一种抑制双极工艺电子元器件中氧化物俘获正电荷形成的方法

摘要

一种抑制双极工艺电子元器件中氧化物俘获正电荷形成的方法，涉及一种抑制电子元器件氧化物俘获正电荷形成的方法。是要解决现有双极工艺电子元器件存在辐射产生氧化物俘获电荷现象，改变载流子的表面复合速率，进而影响少子寿命的问题。方法：一、确定试样的芯片厚度a；二、计算入射粒子在试样芯片中的入射深度d；三、计算电离吸收剂量I

说明书

技术领域

本发明涉及一种抑制电子元器件氧化物俘获正电荷形成的方法。

背景技术

随着科技的发展，我国的航天事业发展取得了长足的进步，已经跻身航天强国行列，各式各样的航天器已经与我们的生活和安全息息相关。航天器用电子元器件在轨服役过程中必然会遭受宇宙空间环境的各种影响，这些影响因素包括太阳宇宙线粒子，银河宇宙线粒子及地球辐射带等辐射环境。电子元器件在航天器的电子控制系统和信息系统中起着至关重要的作用。空间的各种辐射环境会导致其性能退化、功能异常甚至失效。

空间带电辐射粒子主要包括电子、质子及离粒子。这些带电粒子通过电离辐射效应、位移辐射效应和单粒子效应对电子元器件的性能造成影响。其中，电离效应是国际上研究的热点问题。对于采用SiO₂作为绝缘材料和钝化层的双极工艺电子元器件，在不同类型辐射粒子的作用下，会在氧化物层中产生电子—空穴对。由于电子在氧化层中迁移速度大，可以快速地被扫出氧化物层；空穴在氧化物层中的迁移速率小，被氧化物层中缺陷俘获的概率大，会形成氧化物俘获正电荷。除此之外，空穴在氧化物层迁移过程中，会与含氢缺陷发生反应，释放氢离子。氢离子会逐渐输运到Si/SiO₂界面，与Si-H键发生反应，形成Si悬挂键，进而造成界面态缺陷。氧化物俘获电荷和界面态均会改变载流子的表面复合速率，进而影响少子寿命，导致电子器件的性能发生退化。

发明内容

本发明是要解决现有采用SiO₂作为绝缘材料和钝化层的电子元器件存在氧化物俘获电荷现象，改变载流子的表面复合速率，进而影响少子寿命的问题，提供一种抑制双极工艺电子元器件中氧化物俘获正电荷形成的方法。

本发明抑制双极工艺电子元器件中氧化物俘获正电荷形成的方法，包括以下步骤：

步骤一、确定电子元器件试样的芯片厚度a；所述电子元器件为采用SiO₂作为绝缘材料和钝化层的双极工艺电子元器件；

步骤二、选择入射粒子，通过Geant4软件，输入入射粒子的辐射源能量，计算入射粒子在试样芯片中的入射深度d，保证输入的辐射源能量满足d＞4a；

所述入射粒子为光子、介子、带电粒子或中子；

步骤三、根据步骤二的辐射源能量，通过Geant4软件，计算单位注量的入射粒子在试样内的电离吸收剂量(I_d)和位移吸收剂量(D_d)；

根据电离吸收剂量(I_d)和位移吸收剂量(D_d)随着入射深度的分布，获得电离吸收剂量(I_d)和位移吸收剂量(D_d)在试样内部产生的损伤的不均匀度，若不均匀度≥10％，则返回步骤二；(若存在任意一个不均匀度≥10％，都要返回步骤二)

若不均匀度都小于10％，则进行步骤四；

步骤四、计算log[(I_d+D_d)/D_d]值，若log[(I_d+D_d)/D_d]≤5，则返回步骤二；

若log[(I_d+D_d)/D_d]>5，则进行步骤五；

其中，在已经明确入射粒子和该入射粒子的辐照源的输入能量下，log[(I_d+D_d)/D_d]>5能够保证是以入射粒子对SiO₂材料试样的损伤类型是以电离损伤为主；保证log[(I_d+D_d)/D_d]>5能够保证电离前期产生的氧化物俘获正电荷；

步骤五、若入射粒子为光子，则调整入射粒子的剂量率R₁>10rad/s；若入射粒子为带电粒子、介子或中子，则调整入射粒子的辐照通量Φ₁，使Φ₁×I_d>10rad/s；

步骤六、采用步骤五中的辐照通量或剂量率进行第一次辐照试样，辐照总剂量G为：20krad<G<600krad；

由于氧化物俘获正电荷在室温下是不稳定的，易于发生退火效应，影响试验结果，因此，保证在第一次高通量或剂量率辐照试验结束后90min内，进行二次低剂量率/通量辐照试验。

步骤七、在第一次辐照结束后90min内进行二次辐照，若入射粒子为光子，则调整二次辐照中入射粒子的剂量率R₂<20mrad/s；若入射粒子为带电粒子、介子或中子，则调整二次辐照中入射粒子的辐照通量Φ₂，使Φ₂×I_d<20mrad/s，二次辐照的辐照总剂量>20krad，即完成。

本发明的原理：

电离损伤会在电子器件内部产生氧化物电荷和界面态。本发明基于变化辐照剂量率(或辐照通量)的方法，即先进行高剂量率(或高辐照通量)辐照，再进行低剂量率(或低辐照通量)辐照，通过顺序辐照来实现抑制电子器件内氧化物俘获正电荷的过程，达到分离氧化物俘获正电荷和界面态的目的。

本发明基于Monte Carlo计算方法，计算单位注量入射粒子的电离/位移吸收剂量和射程，根据电离和位移吸收剂量的比例关系，确定入射粒子的辐照通量(剂量率)及辐照顺序，达到抑制氧化物俘获正电荷形成的目的。

当发生电离损伤时，不同类型的入射粒子(尤其是不同类型的带电粒子)，会在瞬间导致大量的电子—空穴对。这些电子/空穴对在室温条件下不稳定，大部分会发生复合。未发生复合的电子/空穴对会继续在材料与器件中运动。由于电子的迁移率较大，最后剩余的空穴会被材料和器件中固有的缺陷所俘获。这些被俘获的空穴，会形成氧化物俘获正电荷，进而影响材料和器件的性能。同时，这些被俘获的空穴同样会影响后续电离损伤诱导产生的电子—空穴对复合和输运过程。如果能够基于不同的剂量率(辐照通量)条件，保证电离前期产生的氧化物俘获正电荷，会被后续的电离过程所退火，进而抑制氧化物电荷的形成，对辐射损伤微观机理研究具有重要的意义。

本发明的有益效果：

本发明是先后通过改变辐照通量(剂量率)，保证在前期高辐照通量(剂量率)电离辐射产生的氧化物俘获正电荷，会在后续低辐照通量(剂量率)电离辐射过程中发生退火，进而抑制氧化物电荷的形成。由于氧化物俘获正电荷在室温下是不稳定的，易于发生退火效应，影响试验结果，因此，保证在第一次高通量或剂量率辐照试验结束后90min内，进行二次低剂量率/通量辐照试验。

本发明基于变辐照通量(剂量率)的顺序辐照方法来抑制氧化物俘获正电荷的形成，步骤简单，易于操作。本发明所提出的技术途径能够大幅度降低试验的费用，抑制氧化物俘获正电荷对电子器件性能衰退的影响，进而有利于分别研究氧化物俘获正电荷和界面态对电子器件辐射损伤性能的影响。对材料和器件空间环境效应地面模拟试验和研究具有重大的意义。在空间环境效应研究与抗辐照加固技术应用中，有着明显的优势和广泛的应用前景。

附图说明

图1为GLPNP型晶体管Δβ随辐射剂量的变化关系；

图2为GLPNP型晶体管Δ(1/β)随辐射剂量的变化关系；

图3为各种辐照条件下，氧化物电荷浓度随辐照剂量的变化曲线。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。

具体实施方式一：本实施方式抑制双极工艺电子元器件中氧化物俘获正电荷形成的方法，包括以下步骤：

步骤一、确定电子元器件试样的芯片厚度a；

步骤二、选择入射粒子，通过Geant4软件，输入入射粒子的辐射源能量，计算入射粒子在试样芯片中的入射深度d，保证输入的辐射源能量满足d＞4a；

步骤三、根据步骤二的辐射源能量，通过Geant4软件，计算单位注量的入射粒子在试样内的电离吸收剂量(I_d)和位移吸收剂量(D_d)；

根据电离吸收剂量(I_d)和位移吸收剂量(D_d)随着入射深度的分布，获得电离吸收剂量(I_d)和位移吸收剂量(D_d)在试样内部产生的损伤的不均匀度，若不均匀度≥10％，则返回步骤二；

若不均匀度都小于10％，则进行步骤四；

步骤四、计算log[(I_d+D_d)/D_d]值，若log[(I_d+D_d)/D_d]≤5，则返回步骤二；

若log[(I_d+D_d)/D_d]>5，则进行步骤五；

步骤五、若入射粒子为光子，则调整入射粒子的剂量率R₁>10rad/s；若入射粒子为带电粒子、介子或中子，则调整入射粒子的辐照通量Φ₁，使Φ₁×I_d>10rad/s；

步骤六、采用步骤五中的辐照通量或剂量率进行第一次辐照试样，辐照总剂量G为：20krad<G<600krad；

步骤七、在第一次辐照结束后90min内进行二次辐照，若入射粒子为光子，则调整二次辐照中入射粒子的剂量率R₂<20mrad/s；若入射粒子为带电粒子、介子或中子，则调整二次辐照中入射粒子的辐照通量Φ₂，使Φ₂×I_d<20mrad/s，二次辐照的辐照总剂量>20krad，即完成。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述电子元器件为采用SiO₂作为绝缘材料和钝化层的双极工艺电子元器件。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤二中所述入射粒子为光子、介子、带电粒子或中子。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤六中的辐照总剂量G为300krad，步骤七中二次辐照的辐照总剂量为25krad。其它与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤六中的辐照总剂量G为500krad，步骤七中二次辐照的辐照总剂量为25krad。其它与具体实施方式一至三之一相同。

下面对本发明的实施例做详细说明，以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方案和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：

步骤一、确定GPNP双极晶体管试样的芯片厚度a为350μm；

步骤二、选择能量为1.2MeV的入射粒子Co-60γ射线，通过Geant4软件计算，入射粒子在试样中达到入射深度d＝54mm，d＞4a；

步骤三、根据步骤二的辐射源输入能量，通过Geant4软件，计算单位注量的入射粒子在试样内的电离吸收剂量(I_d)为5.8×10^-12rad/(1/cm²)，位移吸收剂量(D_d)为1.2×10^-19rad/(1/cm²)；

根据电离吸收剂量(I_d)和位移吸收剂量(D_d)随着入射深度的分布，获得电离吸收剂量(I_d)和位移吸收剂量(D_d)在试样内部产生的损伤的不均匀度，不均匀度小于10％；

步骤四、计算log[(I_d+D_d)/D_d]值，log[(I_d+D_d)/D_d]＝7.7，满足log[(I_d+D_d)/D_d]>5，则进行步骤五；

步骤五、调整晶体管在辐射场中的位置，使得入射粒子的辐照剂量率R₁为100rad/s；

步骤六、采用步骤五中的剂量率进行第一次辐照试验，辐照总剂量G为300krad；

步骤七、在第一次辐照结束后90min内进行二次辐照，，调整入射粒子的辐照剂量率R₂为10mrad/s；二次辐照的辐照总剂量为25krad，即完成。

实施例2：

本实施例与实施例1不同之处在于：步骤六中辐照总剂量G为500krad；步骤七中二次辐照的辐照总剂量为25krad，其他与实施例1相同。

实施例3：

本实施例与实施例1不同之处在于：步骤六中辐照总剂量G为20krad；步骤七中二次辐照的辐照总剂量为100krad，其他与实施例1相同。

实施例4：

本实施例与实施例1不同之处在于：步骤六中辐照总剂量G为50krad；步骤七中二次辐照的辐照总剂量为100krad，其他与实施例1相同。

实施例5：

本实施例与实施例1不同之处在于：步骤六中辐照总剂量G为100krad；步骤七中二次辐照的辐照总剂量为100krad，其他与实施例1相同。

实施例6：

本实施例与实施例1不同之处在于：步骤六中辐照总剂量G为150krad；步骤七中二次辐照的辐照总剂量为100krad，其他与实施例1相同。

图1和图2分别为GLPNP型晶体管Δβ及Δ(1/β)随辐射剂量的变化关系。图中，先在100rad/s的条件下进行辐照试验，当辐照总剂量达到50krad时，转换为10mrad/s进行辐照试验。开关剂量率下以50krad为节点辐照时。如图可得，随着辐照剂量的增加，电流增益的变化量逐渐增大，电流增益倒数的变化量也增加，晶体管电性能损伤逐渐增大。而且同样可以得出在100rad/s的剂量率条件下，器件的电流增益变化量和电流增益倒数变化量的变化都较为平缓，而切换为10mrad/s的剂量率之后，其随辐照剂量的变化曲线变得非常陡。

图3为在高剂量率辐照后，当总剂量小于500krad时，各种辐照条件下器件氧化物电荷浓度的变化曲线。图3中曲线1表示高辐照总剂量为300krad，低辐照总剂量为25krad；曲线2表示高辐照总剂量为500krad，低辐照总剂量为25krad；曲线3表示高辐照总剂量为20krad，低辐照总剂量为100krad；曲线4表示高辐照总剂量为50krad，低辐照总剂量为100krad；曲线5表示高辐照总剂量为100krad，低辐照总剂量为100krad；曲线6表示高辐照总剂量为150krad，低辐照总剂量为100krad。100rad/s剂量率条件下的器件内部氧化物电荷浓度最高，并且随着辐照剂量的增加，氧化物电荷浓度持续升高；变为低剂量率条件下的器件，前半部分高剂量率条件下氧化物电荷浓度与纯高剂量率条件下一致，后半部分切换为低剂量率后，氧化物电荷浓度迅速下降，下降到一定程度后氧化物电荷浓度下降速度有所减慢。由此说明了本方法抑制了氧化物俘获正电荷形成。