双多晶自对准(Double Polysilicon Self-Aligned, DPSA)双极器件结构作为当前最前进的高速互补双极工艺基本架构，采用此工艺制作的双极晶体管与传统双极工艺器件比较，具有线宽小（设计0.6μm，实际0.35μm）、基区域发射区周围有Spacer/ LOCOS/ILD介质、LOCOS结合深沟槽隔离(Deep Trench Isolation, DTI)隔离的新特征。采用多晶硅发射极可以提高电流增益，使器件在不降低发射极集电极穿通电压和不损失增益的情况下，实现器件的纵向按比例缩小^[1-2]。自对准结构和DTI可实现器件横向按比例缩小，大大减少器件和电路的面积和相应的寄生电容，显著减小电路的功耗延迟积，提高双极电路的集成度^[3-4]。因此，采用该工艺架构的高性能模拟集成电路在空间射频(Radio Frequency, RF)微波通信等领域具有广泛的应用前景。国内外针对传统双极器件的大量总剂量辐照试验结果都表明，基极电流是双极器件的辐射最敏感参数，且多数都具有低剂量率辐射损伤增强效应^[5-6]，虽然都属于双极工艺器件，但由于器件工艺结构的不同，辐射与新型DPSA双极器件的相互作用的辐射损伤响应等均有可能与传统双极器件有所不同，所以有必要针对DPSA器件进行辐照试验进一步分析研究其辐射效应以及损伤机理。

本文对国产新型DPSA工艺制作的NPN双极晶体管的总剂量效应进行了系统性研究，对比了不同发射极尺寸的DPSA NPN晶体管在不同剂量率条件下各项参数的退化情况，获得了国产双多晶自对准工艺NPN晶体管的抗辐射能力、敏感参数及其退化情况，探讨了其辐射损伤机制。

实验样品为模拟集成电路国家重点实验室提供的DPSA工艺制备的NPN双极性结型晶体管(Bipolar Junction Transistor, BJT)，器件示意图以及器件发射极尺寸分别如图 1和表 1所示，两种发射极尺寸的NPN晶体管分别用T₁和T₂表示。

图 1

图 1 DPSA NPN BJT示意图 Figure 1 Cross section of DPSA NPN BJT

表 1

表 1 NPN晶体管发射极尺寸 Table 1 Emitter size of DPSA NPN transistor NPN管 NPN transistor 发射极长度 Emitter length Le/μm 发射极宽度 Emitter width We/μm T1 8 0.6 T2 16 0.6

表 1 NPN晶体管发射极尺寸 Table 1 Emitter size of DPSA NPN transistor

辐照实验在中国科学院新疆理化技术研究所的水贮式⁶⁰Co γ射线辐照源上进行，辐照高低剂量率分别选用0.5Gy·s^-1(Si)和1×10^-4Gy·s^-1(Si)。室温辐照过程中，器件采用了基射结反偏的偏置状态^[7]。实验采取移位测试的方法，当辐射累积总剂量达到一定剂量点时，将器件从辐照室中移出，利用Keithley 4200-SCS半导体参数分析仪在室温下对辐照晶体管的Gummel曲线、增益等参数进行了测量，并且在辐照结束后，对高剂量率辐照后器件进行了与低剂量率辐照相同时间的室温退火测试实验。

本文针对上述两种不同发射极尺寸的DPSA NPN BJT在室温下开展了不同剂量率的辐照实验，实验结果如下。

图 2和图 3分别给出了高低剂量率辐照条件下两种不同发射极尺寸的DPSA NPN BJT的Gummel参数和电流增益的退化响应特性。从图 2(a)、(b)以及图 3(a)、(b) Gummel曲线可以看出在较低偏压条件下，经过辐照后基极电流有较为明显的增大趋势，而集电极电流基本保持不变，由增益β=I_C/I_B从而可得到如图 2(c)、(d)和图 3(c)、(d)所示的随着累积剂量增益不断退化的特性。由文献[8]可知，基极电流的增大主要源于辐照诱导产生的缺陷电荷使得基区表面复合速率增大，从而导致表面复合电流增大部分。

图 2

图 2 高剂量率0.5Gy·s-1(Si)辐照下T1、T2的Gummel曲线(a、b)和电流增益(c、d) Figure 2 Gummel curves (a, b) and current gain (c, d) for T1 and T2 under high dose rate 0.5Gy·s-1(Si)

图 3

图 3 低剂量率1×10-4Gy·s-1(Si)辐照下T1、T2的Gummel曲线(a、b)和电流增益(c、d) Figure 3 Gummel curves (a, b) and current gain (c, d) for T1 and T2 under low dose rate 1×10-4Gy·s-1(Si)

为便于在相同条件下对不同发射极尺寸的DPSA NPN BJT辐射退化响应进行对比分析，在此分别引入两个归一化参数，归一化过剩基极电流ΔI_B/I_B0=(I_Bpost-I_B0)/I_B0和归一化电流增益β_post/β₀，其中I_B0和I_Bpost，β₀和β_post分别代表辐照前后V_BE=0.7V时的基极电流和相应的电流增益值。

图 4为发射结电压为0.7V时不同发射极尺寸晶体管的ΔI_B/I_B0在高、低剂量率下随累积辐照剂量及退火时间的变化。由图 4可见，高低剂量率辐照时，两种尺寸晶体管过剩基极电流均随累积剂量而增大。且无论晶体管T₁还是T₂，低剂量率相对于高剂量率辐照时的过剩基极电流增幅均更为显著。在与低剂量辐照时间等时的室温退火过程中，二者的归一化过剩基极电流经过一段时间的波动后均趋于稳定。T₁的过剩基极电流退火过程中虽有波动但整体表现出明显恢复初值的趋势，退火结果远小于T₁低剂量率辐照下的过剩基极电流值。T₂的过剩基极电流出现先增加后减小，然后趋于稳定的规律，其达到稳定的归一化过剩基极电流值明显小于T₂低剂量率辐照下的过剩基极电流值，即：两种尺寸发射极的DPSA NPN晶体管均表现为低剂量率辐照损伤大于高剂量率辐照损伤，且发射极长度越长过剩基极电流越小。因此，从晶体管过剩基极电流上看，T₁和T₂都表现出潜在的低剂量率辐射损伤增强效应(Enhanced Low-Dose-Rate Sensitivity, ELDRS)，这主要是由于低剂量率长时间辐照时，相较于高剂量率辐照，单位时间内产生的电子空穴对较少，且产生的电子在很短时间内被电场扫出氧化层，剩余的空穴在氧化物体内输运至界面附近的过程中释放质子，然后与界面处悬挂键反应生成界面态；而高剂量率辐照时由于短时间内产生的大量电子与氧化物陷阱正电荷复合导致释放质子的反应减弱，从而减少了界面态的生成，因此导致了ELDRS效应的产生^[8-9]。

图 4

图 4 高低剂量率下归一化过剩基极电流随累积剂量及退火时间的变化 Figure 4 Normalized excess base current versus total dose and annealing time under high and low dose rate

为研究发射极尺寸对DPSA NPN BJT电流增益的影响，图 5给出了两种不同发射极尺寸晶体管在高低剂量率辐照下归一化电流增益随剂量累积的变化情况。高剂量率辐照下两种尺寸DPSA工艺晶体管电流增益退化都不明显，累积辐照剂量达到1000Gy(Si)时晶体管T₁和T₂仍具有很好的电流增益，二者电流增益均保持在辐照前的90%以上。低剂量率辐照下两种尺寸晶体管电流增益退化相对于高剂量率下均更为明显，且T₁的归一化电流增益退化要比T₂相对显著，但二者电流增益仍均保持在辐照前的70%以上。实验结果表明：高低剂量率下，不同尺寸的DPSA NPN BJT都表现出了非常好的抗电离总剂量辐照的性能，而且随着发射极长度的增加其抗辐照能力也有所增加。

图 5

图 5 高低剂量率归一化电流增益随累积剂量及退火时间的变化 Figure 5 Normalized current gain versus total dose and annealing time under high and low dose rate

由图 4和图 5可见，同样的实验条件下T₂晶体管较T₁晶体管抗辐照损伤能力强。由于氧化物缺陷Not和界面陷阱Nit共同引起晶体管基极电流的增加，所以辐照后晶体管基极电流I_B可以看作是辐照前基极电流I_B0、氧化物电荷导致的基极电流I_Bot和界面态导致的基极电流I_Bit之和^[10]：

式中：A_E为发射极面积；P_E为发射极周长；β_F为辐照前正向电流增益；J_S为饱和电流密度；V_t =kT/q=0.026V；J'_SS为表面饱和电流密度，A·μm^-1；n_ss为表面复合电流理想度因子。由此可得，归一化过剩基极电流ΔI_B/I_B0为：

根据式(2)，归一化过剩基极电流随发射极周长面积比成比例增加。表明发射极周长面积比越小的晶体管对辐照越不敏感，所以发射极周长面积比越小的晶体管抗辐照损伤能力越强。而实验样品的发射极宽度为固定值0.6μm，故而发射极周长面积比(2(L_e+W_e)/L_eW_e)只与发射极长度成负相关，即：发射极长度L_e越长，周长面积比越小，发射极长度L_e越短，周长面积比越大，计算可得，晶体管T₁和T₂的发射极周长面积比分别为3.58和3.46，即(P/A)_T1＞(P/A)_T2，与实验结果一致，高、低剂量率辐照情况下晶体管T₁均比T₂辐射损伤严重。由此可见，DPSA工艺NPN晶体管的发射极周长面积比与其抗辐照损伤能力有密切关系，发射极周长面积比越小的晶体管抗辐照损伤能力也越强。

本工作以两种不同尺寸发射极的DPSA NPN BJT为研究对象，在高低剂量率下对其进行了辐照实验，实验研究发现DPSA NPN BJT具有良好的抗电离辐射能力，且电离总剂量辐射的主要影响参数也是基极电流和电流增益，不同发射极尺寸对辐照剂量率效应也有较大影响，高低剂量率均具体表现为发射极周长面积比越小，电参数退化程度越小，抗辐射能力越强且与理论符合较为一致。