溝槽型VDMOS 的重離子輻射失效研究

廖聰湘，徐海銘

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，江蘇無錫 214072）

1 引言

太空環(huán)境十分復(fù)雜，包括高能中子、電子、重粒子等。重粒子可以引起瞬態(tài)、高密度的電荷，觸發(fā)器件毀滅性失效和總劑量退化。粒子有較多種類和濃度，粒子運動的角度也會對器件產(chǎn)生不同影響，因此對器件進(jìn)行輻射加固是十分困難和必要的。

1980 年以來，功率垂直雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（VDMOS）主要衍生為平面型VDMOS和溝槽型VDMOS，VDMOS 在功率器件市場中占有重要地位，被廣泛應(yīng)用于DC-DC 轉(zhuǎn)換、低壓控制器等，在星載電力系統(tǒng)中也應(yīng)用廣泛。太空環(huán)境中至少存在兩種重粒子作用下毀滅性的失效模式，即單粒子燒毀（SEB）和單粒子?xùn)糯⊿EGR），在功率VDMOS 抗單粒子領(lǐng)域中，已有一些對平面型VDMOS 結(jié)構(gòu)的研究，但對溝槽型VDMOS 結(jié)構(gòu)的研究較少。本文通過引入外延緩變層提高溝槽型VDMOS 器件的二次擊穿特性，有效改善了器件的抗單粒子性能。

2 VDMOS 器件的單粒子效應(yīng)及損傷模型

單粒子效應(yīng)（SEE）一般來說是單個能量粒子射入半導(dǎo)體器件的敏感區(qū)域，引起電子元器件產(chǎn)生擾動甚至失效的現(xiàn)象。單粒子事件主要由3 個不同方面的粒子源造成：地球輻射帶、太陽和銀河系中射線、次級類輻射粒子（外太空射線和地球外圍層流之間相互作用引發(fā)的）。SEE 可以分為破壞性單粒子事件和非破壞性單粒子事件，其中破壞性單粒子事件也稱為硬錯誤事件，如SEB、SEGR、單粒子鎖定（SEL）等。功率VDMOS 器件自第一次偵測到SEE 到現(xiàn)在，普遍認(rèn)可的單粒子事件主要包括SEGR 和SEB。非破壞性單粒子事件稱為軟錯誤事件，如邏輯或存儲電路的單粒子擾動（SED）、單粒子瞬變（SET）、單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）等。

當(dāng)宇宙射線（主要是質(zhì)子、高能粒子等）輻射VDMOS 器件時，單粒子輻射導(dǎo)致VDMOS 器件工作性能發(fā)生部分或者全部變化的過程大致可分為3 個階段：能量沉積、原子電離和電荷積累。當(dāng)宇宙中各類重粒子入射VDMOS 器件時，重粒子會把能量傳遞給其入射軌跡經(jīng)過的材料原子身上，與其碰撞后發(fā)生電離，從而產(chǎn)生大量的電子-空穴對，在外加電壓情況下建立形成的電場使得新產(chǎn)生的電子-空穴對出現(xiàn)反向遷移運動。這種遷移運動會對器件產(chǎn)生兩方面的影響：其一，因器件結(jié)構(gòu)中存在PN 結(jié)勢壘和絕緣SiO2介質(zhì)層，在電場作用下使單粒子入射碰撞產(chǎn)生的空穴和電子在Si/SiO2界面處大量聚集，從而在SiO2中新生出一個額外的瞬態(tài)電場，絕緣SiO2介質(zhì)層中瞬態(tài)電場和已有穩(wěn)態(tài)電場在疊加后大于絕緣SiO2介質(zhì)層的本征擊穿時，就會把介質(zhì)層SiO2擊穿，導(dǎo)致器件功能衰減或者直接失效；其二，新產(chǎn)生的電子-空穴的反向遷移運動會引起半導(dǎo)體材料內(nèi)部部分電勢存在較大差異，電勢差造成器件寄生的三極管結(jié)構(gòu)觸發(fā)，并且一般會形成正反饋，導(dǎo)致VDMOS 器件出現(xiàn)大電流或者通路發(fā)生故障，從而改變VDMOS 器件的狀態(tài)。

一般情況下會把入射單粒子與原子的電離碰撞等同為離散事件，在穿過材料時，除碰撞原子核和原子核相互碰撞外，都可能因為電子激發(fā)、電離和輻射的原因?qū)е履芰繐p失。單位行程內(nèi)的能量損失是原子或離子入射到材料晶格內(nèi)能量減少的微分，根據(jù)微分的定義，?E=-dE/dx，其中“-”表示入射的重粒子發(fā)生能量減少；或者由單位體積內(nèi)的原子阻止本領(lǐng)S 與原子數(shù)密度N 的乘積表示。S 代表單位能量E 與距離r平方的乘積，（-dE/dx）n,e,r分別代表因彈性碰撞、電子激發(fā)和輻射電離減少的能量。由此，損失的總能量可以近似用式（1）來表示：

重粒子穿過半導(dǎo)體器件的軌跡可以用一個柱形結(jié)構(gòu)來描述，圖1 展示了一個較為簡單的重粒子入射VDMOS 器件模型。其中柱體中圓環(huán)的內(nèi)半徑b1用來表示重粒子入射時影響到的材料晶格區(qū)域，δx 表示重粒子的入射射程，入射的重粒子把能量傳遞給Nδx2πb1db 個原子，但每個原子接收到的能量差異可以用T（Ei, b）表示。

圖1 簡易重粒子入射半導(dǎo)體材料模型

對圓柱體內(nèi)碰撞晶格原子接收到的能量逐個進(jìn)行積分計算，就可以計算出重粒子損失的全部能量：

3 溝槽型VDMOS 器件的單粒子機(jī)理

在溝槽型VDMOS 功率器件單粒子試驗過程中，SEB 現(xiàn)象很容易觀察到，在單粒子轟擊下，漏端電流會突然增加，達(dá)到限流水平，但柵端漏電流保持在原始水平。另一個更為形象的觀察是在Ta 粒子轟擊下發(fā)生SEB 現(xiàn)象，其燒毀區(qū)域在有源區(qū)，Si 呈明顯的熔融狀態(tài)；SEGR 會在單粒子作用下柵端電流達(dá)到限流水平，雖可以通過樣品分析確定失效位置，但并不能發(fā)現(xiàn)形貌上的差異。

圖2 是具有60 V 擊穿電壓和3 V 閾值的溝槽型VDMOS 發(fā)生SEB 后，進(jìn)行聚焦離子束（FIB）分析看到的燒毀現(xiàn)象，對其進(jìn)行單粒子仿真研究，這些仿真都假定單粒子垂直入射到芯片。圖3 是SEB 效應(yīng)仿真對比結(jié)果，在VDS=60 V 時，單粒子通過多晶柵后漏端漏電流直線上升，發(fā)生SEB 效應(yīng)；當(dāng)降到VDS=50 V 時，漏端漏電流在單粒子通過時逐漸降低，說明溝槽型VDMOS 功能正常。ELT表示單粒子的線性能量傳輸值。

圖2 溝槽型VDMOS Ta 粒子下發(fā)生SEB

圖3 SEB 效應(yīng)仿真對比結(jié)果

SEB 效應(yīng)是在溝槽型VDMOS 器件中的寄生BJT 結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的，當(dāng)漏端在高壓偏置下，單粒子穿過MOSFET 器件時SEB 效應(yīng)就會被觸發(fā)。瞬間產(chǎn)生的大電流在BJT 結(jié)構(gòu)中流過時產(chǎn)生正反饋機(jī)制，基區(qū)電流增加到二次擊穿點，在低壓大電流作用下溝槽型VDMOS 就會被燒毀。單粒子燒毀觸發(fā)了OFF 狀態(tài)下的一種失效模式，其基本機(jī)理就是入射的單粒子在外延層中產(chǎn)生了大量的電子-空穴對，正電荷在電場作用下向基區(qū)，也就是P-Well 位置集中，由于空穴由P 區(qū)進(jìn)入N 區(qū)要越過PN 結(jié)內(nèi)建電勢，空穴橫向移動從源極流出，P 區(qū)的空穴橫向移動使得P 區(qū)與N+源區(qū)形成電勢差，使得PN 結(jié)正偏，導(dǎo)致寄生BJT 開啟，并發(fā)生了雪崩擊穿效應(yīng)，最終導(dǎo)致器件燒毀。SEB 一般只發(fā)生在N 溝道MOSFET，還未有P 溝道MOSFET 發(fā)生SEB的報道，可能的原因是P 溝道空穴受輻照影響比較小。

SEGR 效應(yīng)是由柵氧化層發(fā)生擊穿導(dǎo)致的，在一定電壓偏置條件下，單粒子轟擊時，襯底與SiO2界面處累積電荷，柵氧兩端電場場強增加，電場增加達(dá)到了介質(zhì)層臨界場強（大概在6 MV/cm），電流從幾納安瞬間增加到幾毫安，導(dǎo)致柵氧介質(zhì)擊穿。SEGR 是一種破壞性的效應(yīng)，只要柵兩端的電壓達(dá)到SEGR 閾值，該效應(yīng)瞬間發(fā)生，因為峰值電場發(fā)生在皮秒內(nèi)。

研究發(fā)現(xiàn)柵氧介質(zhì)發(fā)生SEGR 時臨界場強與厚度相關(guān)，可以運用Wroble 經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛠黻U釋ELT。2D 仿真常常對單粒子轟擊和一定偏置、厚度柵氧下的峰值電場進(jìn)行驗證。60 V 溝槽型VDMOS 在不同源漏電壓下有不同的SEGR 和SEB 能力，從圖4 中可以發(fā)現(xiàn)SEGR 隨著ELT的增加而降低。

圖4 60 V 溝槽型VDMOS SEGR 和SEB 能力

在平面型VDMOS 器件中，實際燒毀的柵氧位置接近于單粒子經(jīng)過產(chǎn)生尖峰電場的位置，但在溝槽型VDMOS 器件里，重粒子垂直入射芯片經(jīng)過多晶和柵氧到槽底部，這時產(chǎn)生的電荷累積在槽底部。相較于SEB 失效，SEGR 最惡劣的情況或許不是粒子垂直入射芯片表面而是接近平行于芯片表面的角度時發(fā)生的。

圖5 為功率溝槽型VDMOS 器件入射重粒子的過程。通常情況下，重粒子沿溝槽型VDMOS 的頸區(qū)入射后，在入射徑跡周圍會發(fā)生碰撞電離，從而產(chǎn)生大量電子-空穴對，電子被漏端電場掃出，部分空穴會在溝槽型槽底部累積，導(dǎo)致SEGR 效應(yīng)發(fā)生，部分空穴通過源接觸端被掃出，當(dāng)電流持續(xù)流過基區(qū)，觸發(fā)寄生三極管，從而使得SEB 效應(yīng)出現(xiàn)。

圖5 功率溝槽型VDMOS 器件的SEB 效應(yīng)

4 溝槽型VDMOS 器件的單粒子效應(yīng)改善

對SEB 現(xiàn)象進(jìn)行了加固設(shè)計和仿真，在VDMOS器件工藝制造過程中使用增加外延摻雜緩變技術(shù)的外延硅片在襯底與外延層之間增加了一個緩沖層，同時增大了P+區(qū)，能有效降低SEB 發(fā)生時芯片受損的程度。這種加固技術(shù)與平面型VDMOS 相似，但采用加固結(jié)構(gòu)的功率器件相比未加固結(jié)構(gòu)在仿真上有明顯差異。

外延摻雜緩變技術(shù)指在襯底材料上進(jìn)行外延層生長，從襯底開始到外延層材料的頂部雜質(zhì)濃度降低，電阻率逐漸變大。對均勻摻雜電阻率外延層的材料和緩變摻雜電阻率外延層的材料分別進(jìn)行了20 V溝槽型功率器件工藝仿真和二次擊穿特性仿真，得到如圖6 所示的二次擊穿特性仿真曲線，并完成器件的工藝集成流程制作，加固后的器件因為增加了緩變層，比導(dǎo)通電阻增加15%，單位二次擊穿仿真位置從10V 提升到了28V，該加固使得單粒子性能有明顯提升，溝槽型雪崩耐量也有明顯提高；對20 V 溝槽型器件在蘭州進(jìn)行Ta 粒子單粒子試驗驗證，標(biāo)定出的Ta 粒子采用垂直入射方式，粒子入射面積為2.5 cm2，對2 只器件進(jìn)行了摸底實驗，其ELT值為75.4 MeV·cm2·mg-1、能量為2005.5 MeV、射程為116.6 μm，最終注入劑量為3×106個粒子，試驗認(rèn)定該款溝槽型VDMOS 功率器件抗單粒子能力VDS耐壓由10 V 提高到了20 V，充分驗證了增加外延摻雜緩變技術(shù)可以有效地提升器件抗單粒子輻射能力。

圖6 過度外延工藝二次擊穿仿真結(jié)果

5 結(jié)論

本研究根據(jù)溝槽型VDMOS 功率器件在重粒子作用下的失效現(xiàn)象，進(jìn)行了SEB 和SEGR 失效機(jī)理分析，通過仿真實驗驗證和現(xiàn)場試驗，證明采用緩變外延摻雜技術(shù)可以改善器件的單粒子效應(yīng)。