修复InP基HEMT器件质子辐照损伤的微波退火装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体器件和集成电路可靠性技术领域，尤其涉及一种修复InP基HEMT器件质子辐照损伤的微波退火装置及方法。
【背景技术】
[0002]随着科学技术的快速发展，高精度探测和高速数据传输等应用系统对微波单片集成电路的工作频率提出了越来越高的要求。收发系统核心芯片工作频率已经从W波段提高至IjG波段，甚至进入了 THz领域。集成电路特征尺寸逐年减小，相应制造业逐渐发展到以纳米尺度为标志的后摩尔时代，化合物半导体能带工程解决方案应运而生，并成为重要发展方向。其中高电子迀移率晶体管(HEMT)异质结界面导带不连续产生二维电子气，具有很高的低场迀移率及高场饱和漂移速度，其优异的频率、噪声、功耗和增益特性使之成为高频毫米波领域最具竞争力的三端器件，在国防航天、高频宽带通信、卫星遥感以及雷达等军民用领域，拥有非常广阔的应用前景。
[0003]半导体器件和集成电路是组成各种电子系统的心脏，其在空间环境中应用，将或多或少地受到各种高能粒子和射线等空间辐射的影响。即便空间辐射剂量不高，但由于辐照时间长久，积分通量达到一定数值后其性能也会发生衰变甚至失效，从而导致控制失灵，极大地降低了电子系统空间运行可靠性。国内外对航天故障的统计显示，空间环境辐射是造成航天电子设备异常或故障的重要原因，大约40%的故障都源自太空辐射。
[0004]很多类型的辐照源都可能会对半导体材料、器件和集成电路产生辐照损伤效应，如γ射线、α射线、β射线、质子、中子及其他次原子放射性微粒等。空间环境中主要的辐射源包括:(I)地球福射带即范艾伦带，其中内福射带(6000km?10000km)以质子为主，外福射带(10000km?60000km)以电子为主；(2)银河宇宙射线，由85%质子、14% α电子、少量重核离子组成；(3)太阳宇宙射线，射线数量取决于太阳活动，如太阳耀斑、太阳风、等离子体等。其中太阳耀斑包含90%?95%质子、α粒子和太阳释放的少量电子。由此可见，质子是空间辐照环境中含量极为丰富的粒子，抗质子辐照成为空间环境中应用的半导体器件重要的必备能力之
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[0005]理论上，质子与材料的相互作用主要通过电离与位移效应两种方式损失能量，化合物半导体器件结构中不具备可俘获电荷的半导体-绝缘体界面，电离效应产生的电子-空穴对依靠扩散能很快实现复合，对器件主要造成可恢复的瞬态效应。而非电离能量损失能使得器件材料中的晶格原子发生位移，离开原来的晶格位置，最终形成空位-间隙对缺陷，又称弗伦克尔缺陷，造成位移损伤。位移损伤产生的缺陷会在半导体材料中引入缺陷能级，通过载流子去除和散射效应来改变沟道载流子浓度和迀移率，进而影响器件阈值电压、饱和沟道电流、跨导和频率特性等。当位移损伤严重时，将造成器件结构参数的严重变化，导致器件电路永久性失效。
[0006]大量研究表明，质子辐照后的退火处理会减少材料或者器件结构中的点缺陷从而使得器件性能发生很大程度恢复。传统的热退火方法中加热主要通过对流、辐射、传导三种方式进行，具有热流稳定性高的优势。然而，被加热物体必须处于某一热的环境温度之下，加热效率将受到多方面因素的影响，比如材料本身传热特性、所置容器的导热特性、环境对流以及热源强度等。因此它向材料体系传输能量速度缓慢、效率低，可重复性较差，退火温度高，对材料的热吸收性要求较高，热处理成本高。另外，随着器件尺寸的减小，靶区域的尺寸也会相应减小，因而退火过程中对目标处理区域的控制会变得愈加困难。
[0007]对于InP基HEMT器件，InP材料在350 °C以上会发生热分解，形成富In粗糙表面，恶化接触特性；同时高温下氛围中的F元素在势皇层中扩散很快，与掺杂Si结合形成F-Si缺陷，使二维电子气浓度减小，迀移率也会降低；另外高温下器件外延层之间产生的应力也会严重影响器件直流、高频特性。综上所述，找到一种低成本，可控性好及低温处理的退火方法显得十分重要。
【发明内容】
[0008]本发明的目的是提供一种修复InP基HEMT器件质子辐照损伤的微波退火装置及方法，减少半导体器件结构中的缺陷，使半导体器件电学特性得到一定程度的恢复。
[0009]本发明采用的技术方案为:
一种修复InP基HEMT器件质子辐照损伤的微波退火装置，包括操作台、设于操作台上的试验腔、设于试验腔内及操作台台面上的样品基座支架、样品基座、连接试验腔的样品输送道、设于样品输送道内的可伸缩的传送杆、真空抽放装置、充气装置、微波发生器和红外线温度计，所述的试验腔与操作台台面密封连接，样品基座放置于样品基座支架上，样品输送道导通连接试验腔，真空抽放装置设于输送道上，可伸缩传送杆的始端活动连接样品基座，充气装置导通连接试验腔，微波发生器设于试验腔内顶部，红外线温度计设于样品基座下方、操作台台面上方。
[0010]所述的样品基座支架呈架体状，架体的底端固定在操作台台面上，架体的内部设置红外线温度计。
[0011]所述的样品基座的上表面设有电磁波辅热层。
[0012]所述的可伸缩的传送杆的末端设有旋转把手。
[0013]还包括样品显微镜，样品显微镜的头部伸入试验腔内，与试验腔密封连接，并设于样品基座上方。
[0014]一种修复InP基HEMT器件质子辐照损伤的微波退火方法，包括以下步骤:
S1:对InP基HEMT器件进行质子辐照；质子能量:50 KeV?3 MeV，剂量:I X 111protons/cm2、5 X 111 protons/cm2、I X 112 protons/cm2、5 X 112 protons/cm2 ；
S2:使用缺陷表征设备测得质子辐照后的InP基HEMT器件异质结附近的InAlAs势皇层和InGaAs沟道层缺陷浓度；同时，使用半导体参数分析仪在Vds: O?2V，Vgs: -0.4V~0.4V偏置条件下测量InP基HEMT器件的沟道电流;在VDS=2V，VGS:-1V?0.5V偏置条件下测量InP基HEMT器件的转移特性，得到InP基HEMT器件的跨导特性;在InP基HEMT器件最大跨导偏置电压下测量沟道载流子浓度;再利用矢量网络分析仪在0.1GHz?50GHz频率范围内测量辐照后的InP基HEMT器件的增益特性，并外推得到最大电流截止频率和最大振荡频率两个频率特性参数；
S3:打开真空抽放装置阀门，通过输送道内的传送杆取出样品基座，将步骤S2中的InP基HEMT器件放置在样品基座的电磁波辅热层上，再利用传送杆末端设有的旋转把手将样品基座放置于样品基座支架上，退出传送杆，关闭真空抽放装置阀门，通过真空抽放装置将试验腔抽为真空状态；
S4:启动充气装置，将氩气气体注入真空状态的试验腔中，待氩气冲入量满足试验要求后关闭充气装置；
S5:打开微波发生器，调节微波发生器的微波输出功率、输出频率，微波输出功率范围为500W?2000W，输出频率为5.5GHz ± 50MHz，加热温度通过输出功率调节为200°0350°C ;并通过红外线温度计实时监测微波退火过程中InP基HEMT器件样品的温度数据；
S6:控制微波加热时间，设定加热时间，加热时间在30S?1min范围，当达到预设时间时，关闭微波发生器；
S7:待InP基HEMT器件随试验腔冷却至室