基于栅扫描法的双极器件总剂量辐射感生产物平均浓度提取方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于栅扫描法的双极器件总剂量辐射感生产物平均浓度提取方法，针对栅扫描法所测IB?VG曲线由于界面态陷阱浓度小或多能级界面陷阱共同存在时，曲线峰值位置不明显，难以确定的问题，对栅扫描法进行了改进，提出在测量IB?VG曲线的同时，测量IC?VG曲线，并求取log(IC)?VG曲线的拐点Vmg,C作为基区表面的耗尽电压，从而获取辐射感生产物的平均浓度方法。与文献所报导的栅扫描法和亚阈分离相结合的方法相比，该方法不需要额外使用亚阀分离方法来获取半带电压，且对不同的基区掺杂浓度的器件均具有很好的适用性，既简化了辐射感生产物的平均浓度分离的复杂度，又增加了准确性和适用性。
【专利说明】
基于栅扫描法的双极器件总剂量辐射感生产物平均浓度提取 方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种双极器件总剂量效应的测量方法，尤其涉及一种基于栅扫描法的 双极器件总剂量辐射感生产物的平均浓度提取方法。
【背景技术】
[0002] 空间的天然辐射环境及核辐射环境，会在电子器件中产生电离辐射累积效应(简 称为总剂量效应），从而导致电子器件电参数的退化甚至功能失效，严重影响航天器及战略 武器的寿命及可靠性，因此必须开展总剂量效应的机理研究及电子器件的抗总剂量性能加 固研究。
[0003] 总剂量效应主要产生于电子器件的氧化层和Si与Si02的界面，并主要形成两种辐 射感生产物，分别为在氧化层内形成的正氧化物陷阱电荷和在Si与Si0 2表面形成的界面陷 阱。这两种辐射感生产物是导致器件电参数退化的根本原因。因此测量或提取这种产物特 征(如平均浓度、空间分布、能级分布等)在辐射前后的变化，就成为电子器件总剂量效应机 理研究中必须解决的关键问题。本发明只涉及一种辐射感生产物平均浓度的测量方法。目 前国内外还无直接测量辐射感生产物平均浓度的方法，主要通过测量器件电参数间接提 取。
[0004] 目前航天器及战略武器中使用的电子器件主要有M0S及双极器件两大类。M0S器件 中，由于两种辐射感生产物对器件阈值电压的影响相互独立且线性叠加，因此其平均浓度 分离方法相对简单，且已经很成熟。但在双极器件中，界面陷阱导致器件参数的直接退化， 氧化物陷阱通过调节表面势从而间接调制界面陷阱的作用，两者对器件电参数的影响是非 线性的，使得双极器件中辐射感生产物的分离更加困难。
[0005] 目前国内外主要采用一种栅扫描法来实现对双极器件辐射感生产物的提取(一种 用于横向NPN晶体管电离辐射损伤的定量测试方法（申请号：CN201410172919)，用于纵向 NPN晶体管电离辐射损伤的定量测试方法（申请号:CN201410172916))。该方法主要必须依 赖于一种特殊的器件结构，它是在基区的氧化层上制作一个栅电极，形成一个栅控的晶体 管（如图1所示），这是因为双极器件的辐射敏感物理位置主要为发射结耗尽区及基区上的 氧化层。栅扫描法的基本原理如图2所示。在辐照前后测量时，使栅控晶体管处于正常工作 状态(发射结正偏，集电结反偏），随后在栅电极上加扫描电压，使基区靠近Si0 2表面从平带 逐渐过渡到耗尽、再到反型，在这个过程中测量基极电流。当基区表面平带或反型时，表面 处载流子浓度相差很大，根据间接复合理论，界面陷阱作为复合中心的作用很小。而在基区 表面耗尽时，表面空穴与电子的浓度相等，界面陷阱复合中心的作用最为明显，因此基极电 流有最大值，且最大值辐照前后变化量与辐射感生界面陷阱的平均浓度成正比。而辐射感 生正氧化物陷阱电荷的存在改变了氧化层电场，使基区表面耗尽所需的栅电压值发生改 变，因此基极电流的最大值位置的变化量则与氧化物陷阱电荷的平均浓度成正比。
[0006] 对于栅控横向型PNP晶体管，辐射感生的界面陷阱平均浓度如式1所示： (式 1);
[0008]其中A IB-pe5ak为辐照前后基极电流最大值的变化量，VEB为发射结偏压，m为Si半导 体本征载流子浓度，室温下m = 1.5 X l(T1()Cnr3，〇为表面载流子复合截面，一般为1(T13~10 - 17cm2，uth为热速度，室温时uth=107cm/s，q为电子的电荷量，T为绝对温度，k为玻尔兹曼常 数，S peak为表面复合率最大值所对应的面积，一般情况下假设与基极的面积相同。
[0009 ]辐射感生的氧化物陷阱电荷平均浓度如式2所示：
(式 2);
[0011] 其中为单位面积上的栅电容，单位为C/cm2, AVpeak为辐照前后基极电流最大值 所对应栅极电压的变化量。在理论上基极电流最大时，基极表面耗尽，因此V peak与使器件表 面耗尽的半带电压Vmg,cs相等。
[0012] 但该方法存在如下几个问题：
[0013] (1)辐照前，由于器件本身固有的界面陷阱较少，使基极电流IB的峰值位置的提取 不确定度大(如图3所示），影响辐射感生产物浓度提取结果的准确性。
[0014] (2)在一些器件中，栅扫描法所测Ib-Vc曲线的波峰平坦化(如图3所示），使得基极 电流Ib的峰值位置V peak难以确定。对于这一问题，国内外已有文献报导[1]，认为导致这一现 象的原因是Si与Si0 2表面存在不同能级的界面陷阱，不同陷阱能级的载流子俘获截面不 同，而式1的推导中只假设界面陷阱位于禁带中央。为了解决这一问题，国内外 [2,3]均推荐了 亚阈分离(又称之为半带电压法)与栅扫描相结合的方法。其思路为将栅控晶体管的集电极 当作M0S管的漏，发射极作源，基区为衬底，栅电极为栅，通过测量M0S管的亚阈特性曲线，求 取半带电压V mg,sub，认为Vmg与栅扫描法中导致基区表面耗尽的电压值乂^^是相等的，因此 Ib-Vc曲线中Vmg,sub所对应的IB值，即为式1中的I B-Pe5ak。但该方法不适用于基区轻掺杂的器 件，因为栅扫描法中发射结正偏，基区中有少数载流子注入，基区处于非平衡态，注入的少 子浓度远大于本征基区的少子浓度，使得基区表面更易于耗尽。而在亚阈特性曲线测量中， 发射结反偏，基区没有从发射极注入的少数载流子，近似处于平衡态。因此严格来讲，|V mg,cs <|Vmg,sub|。在基区高掺杂情况下，若栅扫描法中发射结的偏压使载流子为小注入情况，注 入少子与多子浓度相差很大，此时I Vmg,cs |~| Vmg,sub |，且发射结偏压越小，注入基区的非平 衡少子浓度越小，两者的差异越小。但在基区轻掺杂时，在相同的VEB时，注入少子与多子浓 度差别更小，更易于表面耗尽，使得V mg,CS与Vmg,sub有较大的差值(见图4)，此时难以用亚阈分 离和栅扫描法相结合的方法来进行辐射感生产物的分离。
[0015] ⑶式1中载流子复合截面〇的取值无依据，不同文献的取值不同（从1(T13~5X10 ~cm 2)，导致最终计算所得A Nlt值相差几个量级。
[0016] (4)现有文献中，对栅扫描法中发射结、集电结偏压的选取没出明确的选择依据， 但在实际测量时，特别是发射结偏压的选取，过大会导致I B-VC曲线的波形展宽，波峰平坦 化;过小则使复合电流太小，Ib测量的不确定度增大，从而影响辐射感生产物平均浓度提取 的准确性。
【发明内容】
[0017] 为了解决基极电流IB的峰值位置的提取不确定度大的技术问题，本发明在分析辐 射感生氧化物陷阱电荷和界面陷阱与双极器件电参数相互关系的基础上，提出了一种改进 的基于栅扫描法的双极器件氧化层辐射感生产物的分离技术，使得对双极器件中辐射感生 的氧化物陷阱电荷和界面陷阱的平均浓度的测量准确性更高，适用性更强。
[0018] 本发明采用的技术方案如下：
[0019] 本发明提供一种基于栅扫描法的双极器件氧化层辐射感生产物的平均浓度提取 方法，包括以下步骤：
[0020] 步骤1)确定发射结正偏电压与集电结的反偏电压，确定栅扫描电压的范围及扫描 步距；
[0021] 步骤2)测量试验对象辐射前后的栅扫描IB-VC曲线；
[0022] 其特殊之处在于:还包括：
[0023]步骤3)在栅扫描法中测量IB-Vc曲线的同时，测量Ic-Vc曲线，并将1 〇g(Ic)-Vc曲线 的拐点Vmg,c作为基区表面的耗尽电压;Vmg,d^对应的基极电流为；
[0024]步骤4)利用式5)和式6)提取辐射感生产物的平均浓度；
(式 5);
[0026]其中：A IB_mg,e为福照后与福照前lB-mg,e的差值，Veb为发射结偏压，m为Si半导体本 征载流子浓度，室温下ru = 1.5 X l(T1()Cnf3，〇为表面载流子复合截面，一般为1(T13~10- 17cm2，uth为热速度，室温时uth= 107cm/s，q为电子的电荷量，T为绝对温度，k为玻尔兹曼常 数，Speak为表面复合率最大值所对应的面积，一般情况下假设与基极的面积相同；
(式 6);
[0028]其中AVmg,c为辐照后与辐照前的Vmg,c差值，为单位面积上的栅电容，单位为C/ cm2。
[0029]上述栅扫描法中发射结正偏压Vpn的取值范围为：
(式 3 >;
[0031] 其中Nb为基区掺杂浓度，kT/q = 0.0259V，m为发射级注入基区的少子浓度与基区 掺杂的比值，m为硅的本征载流子浓度；
[0032] 栅扫描方法中集电结零偏或弱反偏。
[0033] 建议m〈〇.〇l。
[0034] 上述基于栅扫描法的双极器件氧化层辐射感生产物的平均浓度提取方法，还包括 对式5中表面载流子复合截面进行校准的步骤，具体为：
[0035] 1)对器件进行辐照，并使电参数有明显的退化量；
[0036] 2)分别利用栅扫描法及亚阈分离方法提取器件辐射后感生的界面陷阱平均浓度；
[0037] 3)设亚阈分离方法所获取的界面陷阱浓度为Nlt,sub，栅扫描法所得的值为N lt,GS，载 流子复合截面初始值为M，则合理的复合截面〇取值应为：
(式 4 );
[0039] 其中k为常数，代表处于禁带上方的受主陷阱浓度与禁带下方的施主陷阱浓度的 比值，对于PNP管k~2,对于NPN管1^~0.5。4、根据权利要求3所述的基于栅扫描法的双极器 件氧化层辐射感生产物的平均浓度提取方法，其特征在于：
[0040] 在对表面载流子复合截面进行校准时，栅扫描法中发射结的偏压在式3所示范围 内选择，并尽可能小，以使Vmg,GS与Vmg,sub尽可能接近，以提尚fe准结果的准确性。
[0041] 本发明还提供一种基于栅扫描法的双极器件氧化层辐射感生产物的平均浓度提 取方法，包括以下步骤：
[0042] 步骤1)确定发射结与集电结的偏压，确定栅扫描电压的范围及扫描步距；
[0043] 步骤2)开展辐射试验，利用栅扫描法，提取辐射感生的界面陷阱和氧化物陷阱电 荷平均浓度；
[0044] 其中：
(式 1 );
[0046] 其中A IB-pe5ak为辐照前后基极电流最大值的变化量，VEB为发射结偏压，m为Si半导 体本征载流子浓度，室温下 m = 1.5 X l(T1()Cnr3，〇为表面载流子复合截面，一般为1(T13~10 - 17cm2，uth为热速度，室温时uth=107cm/s，q为电子的电荷量，T为绝对温度，k为玻尔兹曼常 数，S peak为表面复合率最大值所对应的面积，一般情况下假设与基极的面积相同；
[0047] 辐射感生的氧化物陷阱电荷平均浓度如式2所示：
(式 2 );
[0049] 其中为单位面积上的栅电容，单位为C/cm2, AVpeak为辐照前后基极电流最大值 所对应栅极电压的变化量，在理论上基极电流最大时，基极表面耗尽，因此Vpeak与使器件表 面耗尽的半带电压V mg, cs相等;其特殊之处在于:还包括：
[0050] 对界面陷阱的载流子复合截面校准的步骤，具体为：
[0051] 1)对器件进行辐照，并使电参数有明显的退化量；
[0052] 2)分别利用栅扫描法及亚阈分离方法提取器件辐射后感生的界面陷阱平均浓度；
[0053] 3)设亚阈分离方法所获取的界面陷阱浓度为Nlt,sub，栅扫描法所得的值为N lt,GS，分 离所用于载流子复合截面初始值为〇〇,则合理的复合截面〇取值应为：
(式 4 );
[0055]其中k为常数，代表处于禁带上方的受主陷阱浓度与禁带下方的施主陷阱浓度的 比值，对于PNP管k~2,对于NPN管1^~0.5。6、根据权利要求5所述的基于栅扫描法的双极器 件氧化层辐射感生产物的平均浓度提取方法，其特征在于:栅扫描法中发射结偏压V PN的取 值范围为： (式 3);
[0057]其中Nb为基区掺杂浓度，kT/q = 0.0259V，m为发射级注入基区的少子浓度与基区 掺杂的比值，m为硅的本征载流子浓度;建议m〈0.01。栅扫描方法集电结零偏或弱反偏。 [0058]在对表面载流子复合截面进行校准时，栅扫描法中发射结的偏压在式3所示范围 内选择，并尽可能小，以使Vmg,GS与Vmg,sub尽可能接近，以提尚fe准结果的准确性；
(式 3 );
[0060]其中Nb为基区掺杂浓度，kT/q = 0.0259V，m为发射级注入基区的少子浓度与基区 掺杂的比值。
[0061 ]本发明所具有的积极效果：
[0062] 1.本发明针对栅扫描法所测Ib-Vc曲线由于界面态陷阱浓度小或多能级界面陷阱 共同存在时，曲线峰值位置不明显，难以确定的问题，对栅扫描法进行了改进，提出在测量 Ib-Vc曲线的同时，测量Ic-Vc曲线，并求取log(Ic)-Vc曲线的拐点Vmg,c作为基区表面的耗尽 电压，从而获取辐射感生产物的平均浓度方法。与文献所报导的栅扫描法和亚阈分离相结 合的方法相比，该方法不需要额外使用亚阀分离方法来获取半带电压，且对不同的基区掺 杂浓度的器件均具有很好的适用性，既简化了辐射感生产物的平均浓度分离的复杂度，又 增加了准确性和适用性。
[0063] 2.本发明针对原栅扫描法中载流子复合截面的取值无明确地选择依据，不同的复 合截面取值，分离所得到的界面陷阱浓度可能相差2~3个量级的问题，给出了一种利用亚 阈分离方法进行粗略校准载流子复合截面的方法，使栅扫描法分离所得的结果更为准确。
[0064] 3.本发明针对原栅扫描法中发射结电压、集电结电压选择无明确依据，不合理的 取值有可能导致分离结果完全不准确的问题，在理论分析及实验实测的基础上，给出了栅 扫描法中发射结电压和集电结电压的范围。使得栅扫描法更易于使用，辐射感生产物平均 浓度的分离结果更为准确、可靠。
[0065] 附图表说明
[0066]图1为本发明中一种栅控横向型PNP晶体管的纵向剖面图；
[0067] 图2为本发明中栅电压扫描法分离获取辐射感生氧化物陷阱电荷和界面态陷阱平 均浓度的基本原理图；
[0068] 图3为初始界面态陷阱浓度小或多能级界面陷阱共同存在所造成的IB-VC的峰值位 置难以确定；
[0069]图4为基区低掺杂器件栅扫描法所测Ib-Vg曲线及亚阈特性曲线的比较，图中表明 在低掺杂器件中，难以用亚阈分离与栅扫描相结合的方法实现福射感生电荷的分离；
[0070] 图5为不同发射级偏压对Ib-Vc曲线形状的影响；
[0071] 图6为一种栅控横向PNP晶体管利用栅扫描法所测的I B_ Vc及I c_Vc曲线；
[0072] 图7-种改进的基于栅扫描法的辐射感生产物提取方法基本流程；
[0073]图8界面陷阱复合截面校准流程；
[0074]图9辐射感生产物的提取流程；
[0075] 图10为一种GLPNP辐照和退火过程中Ib-Vc曲线变化情况；
[0076] 图11为传统栅扫描方法和改进后方法提取所得的氧化物陷阱电荷平均浓度比较；
[0077] 表1为从栅扫描法所测IB-VC及Ic-Vc曲线中提取的Vmg, cs及Vmg,c的比较；
【具体实施方式】
[0078] 本发明的基于栅扫描法的双极器件氧化层辐射感生产物的平均浓度提取方法，包 括以下步骤(流程见图7):
[0079] (1)确定发射结与集电结的偏压，确定栅扫描电压的范围及扫描步距；
[0080] (2)界面陷阱的载流子复合截面校准。开展总剂量效应试验，测量试验对象辐射前 后的栅扫描曲线及亚阈特性曲线，分别利用栅扫描法及亚阈分离法提取的界面陷阱浓度， 并利用式4对复合截面进行粗略校准。
[0081] (3)开展辐射试验，利用栅扫描法(流程见图9)，提取辐射感生的界面陷阱和氧化 物陷阱电荷平均浓度。
[0082] 其中步骤(1)中发射结偏压V?的取值范围建议为：
(式 3);
[0084]其中Nb为基区掺杂浓度，kT/q = 0.0259V，m为发射级注入基区的少子浓度与基区 掺杂的比值，建议m〈0.01。具体原因如下：
[0085] 当
时，发射极注入基区的少子浓度大，且与多子的浓 度相差不大，使基区表面更易于耗尽，导致Ib-Vc曲线的波形展宽、| Vmg,cs |变小及| Vmg,cs |的 确定更加困难(见图5)。另外，当V?变大时，基极电流IB中的扩散电流渐渐占主导，会逐渐湮 没辐射感生缺陷所导致的复合电流，导致分离结果的不确定度增加。因此定性的讲，应该在 条件请允许的情况下，V PN尽可能小。本发明中建议m〈0.01是总结不同基区掺杂的GLPNP的 Ib-Vg曲线的基础上提出的。
[0086] 当Vpn<0.2V时，从发射极注入体区的载流子浓度<108Cnf3,远小于基区多子浓度 (一般大于l〇 15cnf3)，此时复合电流极小，对测量设备、测量环境要求苛刻，不易于实现。
[0087] 建议在栅扫描方法中使集电结零偏或弱反偏，具体原因是:辐射感生的氧化物陷 阱电荷及界面陷阱主要影响双极三极管中基极电流中的复合电流大小。若集电极强反偏， 则在发射结小偏压情况下，集电结的反偏产生电流不可忽略，而该电流与正偏复合电流呈 相反方向，导致中和掉部分复合电流，使辐射感生产物分离的准确性变差。
[0088] 针对式步骤3)栅扫描法测量时，载流子复合截面〇取值无依据的问题，本发明步骤 2)提出利用亚阈分离方法进行粗略校准的方法。具体方法如下：
[0089]对器件进行辐照，并使器件电参数有明显的退化量。分别利用栅扫描法及亚阈分 离方法提取器件辐射感生的界面陷阱平均浓度。
[0090]基于亚阈曲线提取辐射感生产物平均浓度的流程包括（1)利用最大跨导法求器件 阈值电压，即针对亚阈特性曲线Ic-Vg，在线性坐标内求微分最大值点，并在该点作切线，切 线与横轴的交点即为器件的阈值电压V th<3(2)求取曲线的半带电压，即先求取l〇g(Ic)-Vc曲 线的微分最大值点，并作切线，切线与半带电流的交点所对应的V C即为半带电压Vmg,sub。其 中半带电流为：
(式 7 );
[0092] 其中u为载流子迀移率，W/L为器件宽长比，0 = q/(kT)，Vds为集电极偏压，为表 面势伞 s = kT/q ? ln(NB/ni)，a为常数，且a=esi/e〇x ? d/Ld，其中esi、％?；^Si与Si〇2的介电 常数，d为氧化层厚度，Ld为德拜长度。
[0093] 在利用栅扫描法时，在式6所示范围内选择发射结偏压，并尽可能小，以使Vmg,cs与 V mg,sub尽可能接近，以提高校准结果的准确性。设亚阈分离方法所获取的界面陷阱浓度为 N lt, sub，栅扫描法所所得的值为化*, GS，分离所用于载流子复合截面初始值为〇Q，则合理的复 合截面〇取值应为：
(式 4);
[0095]其中k为常数，代表处于禁带上方的受主陷阱浓度与禁带下方的施主陷阱浓度的 比值，对于PNP管k~2,对于NPN管k~0.5。
[0096] 这是因为，亚阈分离方法时，当沟道从耗尽到反型时，对于P沟器件只有处于禁带 下方的施主陷阱带正电，处于禁带上方的受主陷阱不带电子，所分离的结果也只是处于禁 带下方的界面陷阱，已有文献报导，对于栅控器件，辐射感生的界面陷阱主要为受主陷阱， 且与施主陷阱的浓度比约为2:1。
[0097] 必须强调的是用以上所得到的〇值只是参考值，不是真实绝对值。因为栅扫描方法 中所获取的界面陷阱浓度，实际是等效到能级处于禁带中央的界面陷阱浓度。而亚阈分离 方法所获取的界面陷阱浓度为表面从耗尽到反型中表现为正电性(PNP管）或负电性(NPN 管）的界面陷阱浓度，两者在物理意义上不同，因此利用亚阈分离法对栅扫描法中复合截面 〇的校准只能是一种粗略大致的校准确，但可有效确定〇的取值范围，提高栅扫描方法分离 结果的准确性。
[0098] 在利用现有栅扫描法进行双极器件总剂量辐射感生产物平均浓度提取时，针对界 面态陷阱浓度小或多能级界面陷阱共同存在所造成的峰值位置难以确定的问题，提出在栅 扫描法中测量Ib-Vc曲线的同时，测量Ic-Vc曲线，并将l 〇g(Ic)-Vc曲线的拐点Vmg,c作为基区 表面的耗尽电压。若栅压V mg,dt的基极电流为IB-mg,c，则辐射感生产物的平均浓度可表示为
[0101]其中，求取栅扫描法所测Ic-Vc曲线在对数一线性坐标中的拐点Vmg,c;具体求取方 法为:对l〇g(IC)-Vc曲线进行微分，求取微分最大值点，并在该点作切线（由于通过单点作切 线有较大的不确定度，建议选取所有与微分最大值点相差不超过±5%的点进行线性拟 合），若切线用y = kVc+b表示，则当y等于基区表面平带时的集电极电流时所对应的VC即为 Vmg, C 〇
[0102] 具体原理如下：在栅扫描方法中，使发射结正偏、集电结反偏或零偏，在栅电压扫 描过程中，同时测量基极电流IB及集电极电流Ic(测量所得曲线见图6)。在栅电压|Vc|〈 V mg,CS|时，基极表面处于平带到部分耗尽的状态，此时从发射极注入到基区的少子小部分被 界面陷阱或本征基区的体陷阱所复合，大部分则流入到集电极形成Ic，由于Ic>>Ib，此时 Ic基本不变。当栅电压继增大时，基极表面从耗尽向反型转变，集电极与发射极之间在基区 表面处有了一个如M0S器件的导电沟道，使得Ic快速增加，因此Ic曲线存在一个拐点V mg,c，且 Vmg,c~Vmg,GS。为了证明这一点，针对Ib-Vg曲线在辐射前后具有明显峰值的器件，利用原栅电 压扫描法及改进后的方法提取V mg，数据见表1所示，两者间的差异〈5%，表明该方法是准确、 可行的。
[0103] 表1
[0105] 基于以上分析，鉴别传统栅扫描方法是否可行可用如下方法:利用栅扫描法同时 测量I『VG、IC-V G，并获取￥_,(；5^{^，如果两者间的差异〈±5%，表明1『￥(；曲线峰值明显，则 可用传统方法，而若V mg,c@Vmg,c的差异>±5%，则用式5和式6提取辐射感生产物的平均浓 度。
[0106] 图10为一种GLPNP辐射过程及室温退火过程中所测的IB-VC曲线，可以看出在器件 在辐照总剂量为13.5krad(Si)时，I B-VC曲线出现波峰平坦化，无明显峰值。图11为该器件实 验数据分别使用传统栅扫描方法和改进后的方法所提取的氧化物陷阱电荷平均浓度曲线。 可以看出传统栅扫描方法提取所得的氧化物陷阱电荷浓度在13.5krad(Si)后突然下降，在 室温退火过程中出现先下降后增长的趋势，这在理论上是不可能的，因为目前国内外的所 有研究结果显示，辐照导致氧化物陷阱电荷的增长，而随后的室温退火则主要是氧化物陷 阱电荷受衬底陷阱隧穿或热激发作用，氧化物陷阱电荷浓度随时间的增长逐渐减小。而图8 中利用本发明中改进的栅扫描法所提取的氧化物电荷浓度的变化规律则与现有理论与认 识完全相同，表明改进后的栅扫描法简单有效的解决了 Ib-Vc曲线波峰平坦化情况下的辐射 感生电荷分离问题。
【主权项】
1. 一种基于栅扫描法的双极器件氧化层福射感生产物的平均浓度提取方法，包括W下 步骤： 步骤1)确定发射结正偏电压与集电结的反偏电压，确定栅扫描电压的范围及扫描步 距； 步骤2)测量试验对象福射前后的栅扫描Ib-Vc曲线； 其特征在于:还包括： 步骤3)在栅扫描法中测量Ib-Vc曲线的同时，测量Ic-Vc曲线，并将Iog(Ic)-Vc曲线的拐 点Vmg,C作为基区表面的耗尽电压;Vmg,C所对应的基极电流为； 步骤4)利用古5)巧古fi)梅取結制?咸牛产物的平均浓度；(武 5 )，其中：A iB-mg,C为福照后与福照前iB-mg,C的差值，Veb为发射结偏压，m为Si半导体本征载 流子浓度，室溫下m = 1.5 X ICrWcnf3，0为表面载流子复合截面，一般为lO^u~ICTi7Cm2，Uth 为热速度，室溫时化h=l〇7cm/s，q为电子的电荷量，T为绝对溫度，k为玻尔兹曼常数，Speak为 表面复合率最大值所曰一 了假设与基极的面积相同. (式 6 )， 其中A Vmg,C为祐IVrW 口 日U PTJ Vmg,U圧^,Cox为单位面积上的栅电容，单位为C/cm2。2. 根据权利要求1所述的基于栅扫描法的双极器件氧化层福射感生产物的平均浓度提 取方法，其特征在于：栅扫描法由货射结TF偏圧Vdw的前估前面责. (戎 3 )， 其中Nb为基区渗杂浓度，kT/q = 0.0259V，m为发射级注入基区的少子浓度与基区渗杂的 比值，m为娃的本征载流子浓度； 栅扫描方法中集电结零偏或弱反偏。3. 根据权利要求2所述的基于栅扫描法的双极器件氧化层福射感生产物的平均浓度提 取方法，其特征在于:m<0.0 l。4. 根据权利要求1或2或3所述的基于栅扫描法的双极器件氧化层福射感生产物的平均 浓度提取方法，其特征在于： 还包括对式5中表面载流子复合截面进行校准的步骤，具体为： 1) 对器件进行福照，并使电参数有明显的退化量； 2) 分别利用栅扫描法及亚阔分离方法提取器件福射后感生的界面陷阱平均浓度； 3) 设亚阔分离方法所获取的界面陷阱浓度为Nit,sub,栅扫描法所得的值为Nit,GS，载流子 复合截面初始值为OO，则合理的复合截面O取值应为：(式 4 )， 其中k为常数，代表处于禁带上方的受主陷阱浓度与禁带下方的施主陷阱浓度的比值， 对于PNP管2，对于NPN管k>0.5。5. 根据权利要求4所述的基于栅扫描法的双极器件氧化层福射感生产物的平均浓度提 取方法，其特征在于： 在对表面载流子复合截面进行校准时，栅扫描法中发射结的偏压在式3所示范围内选 择，并尽可能小，W使Vmg,GS与Vmg,SUb尽可能接近，W提高校准结果的准确性。6. -种基于栅扫描法的双极器件氧化层福射感生产物的平均浓度提取方法，包括W下 步骤： 步骤1)确定发射结与集电结的偏压，确定栅扫描电压的范围及扫描步距； 步骤2)开展福射试验，利用栅扫描法，提取福射感生的界面陷阱和氧化物陷阱电荷平 均浓度；其中： (戴 '1 )， 其中A iB-peak刃稱脫前后基做电流最大值的变化量，Veb为发射结偏压，m为Si半导体本 征载流子浓度，室溫下ni = 1.5 X ICTWcnf3，O为表面载流子复合截面，一般为ICTi3~10- "cm2，叫功热速度，室溫时叫h= 107cm/s，q为电子的电荷量，T为绝对溫度，k为玻尔兹曼常 数，Speak为表面复合率最大值所对应的面积，一般情况下假设与基极的面积相同； 福射感生的氧化物陷讲由谎平挽浓度如式2所示：(或 2 )， 其中Cox为单位面积上的栅电容，单位为C/cm2, A Vpeak为福照前后基极电流最大值所对 应栅极电压的变化量，在理论上基极电流最大时，基极表面耗尽，因此Vpeak与使器件表面耗 尽的半带电压Vmg, GS相等； 其特征在于:还包括： 对界面陷阱的载流子复合截面校准的步骤，具体为： 1 )对器件进行福照，并使电参数有明显的退化量； 2) 分别利用栅扫描法及亚阔分离方法提取器件福射后感生的界面陷阱平均浓度； 3) 设亚阔分离方法所获取的界面陷阱浓度为Nit,sub,栅扫描法所得的值为Nit,GS，分离所 用于载流子复合裁而巧始值为on.则合巧的官合截面O取值应为：(式 4 )， 其中k为常数，代表处于禁带上方的受主陷阱浓度与禁带下方的施主陷阱浓度的比值， 对于PNP管2，对于NPN管k>0.5。7. 根据权利要求6所述的基于栅扫描法的双极器件氧化层福射感生产物的平均浓度提 取方法，其特征在于:栅扫描法中发射结偏压Vpn的取值范围为：(.受 3 )，. 其中Nb为基区渗杂浓度，kT/q = 0.0259V，m为发射级注入基区的少子浓度与基区渗杂的 比值，m为娃的本征载流子浓度； 栅扫描方法集电结零偏或弱反偏。8. 根据权利要求7所述的基于栅扫描法的双极器件氧化层福射感生产物的平均浓度提 取方法，其特征在于:m<0.0 l。9. 根据权利要求6或7或8所述的基于栅扫描法的双极器件氧化层福射感生产物的平均 浓度提取方法，其特征在于： 在对表面载流子复合截面进行校准时，栅扫描法中发射结的偏压在式3所示范围内选 择，并尽可能小，Pi伸S与S,,h尽可能接巧，Pi提高校准结果的准确性；(戎 3 其中Nb为基区惨莱浓度，kT/q = 0.0259V，m为发射级注入基区的少子浓度与基区渗杂的 比值。
【文档编号】G01R31/265GK105911448SQ201610240906
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月18日
【发明人】姚志斌, 陈伟, 何宝平, 马武英, 刘敏波, 盛江坤, 黄绍艳, 王祖军
【申请人】西北核技术研究所