SiGe BiCMOS工艺器件的辐射效应

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近年来,人们对空间探索工作的飞速开展,在空间辐射环境中运行的航天器也越来越多,对能长期工作于辐射、极低温等恶劣极端环境中的半导体器件有着迫切需求。纯硅器件在功率等级和工作频率两个技术指标的优化已逼近理论极限,兼顾高性能和频率特性的提高已愈发困难。为了满足射频通信等应用对高性能器件的需求,该领域的研究重点逐渐转向新型半导体器件和工艺。例如硅锗双极互补金属氧化物半导体(SiGe BiCMOS)工艺技术,已经成为近年来深空探测不断发展的推动力。为促进国产SiGe BiCMOS工艺技术在航天领域的应用与发展,对国产SiGe BiCMOS工艺器件辐射效应的研究是十分必要且迫切的。本文实验样品选取了中国电科集团第二十四研究所自主研发的4种不同工艺和结构的新型0.35μm SiGe BiCMOS工艺器件,进行了三种不同偏置状态下的高剂量率(100 rad(Si)/s)、低剂量率(0.05 rad(Si)/s)以及零偏偏置条件下低剂量率(0.1 rad(Si)/s)的60Co-γ辐射环境下对照实验,分析了其辐射响应特性及损伤机理。结果表明,国产0.35μm SiGe BiCMOS工艺器件在高剂量率辐照下具有非常好的抗总剂量效应能力。不同偏置条件下,器件总电离剂量累积到1.2 Mrad(Si)时,反偏下损伤最为严重,正偏损伤最轻。发现其主要机制是高剂量率辐射及外加偏置引入的边缘电场影响氧化层中诱导氧化物陷阱电荷和界面态产生,导致基极辐射敏感区增大,基极电流增大,从而使器件增益减小。不同剂量率、不同偏置条件辐照下国产0.35μm SiGe BiCMOS工艺器件低剂量率辐照损伤增强效应(ELDRS)明显,尤其在反偏偏置条件下存在着强烈的ELDRS。发现ELDRS的主要机制是低剂量率辐照下,电子-空穴俘获的竞争机制,导致SiGe BiCMOS器件基射结氧化层和场氧化层(FOX)中的界面陷阱的增加。空间电荷竞争模型下高剂量率电离辐照损伤受到抑制。正偏偏置条件下器件表现出比零偏偏置下低剂量损伤增强的原因在于国产工艺和结构器件经7个多月的长时间加压,器件的可靠性出现了严重的问题。对4种国产0.35μm SiGe BiCMOS工艺和结构器件进行系统研究,结果表明,高剂量率辐照下,正偏、零偏条件下高速工艺器件抗总电离剂量效应的能力不及高压工艺器件,反偏条件下高速工艺器抗辐射性能要优于高压器件。低剂量率辐照下,高速工艺器件与高压工艺器件性能退化程度相差不大。高剂量率辐照下,B、D结构发射极长度大的器件性能均优于A、C结构发射极长度小器件性能。本研究对了解和掌握国产0.35μm SiGe BiCMOS工艺和结构器件的抗辐射性能、改进工艺结构,优化其抗辐射加固措施等都具有重要的科学意义和参考价值。
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