以下步驟：
[0042] 步驟1)確定發(fā)射結與集電結的偏壓，確定柵掃描電壓的范圍及掃描步距；
[0043] 步驟2)開展輻射試驗，利用柵掃描法，提取輻射感生的界面陷阱和氧化物陷阱電 荷平均濃度；
[0044] 其中：
(式 1 );
[0046] 其中A IB-pe5ak為輻照前后基極電流最大值的變化量，VEB為發(fā)射結偏壓，m為Si半導 體本征載流子濃度，室溫下 m = 1.5 X l(T1()Cnr3，〇為表面載流子復合截面，一般為1(T13~10 - 17cm2，uth為熱速度，室溫時uth=107cm/s，q為電子的電荷量，T為絕對溫度，k為玻爾茲曼常 數(shù)，S peak為表面復合率最大值所對應的面積，一般情況下假設與基極的面積相同；
[0047] 輻射感生的氧化物陷阱電荷平均濃度如式2所示：
(式 2 );
[0049] 其中為單位面積上的柵電容，單位為C/cm2, AVpeak為輻照前后基極電流最大值 所對應柵極電壓的變化量，在理論上基極電流最大時，基極表面耗盡，因此Vpeak與使器件表 面耗盡的半帶電壓V mg, cs相等;其特殊之處在于:還包括：
[0050] 對界面陷阱的載流子復合截面校準的步驟，具體為：
[0051] 1)對器件進行輻照，并使電參數(shù)有明顯的退化量；
[0052] 2)分別利用柵掃描法及亞閾分離方法提取器件輻射后感生的界面陷阱平均濃度；
[0053] 3)設亞閾分離方法所獲取的界面陷阱濃度為Nlt,sub，柵掃描法所得的值為N lt,GS，分 離所用于載流子復合截面初始值為〇〇,則合理的復合截面〇取值應為：
(式 4 );
[0055]其中k為常數(shù)，代表處于禁帶上方的受主陷阱濃度與禁帶下方的施主陷阱濃度的 比值，對于PNP管k~2,對于NPN管1^~0.5。6、根據(jù)權利要求5所述的基于柵掃描法的雙極器 件氧化層輻射感生產(chǎn)物的平均濃度提取方法，其特征在于:柵掃描法中發(fā)射結偏壓V PN的取 值范圍為： (式 3);
[0057]其中Nb為基區(qū)摻雜濃度，kT/q = 0.0259V，m為發(fā)射級注入基區(qū)的少子濃度與基區(qū) 摻雜的比值，m為硅的本征載流子濃度;建議m〈0.01。柵掃描方法集電結零偏或弱反偏。 [0058]在對表面載流子復合截面進行校準時，柵掃描法中發(fā)射結的偏壓在式3所示范圍 內(nèi)選擇，并盡可能小，以使Vmg,GS與Vmg,sub盡可能接近，以提尚fe準結果的準確性；
(式 3 );
[0060]其中Nb為基區(qū)摻雜濃度，kT/q = 0.0259V，m為發(fā)射級注入基區(qū)的少子濃度與基區(qū) 摻雜的比值。
[0061 ]本發(fā)明所具有的積極效果：
[0062] 1.本發(fā)明針對柵掃描法所測Ib-Vc曲線由于界面態(tài)陷阱濃度小或多能級界面陷阱 共同存在時，曲線峰值位置不明顯，難以確定的問題，對柵掃描法進行了改進，提出在測量 Ib-Vc曲線的同時，測量Ic-Vc曲線，并求取log(Ic)-Vc曲線的拐點Vmg,c作為基區(qū)表面的耗盡 電壓，從而獲取輻射感生產(chǎn)物的平均濃度方法。與文獻所報導的柵掃描法和亞閾分離相結 合的方法相比，該方法不需要額外使用亞閥分離方法來獲取半帶電壓，且對不同的基區(qū)摻 雜濃度的器件均具有很好的適用性，既簡化了輻射感生產(chǎn)物的平均濃度分離的復雜度，又 增加了準確性和適用性。
[0063] 2.本發(fā)明針對原柵掃描法中載流子復合截面的取值無明確地選擇依據(jù)，不同的復 合截面取值，分離所得到的界面陷阱濃度可能相差2~3個量級的問題，給出了一種利用亞 閾分離方法進行粗略校準載流子復合截面的方法，使柵掃描法分離所得的結果更為準確。
[0064] 3.本發(fā)明針對原柵掃描法中發(fā)射結電壓、集電結電壓選擇無明確依據(jù)，不合理的 取值有可能導致分離結果完全不準確的問題，在理論分析及實驗實測的基礎上，給出了柵 掃描法中發(fā)射結電壓和集電結電壓的范圍。使得柵掃描法更易于使用，輻射感生產(chǎn)物平均 濃度的分離結果更為準確、可靠。
[0065] 附圖表說明
[0066]圖1為本發(fā)明中一種柵控橫向型PNP晶體管的縱向剖面圖；
[0067] 圖2為本發(fā)明中柵電壓掃描法分離獲取輻射感生氧化物陷阱電荷和界面態(tài)陷阱平 均濃度的基本原理圖；
[0068] 圖3為初始界面態(tài)陷阱濃度小或多能級界面陷阱共同存在所造成的IB-VC的峰值位 置難以確定；
[0069]圖4為基區(qū)低摻雜器件柵掃描法所測Ib-Vg曲線及亞閾特性曲線的比較，圖中表明 在低摻雜器件中，難以用亞閾分離與柵掃描相結合的方法實現(xiàn)福射感生電荷的分離；
[0070] 圖5為不同發(fā)射級偏壓對Ib-Vc曲線形狀的影響；
[0071] 圖6為一種柵控橫向PNP晶體管利用柵掃描法所測的I B_ Vc及I c_Vc曲線；
[0072] 圖7-種改進的基于柵掃描法的輻射感生產(chǎn)物提取方法基本流程；
[0073]圖8界面陷阱復合截面校準流程；
[0074]圖9輻射感生產(chǎn)物的提取流程；
[0075] 圖10為一種GLPNP輻照和退火過程中Ib-Vc曲線變化情況；
[0076] 圖11為傳統(tǒng)柵掃描方法和改進后方法提取所得的氧化物陷阱電荷平均濃度比較；
[0077] 表1為從柵掃描法所測IB-VC及Ic-Vc曲線中提取的Vmg, cs及Vmg,c的比較；
【具體實施方式】
[0078] 本發(fā)明的基于柵掃描法的雙極器件氧化層輻射感生產(chǎn)物的平均濃度提取方法，包 括以下步驟(流程見圖7):
[0079] (1)確定發(fā)射結與集電結的偏壓，確定柵掃描電壓的范圍及掃描步距；
[0080] (2)界面陷阱的載流子復合截面校準。開展總劑量效應試驗，測量試驗對象輻射前 后的柵掃描曲線及亞閾特性曲線，分別利用柵掃描法及亞閾分離法提取的界面陷阱濃度， 并利用式4對復合截面進行粗略校準。
[0081] (3)開展輻射試驗，利用柵掃描法(流程見圖9)，提取輻射感生的界面陷阱和氧化 物陷阱電荷平均濃度。
[0082] 其中步驟(1)中發(fā)射結偏壓V?的取值范圍建議為：
(式 3);
[0084]其中Nb為基區(qū)摻雜濃度，kT/q = 0.0259V，m為發(fā)射級注入基區(qū)的少子濃度與基區(qū) 摻雜的比值，建議m〈0.01。具體原因如下：
[0085] 當
時，發(fā)射極注入基區(qū)的少子濃度大，且與多子的濃 度相差不大，使基區(qū)表面更易于耗盡，導致Ib-Vc曲線的波形展寬、| Vmg,cs |變小及| Vmg,cs |的 確定更加困難(見圖5)。另外，當V?變大時，基極電流IB中的擴散電流漸漸占主導，會逐漸湮 沒輻射感生缺陷所導致的復合電流，導致分離結果的不確定度增加。因此定性的講，應該在 條件請允許的情況下，V PN盡可能小。本發(fā)明中建議m〈0.01是總結不同基區(qū)摻雜的GLPNP的 Ib-Vg曲線的基礎上提出的。
[0086] 當Vpn<0.2V時，從發(fā)射極注入體區(qū)的載流子濃度<108Cnf3,遠小于基區(qū)多子濃度 (一般大于l〇 15cnf3)，此時復合電流極小，對測量設備、測量環(huán)境要求苛刻，不易于實現(xiàn)。
[0087] 建議在柵掃描方法中使集電結零偏或弱反偏，具體原因是:輻射感生的氧化物陷 阱電荷及界面陷阱主要影響雙極三極管中基極電流中的復合電流大小。若集電極強反偏， 則在發(fā)射結小偏壓情況下，集電結的反偏產(chǎn)生電流不可忽略，而該電流與正偏復合電流呈 相反方向，導致中和掉部分復合電流，使輻射感生產(chǎn)物分離的準確性變差。
[0088] 針對式步驟3)柵掃描法測量時，載流子復合截面〇取值無依據(jù)的問題，本發(fā)明步驟 2)提出利用亞閾分離方法進行粗略校準的方法。具體方法如下：
[0089]對器件進行輻照，并使器件電參數(shù)有明顯的退化量。分別利用柵掃描法及亞閾分 離方法提取器件輻射感生的界面陷阱平均濃度。
[0090]基于亞閾曲線提取輻射感生產(chǎn)物平均濃度的流程包括（1)利用最大跨導法求器件 閾值電壓，即針對亞閾特性曲線Ic-Vg，在線性坐標內(nèi)求微分最大值點，并在該點作切線，切 線與橫軸的交點即為器件的閾值電壓V th<3(2)求取曲線的半帶電壓，即先求取l〇g(Ic)-Vc曲 線的微分最大值點，并作切線，切線與半帶電流的交點所對應的V C即為半帶電壓Vmg,sub。其 中半帶電流為：
(式 7 );
[0092] 其中u為載流子迀移率，W/L為器件寬長比，0 = q/(kT)，Vds為集電極偏壓，為表 面勢傘 s = kT/q ? ln(NB/ni)，a為常數(shù)，且a=esi/e〇x ? d/Ld，其中esi、％?；^Si與Si〇2的介電 常數(shù)，d為氧化層厚度，Ld為德拜長度。
[0093] 在利用柵掃描法時，在式6所示范圍內(nèi)選擇發(fā)射結偏壓，并盡可能小，以使Vmg,cs與 V mg,sub盡可能接近，以提高校準結果的準確性。設亞閾分離方法所獲取的界面陷阱濃度為 N lt, sub，柵掃描法所所得的值為化*, GS，分離所用于載流子復合截面初始值為〇Q，則合理的復 合截面〇取值應為：
(式 4);
[0095]其中k為常數(shù)，代表處于禁帶上方的受主陷阱濃度與禁帶下方的施主陷阱濃度的 比值，對于PNP管k~2,對于NPN管k~0.5。
[0096] 這是因為，亞閾分離方法時，當溝道從耗盡到反型時，對于P溝器件只有處于禁帶 下方的施主陷阱帶正電，處于禁帶上方的受主陷阱不帶電子，所分離的結果也只是處于禁 帶下方的界面陷阱，已有文獻報導，對于柵控器件，輻射感生的界面陷阱主要為受主陷阱， 且與施主陷阱的濃度比約為2:1。
[0097] 必須強調(diào)的是用以上所得到的〇值只是參考值，不是真實絕對值。因為柵掃描方法 中所獲取的界面陷阱濃度，實際是等效到能級處于禁帶中央的界面陷阱濃度。而亞閾分離 方法所獲取的界面陷阱濃度為表面從耗盡到反型中表現(xiàn)為正電性(PNP管）或負電性(NPN 管）的界面陷阱濃度，兩者在物理意義上不同，因此利用亞閾分離法對柵掃描法中復合截面 〇的校準只能是一種粗略大致的校準確，但可有效確定〇的取值范圍，提高柵掃描方法分離 結果的準確性。
[0098] 在利用現(xiàn)有柵掃描法進行雙極器件總劑量輻射感生產(chǎn)物平均濃度提取時，針對界 面態(tài)陷阱濃度小或多能級界面陷阱共同存在所造成的峰值位置難以確定的問題，提出在柵 掃描法中測量Ib-Vc曲線的同時，測量Ic-Vc曲線，并將l 〇g(Ic)-Vc曲線的拐點Vmg,c作為基區(qū) 表面的耗盡電壓。若柵壓V mg,dt的基極電流為IB-mg,c，則輻射感生產(chǎn)物的平均濃度可表示為
[0101]其中，求取柵掃描法所測Ic-Vc曲線在對數(shù)一線性坐標中的拐點Vmg,c;具體求取方 法為:對l〇g(IC)-Vc曲線進行微分，求取微分最大值點，并在該點作切線（由于通過單點作切 線有較大的不確定度，建議選取所有與微分最大值點相差不超過±5%的點進行線性擬 合），若切線用y = kVc+b表示，則當y等于基區(qū)表面平帶時的集電極電流時所對應的VC即為 Vmg, C 〇
[0102] 具體原理如下：在柵掃描方法中，使發(fā)射結正偏、集電結反偏或零偏，在柵電壓掃 描過程中，同時測量基極電流IB及集電極電流Ic(測量所得曲線見圖6)。在柵電壓|Vc|〈 V mg,CS|時，基極表面處于平帶到部分耗盡的狀態(tài)，此時從發(fā)射極注入到基區(qū)的少子小部分被 界面陷阱或本征基區(qū)的體陷阱所復合，大部分則流入到集電極形成Ic，由于Ic>>Ib，此時 Ic基本不變。當柵電壓繼增大時，基極表面從耗盡向反型轉變，集電極與發(fā)射極之間在基區(qū) 表面處有了一個如M0S器件的導電溝道，使得Ic快速增加，因此Ic曲線存在一個拐點V mg,c，且 Vmg,c~Vmg,GS。為了證明這一點，針對Ib-Vg曲線在輻射前后具有明顯峰值的器件，利用原柵電 壓掃描法及改進后的方法提取V mg，數(shù)據(jù)見表1所示，兩者間的差異〈5%，表明該方法是準確、 可行的。
[0103] 表1
[0105] 基于以上分析，鑒別傳統(tǒng)柵掃描方法是否可行可用如下方法:利用柵掃描法同時 測量I『VG、IC-V G，并獲?。,(；5^{^，如果兩者間的差異〈±5%，表明1『￥(；曲線峰值明顯，則 可用傳統(tǒng)方法，而若V mg,c@Vmg,c的差異>±5%，則用式5和式6提取輻射感生產(chǎn)物的平均濃 度。
[0106] 圖10為一種GLPNP輻射過程及室溫退火過程中所測的IB-VC曲線，可以看出在器件 在輻照總劑量為13.5krad(Si)時，I B-VC曲線出現(xiàn)波峰平坦化，無明顯峰值。圖11為該器件實 驗數(shù)據(jù)分別使用傳統(tǒng)柵掃描方法和改進后的方法所提取的氧化物陷阱電荷平均濃度曲線。 可以看出傳統(tǒng)柵掃描方法提取所得的氧化物陷阱電荷濃度在13.5krad(Si)后突然下降，在 室溫退火過程中出現(xiàn)先下降后增長的趨勢，這在理論上是不可能的，因為目前國內(nèi)外的所 有研究結果顯示，輻照導致氧化物陷阱電荷的增長，而隨后的室溫退火則主要是氧化物陷 阱電荷受襯底陷阱隧穿或熱激發(fā)作用，氧化物陷阱電荷濃度隨時間的增長逐漸減小。而圖8 中利用本發(fā)明中改進的柵掃描法所提取的氧化物電荷濃度的變化規(guī)律則與現(xiàn)有理論與認 識完全相同，表明改進后的柵掃描法簡單有效的解決了 Ib-Vc曲線波峰平坦化情況下的輻射 感生電荷分離問題。
【主權項】
1. 一種基于柵掃描法的雙極器件氧化層福射感生產(chǎn)物的平均濃度提取方法，包括W下 步驟： 步驟1)確定發(fā)射結正偏電壓與集電結的反偏電壓，確定柵掃描電壓的范圍及掃描步 距； 步驟2)測量試驗對象福射前后的柵掃描Ib-Vc曲線； 其特征在于:還包括： 步驟3)在柵掃描法中測量Ib-Vc曲線的同時，測量Ic-Vc曲線，并將Iog(Ic)-Vc曲線的拐 點Vmg,C作為基區(qū)表面的耗盡電壓;Vmg,C所對應的基極電流為； 步驟4)利用古5)巧古fi)梅取結制?咸牛產(chǎn)物的平均濃度；(武 5 )，其中：A iB-mg,C為福照后與福照前iB-mg,C的差值，Veb為發(fā)射結偏壓，m為Si半導體本征載 流子濃度，室溫下m = 1.5 X ICrWcnf3，0為表面載流子復合截面，一般為lO^u~ICTi7Cm2，Uth 為熱速度，室溫時化h=l〇7cm/s，q為電子的電荷量，T為絕對溫度，k為玻爾茲曼常數(shù)，Speak為 表面復合率最大值所曰一 了假設與基極的面積相同. (式 6 )， 其中A Vmg,C為祐IVrW 口 日U PTJ Vmg,U圧^,Cox為單位面積上的柵電容，單位為C/cm2。2. 根據(jù)權利要求1所述的基于柵掃描法的雙極器件氧化層福射感生產(chǎn)物的平均濃度提 取方法，其特征在于：柵掃描法由貨射結TF偏圧Vdw的前估前面責. (戎 3 )， 其中Nb為基區(qū)滲雜濃度，kT/q = 0.0259V，m為發(fā)射級注入基區(qū)的少子濃度與基區(qū)滲雜的 比值，m為娃的本征載流子濃度； 柵掃描方法中集電結零偏或弱反偏。3. 根據(jù)權利要求2所述的基于柵掃描法的雙極器件氧化層福射感生產(chǎn)物的平均濃度提 取方法，其特征在于:m<0.0 l。4. 根據(jù)權利要求1或2或3所述的基于柵掃描法的雙極器件氧化層福射感生產(chǎn)物的平均 濃度提取方法，其特征在于： 還包括對式5中表面載流子復合截面進行校準的步驟，具體為： 1) 對器件進行福照，并使電參數(shù)有明顯的退化量； 2) 分別利用柵掃描法及亞闊分離方法提取器件福射后感生的界面陷阱平均濃度； 3) 設亞闊分離方法所獲取的界面陷阱濃度為Nit,sub,柵掃描法所得的值為Nit,GS，載流子 復合截面初始值為OO，則合理的復合截面O取值應為：(式 4 )， 其中k為常數(shù)，代表處于禁帶上方的受主陷阱濃度與禁帶下方的施主陷阱濃度的比值， 對于PNP管2，對于NPN管k>0.5。5. 根據(jù)權利要求4所述的基于柵掃描法的雙極器件氧化層福射感生產(chǎn)物的平均濃度提 取方法，其特征在于： 在對表面載流子復合截面進行校準時，柵掃描法中發(fā)射結的偏壓在式3所示范圍內(nèi)選 擇，并盡可能小，W使Vmg,GS與Vmg,SUb盡可能接近，W提高校準結果的準確性。6. -種基于柵掃描法的雙極器件氧化層福射感生產(chǎn)物的平均濃度提取方法，包括W下 步驟： 步驟1)確定發(fā)射結與集電結的偏壓，確定柵掃描電壓的范圍及掃描步距； 步驟2)開展福射試驗，利用柵掃描法，提取福射感生的界面陷阱和氧化物陷阱電荷平 均濃度；其中： (戴 '1 )， 其中A iB-peak刃稱脫前后基做電流最大值的變化量，Veb為發(fā)射結偏壓，m為Si半導體本 征載流子濃度，室溫下ni = 1.5 X ICTWcnf3，O為表面載流子復合截面，一般為ICTi3~10- "cm2，叫功熱速度，室溫時叫h= 107cm/s，q為電子的電荷量，T為絕對溫度，k為玻爾茲曼常 數(shù)，Speak為表面復合率最大值所對應的面積，一般情況下假設與基極的面積相同； 福射感生的氧化物陷講由謊平挽濃度如式2所示：(或 2 )， 其中Cox為單位面積上的柵電容，單位為C/cm2, A Vpeak為福照前后基極電流最大值所對 應柵極電壓的變化量，在理論上基極電流最大時，基極表面耗盡，因此Vpeak與使器件表面耗 盡的半帶電壓Vmg, GS相等； 其特征在于:還包括： 對界面陷阱的載流子復合截面校準的步驟，具體為： 1 )對器件進行福照，并使電參數(shù)有明顯的退化量； 2) 分別利用柵掃描法及亞闊分離方法提取器件福射后感生的界面陷阱平均濃度； 3) 設亞闊分離方法所獲取的界面陷阱濃度為Nit,sub,柵掃描法所得的值為Nit,GS，分離所 用于載流子復合裁而巧始值為on.則合巧的官合截面O取值應為：(式 4 )， 其中k為常數(shù)，代表處于禁帶上方的受主陷阱濃度與禁帶下方的施主陷阱濃度的比值， 對于PNP管2，對于NPN管k>0.5。7. 根據(jù)權利要求6所述的基于柵掃描法的雙極器件氧化層福射感生產(chǎn)物的平均濃度提 取方法，其特征在于:柵掃描法中發(fā)射結偏壓Vpn的取值范圍為：(.受 3 )，. 其中Nb為基區(qū)滲雜濃度，kT/q = 0.0259V，m為發(fā)射級注入基區(qū)的少子濃度與基區(qū)滲雜的 比值，m為娃的本征載流子濃度； 柵掃描方法集電結零偏或弱反偏。8. 根據(jù)權利要求7所述的基于柵掃描法的雙極器件氧化層福射感生產(chǎn)物的平均濃度提 取方法，其特征在于:m<0.0 l。9. 根據(jù)權利要求6或7或8所述的基于柵掃描法的雙極器件氧化層福射感生產(chǎn)物的平均 濃度提取方法，其特征在于： 在對表面載流子復合截面進行校準時，柵掃描法中發(fā)射結的偏壓在式3所示范圍內(nèi)選 擇，并盡可能小，Pi伸S與S,,h盡可能接巧，Pi提高校準結果的準確性；(戎 3 其中Nb為基區(qū)慘萊濃度，kT/q = 0.0259V，m為發(fā)射級注入基區(qū)的少子濃度與基區(qū)滲雜的 比值。
【文檔編號】G01R31/265GK105911448SQ201610240906
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月18日
【發(fā)明人】姚志斌, 陳偉, 何寶平, 馬武英, 劉敏波, 盛江坤, 黃紹艷, 王祖軍
【申請人】西北核技術研究所