星用功率VDMOS器件SEGR效應(yīng)研究

王立新 高 博 劉 剛 韓鄭生 張彥飛 宋李梅 吳海舟

(中國科學(xué)院微電子研究所 北京 100029)

功率 VDMOS器件(vertically double-diffused MOS)兼有雙極晶體管和MOS晶體管的優(yōu)點，開關(guān)速度快、輸入阻抗高、驅(qū)動功耗低，具有負的溫度系數(shù)，無二次擊穿，在航空、航天、核能等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。在空間運行的衛(wèi)星和航天器受到各種射線及帶電粒子的照射，引起內(nèi)部器件性能退化甚至失效。功率VDMOS器件主要應(yīng)用于衛(wèi)星及航天器的電子系統(tǒng)，在空間輻射環(huán)境中極易被重離子誘發(fā)單粒子燒毀效應(yīng)(SEB, single event burnout)和單粒子?xùn)糯┬?yīng)(SEGR, single event gate rupture)，造成器件硬損傷，嚴(yán)重影響衛(wèi)星及航天器的在軌使用壽命[1?6]。1986年 Waskiewicz等[7]發(fā)現(xiàn)功率器件的SEB，1994年NASA發(fā)射了APEX衛(wèi)星，對功率MOSFET器件進行在軌SEB實驗[8]。

隨著我國航天事業(yè)的發(fā)展，新型長壽命 GEO衛(wèi)星采用100 V高壓母線的太陽能電池陣列，衛(wèi)星的電源系統(tǒng)使用大功率的VDMOS器件，具有較高的工作電壓，在空間中遭受高能質(zhì)子或重離子轟擊時，發(fā)生單粒子效應(yīng)的可能性較高。因此，對空間應(yīng)用 VDMOS器件的抗單粒子效應(yīng)能力的要求也高。本文研究了兩種采用抗輻照加固工藝研制的星用功率VDMOS器件的單粒子效應(yīng)，結(jié)果表明，新研制的兩款產(chǎn)品具有較好的抗單粒子能力，為該型號器件在空間中的使用提供了參考。

1 實驗方法

1.1 樣品及測試系統(tǒng)

實驗樣品采用抗輻照工藝生產(chǎn)的高壓 N溝VDMOS功率器件，擊穿電壓為400 V和500 V，封裝形式是TO-254，器件典型縱向結(jié)構(gòu)如圖1所示。器件的主要技術(shù)指標(biāo)是：閾值電壓 2–4 V，導(dǎo)通電阻0.55 ?，漏電流2.5×10–5A。每種樣品選取3片放入真空室中進行單粒子實驗。

圖1 典型VDMOS器件縱向結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Cross-section view of the VDMOS structure.

實驗測試系統(tǒng)是自己搭建的“半導(dǎo)體功率器件單粒子效應(yīng)測試系統(tǒng)”，由控制板和輻照板組成。輻照板上主要是待測器件，控制板上主要由繼電器、接口電路、單片機等器件組成。上位機通過RS232接口控制選通被測器件，同時監(jiān)測實驗時器件的工作狀態(tài)。單粒子輻照實驗示意圖如圖2所示。

1.2 實驗條件

單粒子輻照實驗在中國原子能研究院的 HI-13串列靜電加速器上進行，注量率為7×103cm–2·s–1，總注量105cm–2。注量率和總注量的選取主要基于器件單粒子實驗考核指標(biāo)要求。單粒子實驗選用粒子是127I，粒子能量255 MeV，線性能量傳輸(LET)值為65 MeV·mg–1·cm–2。實驗時先固定柵-源間的電壓，然后逐漸增大漏-源電壓，觀察功率器件是否發(fā)生單粒子效應(yīng)。柵-源電壓分別為?10 V、?5 V、0 V，漏-源電壓從低到高，最大不超過器件的擊穿電壓。

圖2 單粒子輻照實驗示意圖Fig.2 Schematics of the irradiation experiments of single event effects.

2 實驗結(jié)果

實驗結(jié)果顯示：400 V器件在VGS=?10 V及?5 V、VDS=310 V時，發(fā)生單粒子?xùn)糯┬?yīng)；在VGS=0 V，VDS=400 V(擊穿電壓)時，未發(fā)生單粒子效應(yīng)。500 V器件在VGS=?10 V、VDS=300 V時，發(fā)生單粒子?xùn)糯┬?yīng)；在VGS=?5 V及0 V、VDS=500 V(擊穿電壓)時，未發(fā)生單粒子效應(yīng)。

圖3是高壓功率VDMOS器件受127I粒子轟擊時的安全工作區(qū)。器件在空間使用時，選用安全工作區(qū)下方區(qū)域可避免發(fā)生單粒子現(xiàn)象；柵-源電壓的絕對值越大，器件發(fā)生單粒子效應(yīng)的漏-源電壓越小。由圖 3，功率器件單粒子輻照實驗時的最劣偏置狀態(tài)是VGS=?10 V，這時漏-源電壓很小，器件發(fā)生單粒子效應(yīng)；500 V器件在VGS=?10 V發(fā)生SEGR效應(yīng)時，漏-源電壓為 300 V，相當(dāng)于擊穿電壓的60%。

圖3 器件單粒子效應(yīng)安全工作區(qū)Fig.3 Safe operating voltage zone of VDMOS against single event effect.

3 討論

SEGR是指高能粒子入射MOS器件的柵介質(zhì)，引起了柵介質(zhì)的擊穿。較厚的輕摻雜外延層使功率VDMOS器件承受高壓而不會發(fā)生擊穿，當(dāng)高能粒子穿過柵氧化層進入頸區(qū)時，由于粒子感應(yīng)電荷積累在Si-SiO2界面附近，使柵絕緣介質(zhì)內(nèi)的電場瞬時超過臨界電場，導(dǎo)致柵介質(zhì)擊穿[9?12]。

器件發(fā)生SEGR效應(yīng)，主要由于單粒子輻照產(chǎn)生的空穴在電場作用下堆積到JFET區(qū)的Si-SiO2界面處，在氧化層上附加一個瞬態(tài)電場，導(dǎo)致氧化層內(nèi)的電場超過臨界擊穿電場，柵氧化層被擊穿，柵極的泄露電流增加，導(dǎo)致VDMOS器件失去柵控制能力。入射粒子在典型功率VDMOS器件中生成電子-空穴對的示意圖如圖4所示。柵-源電壓的絕對值越大，在相同漏-源電壓下引起電場變化的電子-空穴對的數(shù)量就越多，形成的內(nèi)電場越大，附加在柵氧化層上的瞬態(tài)電場也越大，因此，在漏-源電壓較小時就發(fā)生了SEGR效應(yīng)。我們認(rèn)為柵-源電壓等于?10 V是功率VDMOS器件單粒子輻射損傷的最劣偏置條件。

圖4 粒子在VDMOS器件中的路徑圖Fig.4 Path schematic of the particles in the VDMOS device.

圖5為器件柵電流隨漏源電壓的變化，未發(fā)生單粒子效應(yīng)時，即樣品處于安全工作區(qū)時，漏電流保持不變；發(fā)生單粒子?xùn)糯r，樣品的漏電流劇增至數(shù)十mA, 乃至上百mA，說明由于器件內(nèi)部柵介質(zhì)的電場在瞬間增至臨界電場以上，引起柵介質(zhì)的擊穿，導(dǎo)致了柵電流的泄露。

圖5 器件柵電流隨漏源電壓的變化Fig.5 Gate-source current versus drain-source voltage for VDMOS.

研究表明，增加?xùn)叛鯇雍穸瓤商岣吖β蔞DMOS器件的抗SEGR能力。但同時減小了器件抗總劑量的能力，兩者相互矛盾。我們選擇 JFET區(qū)較窄的條柵結(jié)構(gòu)，在提高器件抗SEGR能力的同時并未顯著減小器件的抗總劑量水平。JEFT區(qū)變窄，使漏-源電壓對Si-SiO2界面的影響減小，重離子轟擊器件時產(chǎn)生的空穴更少的堆積到界面處，由空穴產(chǎn)生的瞬態(tài)電場也相應(yīng)減小，最終提高了器件的抗SEGR能力。

如圖6(a)所示，器件結(jié)構(gòu)采用超深結(jié)結(jié)構(gòu)，JFET區(qū)變窄。與一般采用兩次注入的結(jié)相比，超深結(jié)采用三次注入。在窄JFET區(qū)結(jié)構(gòu)中，由于結(jié)不同，生成的電子-空穴對的漂移方向也不同。如圖所示，生成的電子均沿著入射粒子路徑向襯底漂移，而窄JFET區(qū)在電場作用下，一部分空穴漂移到柵氧層下方的“neck”區(qū)域(如 B所示)，一部分空穴漂移到體區(qū)(如A所示)。與一般JFET區(qū)、普通結(jié)結(jié)構(gòu)相比，窄 JFET區(qū)、超深結(jié)結(jié)構(gòu)由于入射粒子作用生成的電子-空穴對數(shù)量相當(dāng)，但漂移到“neck”區(qū)的空穴數(shù)量較少。由于窄JFET區(qū)在“neck”區(qū)附近生成的對內(nèi)電場有影響的空穴數(shù)量較少，在氧化層上附加的瞬態(tài)電場較一般JFET區(qū)的要小，因此，在相同的柵-源電壓、漏-源電壓條件下窄JFET區(qū)的抗SEGR能力提高。同時，我們采用了條柵結(jié)構(gòu)，使選擇較窄JFET區(qū)的功率VDMOS器件在提高抗SEGR能力的同時，并未增加器件的導(dǎo)通電阻。

圖6 不同寬度JFET區(qū)單粒子輻照生成電子-空穴對 (a)窄JFET區(qū)，(b)一般JFET區(qū)Fig.6 The single event irradiation generate electron-hole pairs with narrow (a) and general (b) JFET widths.

4 結(jié)語

對采用抗輻射加固工藝研制的功率VDMOS器件的單粒子效應(yīng)進行了研究，得到器件單粒子?xùn)糯┑陌踩ぷ鲄^(qū)。研究結(jié)果顯示，400 V和500 V器件在最劣偏置條件(VGS=?10 V)時，發(fā)生單粒子?xùn)糯┑腣DS分別為310 V和300 V，而在VGS=0 V時，兩款產(chǎn)品在漏源電壓達到擊穿電壓時均未發(fā)生單粒子?xùn)糯┬?yīng)，表明兩種器件的抗單粒子能力達到技術(shù)指標(biāo)要求，也為器件在航空航天中的應(yīng)用提供了技術(shù)參考。

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