張玉寶,魏亞東,楊劍群,3 ,蔣繼成,姚鋼,李興冀

(1.黑龍江省原子能研究院,哈爾濱 150086; 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,哈爾濱 150001; 3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)重慶研究院,重慶 401120)

0 引言

垂直型雙擴(kuò)散金屬-氧化物-半導(dǎo)體晶體管(VDMOS)具有控制電路簡單、安全工作區(qū)寬、輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、熱穩(wěn)定性好、工藝流程短等諸多優(yōu)點(diǎn),作為功率變換及轉(zhuǎn)換功能的主要器件,大量應(yīng)用于不間斷電源、汽車電氣、空調(diào)變溫及AC/DC轉(zhuǎn)換器等電子系統(tǒng),為電子系統(tǒng)的正常工作提供能源[1]。對VDMOS器件輻射損傷進(jìn)行機(jī)理分析,構(gòu)建定量評價(jià)模型,驗(yàn)證評估方法,發(fā)展器件加固技術(shù),促進(jìn)其在航空航天及宇宙探索領(lǐng)域中的發(fā)展,這已成為學(xué)者們關(guān)注的焦點(diǎn)。

目前,功率VDMOS器件的輻照效應(yīng)加固研究在抗瞬態(tài)劑量及劑量率、累積劑量及位移缺陷等方面取得了突破性的進(jìn)展。加固措施在抗瞬時(shí)劑量率方面令器件擾動(dòng)不發(fā)生燒毀,在數(shù)十微秒恢復(fù)Si計(jì)數(shù)的等效劑量率為2×109Gy/s。在抗累積劑量加固方面,器件導(dǎo)通電阻及開啟電壓等參數(shù)變化量在30%以內(nèi)的Si計(jì)數(shù)輻射總劑量為1×104Gy,在抗位移缺陷加固方面,器件的源-漏電流、導(dǎo)通電阻及正向跨導(dǎo)等參數(shù)均未見明顯變化的中子輻射通量為1×1014n。功率VDMOS器件在抗瞬時(shí)劑量/劑量率、總劑量及中子輻射等方面的突出表現(xiàn)使其廣泛應(yīng)用于核能、核彈存儲(chǔ)等電子系統(tǒng)中。本研究針對VDMOS器件的工作特性、輻照效應(yīng)及抗輻射加固研究,梳理其空間輻射效應(yīng)研究現(xiàn)狀及抗輻射加固手段,基于工藝條件的不斷優(yōu)化,提高VDMOS抗輻照能力,為研發(fā)抗輻射系列的VDMOS產(chǎn)品奠定基礎(chǔ)。

1 VDMOS器件的基本結(jié)構(gòu)與工作特性

VDMOS器件相對于傳統(tǒng)MOS器件具有獨(dú)特的設(shè)計(jì),其漏極位于芯粒單元底部,采用雜質(zhì)雙擴(kuò)散技術(shù)是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,通過掩膜遮擋及兩次擴(kuò)散過程形成了橫向濃度差,從而建立器件溝道。溝道設(shè)計(jì)是VDMOS器件的重要方面,采用垂直導(dǎo)通電流的方法,可有效提高硅片利用面積,為器件性能優(yōu)化提供可能性,使其在電流導(dǎo)通方面具有更高的效率。N型溝道VDMOS器件的基本結(jié)構(gòu)可分為兩部分,即元胞區(qū)和終端區(qū)。元胞區(qū)由多個(gè)元胞并聯(lián)構(gòu)成,這種并聯(lián)設(shè)計(jì)有助于增加導(dǎo)通電流,提高器件的整體性能。終端區(qū)包含場板、終端結(jié)、場限環(huán)等結(jié)構(gòu),可顯著提高器件的擊穿電壓,增強(qiáng)其在高電壓環(huán)境下的穩(wěn)定性[1]。圖1是N型溝道VDMOS器件的基本結(jié)構(gòu),突出了元胞區(qū)和終端區(qū)兩部分,有助于理解器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及各部分的作用。VDMOS器件設(shè)計(jì)提高了硅片利用率及擊穿電壓,對于集成電路的制造具有重要意義,為高性能電子器件的發(fā)展及制造提供了有力支持。

VDMOS器件的工作原理主要體現(xiàn)在開關(guān)功能,通過調(diào)節(jié)柵極電壓的大小來控制器件內(nèi)溝道電流的大小,通過調(diào)整柵極電壓,VDMOS器件能夠在溝道內(nèi)建立或切斷電流通路,從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能,故VDMOS器件屬于一種電壓控制電流型的器件。根據(jù)溝道的摻雜類型分為兩類,即N溝道VDMOS器件與P溝道VDMOS器件,這一區(qū)分主要基于溝道中的載流子類型。N溝道VDMOS器件中的溝道主要由電子負(fù)責(zé)傳導(dǎo)電流,而P溝道VDMOS器件中的溝道則主要由正電荷(空穴)負(fù)責(zé)。還有一種分類是基于器件的開啟方式,即根據(jù)VDMOS器件的工作狀態(tài)分為增強(qiáng)型VDMOS器件和耗盡型VDMOS器件。增強(qiáng)型VDMOS器件在正常工作條件下需外加正向柵極電壓才能形成有效的溝道,而耗盡型VDMOS器件則是在正常工作條件下已經(jīng)具有形成有效溝道的能力。VDMOS器件憑借其電壓控制電流的特性為電子器件設(shè)計(jì)及電路應(yīng)用提供了多樣化選擇。

N溝道增強(qiáng)型VDMOS器件的工作原理是基于柵極電壓的調(diào)控實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能。在關(guān)斷狀態(tài)下,當(dāng)柵極電壓為0 V時(shí),P體塊區(qū)溝道未形成反型,導(dǎo)致導(dǎo)電溝道無法在器件表面形成,因此漏極與源極之間電流很小。但當(dāng)柵極電壓大于閾值電壓時(shí),N型導(dǎo)電溝道在器件表面形成,使得漏極與源極之間導(dǎo)通,實(shí)現(xiàn)了器件的開啟。這個(gè)過程是通過柵極電壓的變化來控制的,柵極電壓的增加使器件逐漸從關(guān)斷狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)。輸出特性曲線是評估VDMOS器件性能的重要工具(如圖2所示),反映了在固定柵極電壓下隨著漏極電壓的增大,器件從關(guān)斷到開啟的轉(zhuǎn)變過程。這些曲線通常分為線性區(qū)、飽和區(qū)、截止區(qū)、擊穿區(qū)、準(zhǔn)飽和區(qū)等工作區(qū)域,每個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)著不同的工作狀態(tài)和電流特性,有助于深入理解器件行為。準(zhǔn)飽和區(qū)是VDMOS器件獨(dú)有的輸出特性區(qū)域,在這個(gè)區(qū)域,隨著柵極電壓(VGS)的增加器件的漏極電流不再呈線性增長,而是趨于飽和,這一特性使得VDMOS器件在特定工作條件下表現(xiàn)出獨(dú)特的電流響應(yīng),具有一定的應(yīng)用優(yōu)勢。輸出特性曲線反映了器件在不同工作狀態(tài)下的電流特性,而準(zhǔn)飽和區(qū)則為其提供了獨(dú)特的電流響應(yīng)特性。

圖2 VDMOS器件輸出特性曲線和工作區(qū)域劃分Fig.2 VDMOS device output characteristic curve and working area division

2 VDMOS器件的總劑量效應(yīng)研究

總劑量效應(yīng)對MOS場效應(yīng)晶體管的影響體現(xiàn)在多個(gè)方面,包括閾值電壓的漂移、漏極電流的增加、遷移率及跨導(dǎo)的下降等重要效應(yīng)。這些影響因素主要源自器件長時(shí)間暴露于輻射環(huán)境下所引起的電離效應(yīng)。

電離輻射效應(yīng)對閾值電壓變化的影響是影響MOS場效應(yīng)晶體管的關(guān)鍵因素之一。閾值電壓是器件進(jìn)入正常工作狀態(tài)所需的起始電壓,而電離輻射會(huì)導(dǎo)致閾值電壓發(fā)生變化,從而影響器件的工作狀態(tài)及性能表現(xiàn)?？倓┝啃?yīng)導(dǎo)致閾值電壓漂移的表達(dá)式如下所示[6]:

(1)

其中,ΔVot為氧化物陷阱電荷引起的閾值電壓漂移量,單位為V。ΔVit為界面態(tài)陷阱電荷引起的閾值電壓漂移量,單位為V。ΔNot為總劑量效應(yīng)在氧化層中產(chǎn)生的氧化物陷阱電荷密度,單位為cm-2。ΔNit為總劑量效應(yīng)在氧化層和體材料的截面處產(chǎn)生的界面態(tài)陷阱電荷密度,單位為cm-2。Cox為單位面積的氧化層電容,單位為F/cm2。

圖3是電離輻射效應(yīng)造成的NMOS場效應(yīng)晶體管閾值電壓漂移量與時(shí)間的關(guān)系,可以明顯看出其分為4個(gè)階段[7,8-10]:

圖3 N型VDMOS閾值電壓漂移量與時(shí)間的關(guān)系Fig.3 Relation between threshold voltage drift of N-type VDMOS and time

第一階段:空穴注入導(dǎo)致負(fù)向偏移,在輻照過程中,SiO2層經(jīng)歷了空穴注入,導(dǎo)致NMOS場效應(yīng)晶體管的閾值電壓發(fā)生負(fù)向偏移。這負(fù)向偏移的閾值電壓變化引發(fā)了SiO2層內(nèi)形成導(dǎo)電溝道的過程。

第二階段:空穴輸運(yùn)導(dǎo)致正向偏移,隨著輻照的結(jié)束,空穴在Si-SiO2界面逐漸輸運(yùn)。NMOS場效應(yīng)晶體管的閾值電壓開始逐漸正向偏移,反映了空穴在SiO2層中的運(yùn)動(dòng)及影響。

第三階段:陷阱電荷形成引起正向偏移,空穴在Si-SiO2界面Si的一側(cè)被深層陷阱俘獲,轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸锵葳咫姾?。這種陷阱電荷的形成導(dǎo)致NMOS場效應(yīng)晶體管的閾值電壓再次正向偏移,發(fā)生了一定程度的退火現(xiàn)象。

第四階段:反彈效應(yīng)與電性態(tài)生成。在最后階段發(fā)生了一種反彈效應(yīng),即帶有負(fù)電性的受主態(tài)在Si-SiO2界面生成。界面態(tài)與氧化物陷阱電荷經(jīng)過一定程度的退火,令NMOS場效應(yīng)晶體管的閾值電壓漂移到接近初始狀態(tài)。這一過程反映了輻照后電性態(tài)得以修復(fù)并趨近于初始狀態(tài)。

對于PMOS晶體管,圖4給出了總劑量效應(yīng)導(dǎo)致P型VDMOS晶體管閾值電壓漂移量與時(shí)間的關(guān)系[11]。

圖4 P型VDMOS閾值電壓漂移量與時(shí)間的關(guān)系Fig.4 Relation between threshold voltage drift of P-type VDMOS and time

PMOS的閾值電壓在前兩階段受到總劑量效應(yīng)的影響與NMOS相似。但在第三階段與NMOS不同,在PMOS中,氧化物陷阱電荷與界面態(tài)帶正電,導(dǎo)致氧化物陷阱電荷的退火與界面態(tài)的生成,這一變化導(dǎo)致PMOS場效應(yīng)晶體管的閾值電壓向初始值變化,與NMOS在相同階段的行為不同。

從VDMOS的結(jié)構(gòu)上看,其內(nèi)部寄生著一個(gè)NPN型晶體管。因此VDMOS對總電離劑量(TID)效應(yīng)很敏感。近年來,由于機(jī)理相對較為明晰,對于總劑量效應(yīng)對VDMOS影響機(jī)理的研究逐漸趨向于新結(jié)構(gòu)的VDMOS器件研發(fā)及制造。

從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度來看,喬明等結(jié)合γ射線輻照試驗(yàn)與TCAD仿真較為系統(tǒng)地研究了30 V分裂柵溝槽(SGT)VDMOS中的總電離劑量效應(yīng),如圖5所示[8]。相比傳統(tǒng)的平面結(jié)構(gòu),SGT結(jié)構(gòu)的工藝制造步驟引入了多重氧化與退火工藝,因此溝槽結(jié)構(gòu)中的氧化物缺陷濃度較高。從閾值電壓漂移的角度看,柵氧化物中的電場強(qiáng)度(Eox)高達(dá)0.9 MV/cm,使得很大一部分氧化物電荷轉(zhuǎn)移到了界面,形成界面俘獲電荷。試驗(yàn)中輻照后產(chǎn)生較大的泄露電流來源于柵極氧化物中俘獲電荷造成的泄露路徑。這些俘獲電荷對體電場分布有很大的影響,導(dǎo)致?lián)舸╇妷?BV)下降,在總劑量為100 krad(Si)的輻照下,BV下降到14 V。為了實(shí)現(xiàn)對總劑量輻照的加固,提出3種方法:通過減少退火步驟減小氧化物電荷,降低漏極的摻雜濃度,在SGT VDMOS中引入高摻雜保護(hù)區(qū)。

(a)30-V SGT VDMOS的橫截面; (b)總劑量輻照下的等勢面與沖擊-電離產(chǎn)生率分布; (c)器件位于開關(guān)態(tài)下,總劑量和BV之間的關(guān)系; (d)輻照前后器件轉(zhuǎn)移特性的仿真與測試結(jié)果;(e)器件位于不同偏壓下,總劑量與閾值電壓的關(guān)系;(f)不同的漏極摻雜濃度Nd下BV隨總劑量的變化情況圖5 SGT-VDMOS中的總電離劑量效應(yīng)研究Fig.5 Study on the effect of total ionization dose in SGT-VDMOS

VDMOS制造過程中的溫度分布、雜質(zhì)擴(kuò)散及注入?yún)?shù)不同導(dǎo)致工藝參數(shù)的變化,總劑量響應(yīng)對工藝變化敏感,使得同一晶片(晶片內(nèi))生產(chǎn)的器件或同一批次(批次內(nèi))生產(chǎn)器件的總劑量響應(yīng)不同。2023年,崔江維等通過60Co-γ射線輻照實(shí)驗(yàn)研究了B1500A與BC3193兩類硅基VDMOS器件的批次內(nèi)總劑量響應(yīng)變化,如圖6所示。試驗(yàn)結(jié)果顯示,在總劑量不斷增加的情況下,批次內(nèi)裝置參數(shù)的可變性發(fā)生變化。輻照后,閾值電壓、亞閾值擺幅、輸出電容與二極管正向電壓的可變性增加。通過提取器件中總劑量響應(yīng)輻照引起的Not和Nit,建立了參數(shù)變化與俘獲電荷之間的關(guān)系,分析可知,輻照后俘獲電荷的積累放大了同一批器件的工藝差異,導(dǎo)致器件的閾值電壓、亞閾值擺幅、最大跨導(dǎo)、輸出電容及二極管正向電壓的差異。表1給出了電參數(shù)的變化與輻照后俘獲電荷之間的相關(guān)性。為建立科學(xué)合理的批內(nèi)器件總劑量效應(yīng)評估及篩選方法、保障航天器電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性奠定了基礎(chǔ)。

表1 輻照前后電參數(shù)變化Tab.1 Changes of electrical parameters before and after irradiation

3 VDMOS器件輻照誘導(dǎo)退化效應(yīng)的機(jī)理:單粒子效應(yīng)

單粒子效應(yīng)是指單個(gè)高能粒子入射后,能量被半導(dǎo)體器件吸收,器件體內(nèi)電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶,產(chǎn)生大量的電子空穴對,電子空穴對在電場的作用下漂移,使得器件狀態(tài)發(fā)生改變或直接燒毀的效應(yīng)。單粒子效應(yīng)的發(fā)生是偶然性的,但是對半導(dǎo)體器件的影響是巨大的。單粒子效應(yīng)包括單粒子翻轉(zhuǎn)(Single Event Upset,SEU)、單粒子閂鎖(Single Event Latchup,SEL)、單粒子燒毀(Single Event Burnout,SEB)及單粒子?xùn)艙舸?Single Event Gate Rupture,SEGR)等,其中 SEU是非破壞性的,可能會(huì)對整個(gè)電力電子系統(tǒng)造成邏輯上的錯(cuò)誤,稱為軟錯(cuò)誤,而 SEL、SEB、SEGR都是破壞性的,一旦發(fā)生會(huì)對器件產(chǎn)生毀滅性的打擊,稱為硬錯(cuò)誤。對于單個(gè)器件來說,SEB與SEGR是需要主要考慮的單粒子效應(yīng),故功率器件的加固主要針對SEB與SEGR。

單粒子效應(yīng)導(dǎo)致寄生三極管產(chǎn)生SEB[14]。在漏極正向偏置的作用下,體區(qū)產(chǎn)生的電勢差使得寄生NPN晶體管導(dǎo)通,經(jīng)過一定時(shí)間的重復(fù)正反饋,局部點(diǎn)出現(xiàn)集中電流束,導(dǎo)致該處PN結(jié)的性能減弱,令器件發(fā)生燒毀。柵極電壓在SEB中具有重要的影響,L.L.Foro 等通過中子試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)中子引發(fā)FS-IGBT(Field Stop Insulated Gate Bipolar Transistor)的燒毀。相關(guān)軟件可模型仿真SEB與入射粒子位置、能量、種類的關(guān)系。

柵極位置在電子器件中容易發(fā)生SEGR現(xiàn)象,這是一種由入射粒子引起的柵極破裂現(xiàn)象。當(dāng)單粒子到達(dá)柵極區(qū)域時(shí),柵中會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對,這是由于粒子與材料相互作用產(chǎn)生的效應(yīng)。在晶體管處于正向偏置條件下,電場的作用使得空穴朝著柵極氧化物介質(zhì)/硅的有源層界面漂移,并最終在該界面聚集。在假設(shè)有源層界面處積攢的空穴產(chǎn)生的電場達(dá)到柵極氧化物介質(zhì)電場的零界值時(shí),即使柵極氧化物介質(zhì)是絕緣體,也會(huì)發(fā)生SEGR效應(yīng)。SEGR的發(fā)生條件與SEB類似,與入射粒子的類型及所含能量有關(guān),這意味著不同的入射粒子可能導(dǎo)致不同類型的SEGR。Javanainen Arto等提出了SEGR的半經(jīng)驗(yàn)預(yù)測公式,其中包含輻射劑量率LET、入射粒子類型等參數(shù),用于定量預(yù)測SEGR的可能性。一旦發(fā)生柵穿,器件將受到嚴(yán)重?fù)p害,柵極將表現(xiàn)出大電流及壓降,這可能導(dǎo)致器件失效。

隨著功率器件新結(jié)構(gòu)及新材料的發(fā)展,對單粒子效應(yīng)的研究也越來越多樣化,除了對單粒子效應(yīng)進(jìn)行深入研究,人們對溝槽型器件、超結(jié)器件等新器件結(jié)構(gòu)的單粒子輻射特性及新的柵介質(zhì)材料對單粒子輻射的敏感性進(jìn)行了大量研究。周新田等使用分段定義摻雜濃度構(gòu)建了多個(gè)緩沖層[17]。在擊穿電壓(BV)、閾值電壓(Vth)及導(dǎo)通電阻(RON)變化不明顯的條件下,實(shí)現(xiàn)了更低的電場峰值與更低的碰撞電離率,從而在相同的注入位置及線性能量傳遞值下有更高的設(shè)定閾值電壓。

圖7(a)、(b)、(c)分別給出了3種器件在相同偏置條件下的SEB性能。可以看出,在注入位置=2 μm、LET=0.1 pc/μm、偏置VDS=79 V的服役條件下,盡管帶均勻緩沖層的B-MOS結(jié)構(gòu)泄露電流曲線變小,但是與C-MOS器件一樣都出現(xiàn)了器件燒毀,相比之下,MB-MOS未出現(xiàn)燒毀現(xiàn)象,表現(xiàn)出相對較強(qiáng)的抗SEB能力。

(a)傳統(tǒng)VDMOS結(jié)構(gòu)(C-MOS);(b) 緩沖層VDMOS結(jié)構(gòu)(B-MOS) ;(c) 非均勻緩沖層VDMOS結(jié)構(gòu)(MB-MOS);(d) VDS為79 V時(shí)漏電流隨時(shí)間的變化情況;(e) 入射時(shí)間為0.1 μs時(shí),器件的電場分布圖7 多緩沖層結(jié)構(gòu)的VDMOS抗單粒子燒毀效應(yīng)研究Fig.7 Research on anti-single particle burn-out effect of VDMOS with multi-buffer layer structure

圖7(e) 顯示了當(dāng)入射時(shí)間為0.1 μs時(shí),3種器件的電場分布?？梢钥闯?在離子撞擊后的瞬態(tài)過程中,B-MOS器件與MBMOS器件可提供比C-MOS器件更平滑、更小的電場分布。對于MB-MOS器件,峰值電場主要存在于器件表面,這是因?yàn)镸B-MOS器件是在B-MOS器件基礎(chǔ)上設(shè)置了不同濃度的緩沖層,結(jié)處的高電場在緩沖層中的電場損耗及不同濃度緩沖層之間的電場耗盡,在二者共同作用下提高了器件的二次擊穿電壓,達(dá)到了較好的抗SEB性能。

唐昭煥等針對N溝道功率VDMOS的單粒子燒毀與單粒子?xùn)艠O破裂設(shè)計(jì)了一種加固結(jié)構(gòu),稱為DB_MOS,如圖8所示。該結(jié)構(gòu)結(jié)合P+埋氧層中的復(fù)合中心與厚氧化層的高擊穿電壓特性,在VDMOS結(jié)構(gòu)中分別設(shè)計(jì)了N+埋層、P+埋層及厚氧化層。這種加固設(shè)計(jì)極大提高了器件的抗單粒子輻射能力。結(jié)果表明,這種N溝道功率MOSFET在單粒子輻照環(huán)境下的安全工作區(qū)提高了300%,線性能量傳輸值為98 MeVcm2/mg。此結(jié)構(gòu)可廣泛應(yīng)用于在空間服役環(huán)境中使用的單粒子輻照加固功率MOSFET。

(a)DB_MOS結(jié)構(gòu); (b)DB_MOS與常規(guī)VDMOS結(jié)構(gòu)的寄生雙極晶體管從發(fā)射極到集電極的模擬凈摻雜分布曲線;(c) DB_MOS與常規(guī)VDMOS的模擬輸出特性曲線圖8 DB_VDMOS結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與抗單粒子輻射加固效果Fig.8 Structure design of DB_VDMOS and reinforcement effect against single particle radiation

4 VDMOS器件輻照誘導(dǎo)位移效應(yīng)和劑量率效應(yīng)研究

位移輻射損傷是在靶材料內(nèi)由入射粒子(如質(zhì)子、重離子、等高能電子)和晶格點(diǎn)陣原子碰撞生成。位移輻射損傷與電離效應(yīng)在雙極晶體管的氧化物電荷及界面造成的影響各不相同。通過對原子造成位移,形成間隙原子-空位對等缺陷損傷結(jié)構(gòu)。

位移輻射對雙極晶體管中的Si材料的晶格勢場造成顯著影響,導(dǎo)致整個(gè)晶體管的電性能下降。輻射損傷引起晶格結(jié)構(gòu)非對稱的原子弛豫,這主要是因?yàn)榭昭ū谎蹩瘴环@,導(dǎo)致Si-Si鍵斷裂,形成帶有正電荷的氧化物陷阱電荷。一旦氧化物陷阱電荷形成,則會(huì)發(fā)生退火現(xiàn)象。退火程度受到時(shí)間、溫度及應(yīng)力等條件的影響,進(jìn)一步影響了氧化物陷阱電荷的性質(zhì)及分布。退火過程包括隧穿退火與熱激發(fā)退火兩種模式。隧穿退火通常在常溫或接近常溫下發(fā)生,而熱激發(fā)退火需要較高的溫度條件。輻照導(dǎo)致的氧化物陷阱電荷的退火機(jī)制是一個(gè)非常復(fù)雜的過程,涉及多種因素。圖9是其中的部分情況,影響退火的因素包括溫度、時(shí)間及應(yīng)力等多個(gè)方面。

圖9 氧化物陷阱電荷的退火 Fig.9 Annealing of oxide trap charge

由于制造工藝和晶格失配等原因,在Si/SiO2界面形成了Pb0中心,這種中心存在于特定的位置。Si/SiO2界面的界面態(tài)陷阱電荷表現(xiàn)出多態(tài)性,可帶有正、負(fù)或中性電荷,分為類施主界面陷阱與類受主界面陷阱,這種多態(tài)性直接影響了界面的電性質(zhì)。圖10展示了Si/SiO2界面處的能帶彎曲,這是因?yàn)樵赩DMOS器件的制備中對柵極施加電壓改變了界面態(tài)陷阱電荷的極性,影響了能帶的分布。VDMOS器件閾值電壓的變化主要受到氧化物陷阱電荷與界面態(tài)陷阱電荷的影響,這兩種電荷在Si/SiO2界面處的存在會(huì)直接影響器件性能。氧化物陷阱電荷相對較快地建立,而界面態(tài)陷阱電荷的建立則需要一定的時(shí)間,說明在器件運(yùn)行過程中氧化物陷阱電荷的影響可能更迅速地體現(xiàn)出來,而界面態(tài)陷阱電荷的影響則相對較慢。

(a)VDMOS器件結(jié)構(gòu);(b) 閾值電壓變化和輻照注量之間的關(guān)系;(c) 泄露電流和輻照注量之間的關(guān)系圖10 P溝道VDMOS器件的質(zhì)子輻照損傷效應(yīng)的綜合研究Fig.10 Comprehensive study on proton irradiation damage effects of P-channel VDMOS devices

圖11 (a) VDMOS結(jié)構(gòu)剖面電鏡圖;(b) 12 V偏壓下不同處理方法下的轉(zhuǎn)移特性曲線,偏壓為12 V;(c) 不同處理方式下Not和Nit的變化情況Fig.11 (a) Electron microscope image of VDMOS structure profile; (b) Transfer characteristic curves for different treatment methods at 12 V bias (c)Variation of Not and Nit under different treatment methods

李興冀等研究了3 MeV和6 MeV質(zhì)子對P溝道VDMOS器件的位移及電離損傷特性,測量了閾值電壓與漏電流等關(guān)鍵電參數(shù),如圖10(a)所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,閾值電壓左移,漏電流增大。電性能測量是用3 MeV和6 MeV質(zhì)子原位進(jìn)行的,電性能的變化是不同的。6 MeV質(zhì)子的閾電壓偏移高于3 MeV質(zhì)子。3 MeV質(zhì)子輻照后的漏電流高于6 MeV質(zhì)子輻照后的漏電流。室溫退火300 d,閾值電壓漂移明顯減小,對漏電流影響不大。泄漏電流的增加主要由位移引起,電離損傷主要改變閾值電壓的漂移。隨著輻照能流的增加,P溝道VDMOS器件的負(fù)閾值電壓會(huì)發(fā)生顯著變化。對于3 MeV和6 MeV的質(zhì)子,VTH約為0.85 V和1.08 V。由6 MeV質(zhì)子引起的VTH大于由3 MeV質(zhì)子引起的VTH,因此由6 MeV質(zhì)子引起的電離損傷大于3 MeV質(zhì)子。退火前后,6 MeV和3 MeV質(zhì)子的VTH值分別恢復(fù)到-3.02 eV和-2.97 eV。

由此可知,室溫退火能夠明顯降低輻照引起的閾值電壓漂移。根據(jù)SRIM計(jì)算和退火結(jié)果,VTH的變化可以用電離損傷來解釋。圖10(c)是在給定的VGS= 0.5 V下,6 MeV和3 MeV質(zhì)子輻照下,P溝道VDOMOS器件的泄漏電流與輻射流量的關(guān)系。6 MeV和3 MeV質(zhì)子的P溝道VDMOS器件的泄漏電流增長趨勢相似,相同的輻射流量保持相同,再增加。在正常情況下,P溝道VDMOS器件的Si體中的PN結(jié)不導(dǎo)電,因?yàn)? MeV和6 MeV質(zhì)子穿透氧化層,不僅引起電離損傷,還引起Si體中的位移損傷。位移損傷可以為穩(wěn)定的空位缺陷復(fù)合物產(chǎn)生有效的復(fù)合及俘獲中心。當(dāng)存在大量的位移損傷時(shí),會(huì)在P型和N型區(qū)域上引入缺陷能級(jí),導(dǎo)致PN結(jié)的形成,產(chǎn)生感應(yīng)重組電流。一般來說,位移損傷與質(zhì)子產(chǎn)生的空位數(shù)成正比。隨著注量的增加,3 MeV和6 MeV質(zhì)子的漏電流變化相似。但在給定的能量密度下,3 MeV質(zhì)子的漏電流高于6 MeV質(zhì)子的漏電流,故漏電流的變化可以用位移損傷來解釋。

在劑量率效應(yīng)方面,周新田等研究了輻照加固的VDMOS在γ射線輻照和加速退火過程中的退化,參考航空航天應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn),考慮了不同劑量率及工作溫度對實(shí)際工作環(huán)境的影響。研究發(fā)現(xiàn),ELDRS效應(yīng)對器件具有重要影響,且此影響在高溫下進(jìn)一步加劇,嚴(yán)重影響器件的可靠性。研究考慮了3種處理方式,分別為Si-ED、Se-ED、LR-ED。Si-ED處理步驟為低劑量率γ射線輻照同時(shí)100 ℃退火處理,Se-ED為高劑量率γ射線輻照后100 ℃退火處理,LR-ED為低劑量率γ射線輻照同時(shí)室溫退火處理。實(shí)驗(yàn)表明,與順序?qū)嶒?yàn)器件(Se-ED)相比,用柵偏壓(+12 V)輻照的Si-ED具有較低的氧化物俘獲電荷增量(Not)和較高的界面態(tài)增量(Nit)。但對于采用漏極偏置(200 V)輻照的Si-ED,其Not和Nit低于Se-EDs,這與采用三端偏置(200 V漏極偏置、10 V柵極偏置和源極接地)輻照的器件類似。此外,在所有情況下,與柵極偏置器件相比,漏極偏置器件的Nit更大,而三端偏置器件的Nit更小,尤其是在Si-ED中。因此Not和Nit的變化會(huì)導(dǎo)致器件的閾值電壓、擊穿電壓、漏電流及導(dǎo)通電阻不同程度的退化,這將不可避免地威脅到電氣系統(tǒng)的正常運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)考慮了不同的偏壓條件,發(fā)現(xiàn)界面態(tài)增加的最差情況是低劑量率輻照結(jié)合正柵偏壓下的高溫環(huán)境,而氧化物俘獲電荷增加的最差情況是在正漏偏壓下高劑量率輻照后進(jìn)行的加速退火過程。該結(jié)論可為后續(xù)的航天應(yīng)用器件可靠性標(biāo)準(zhǔn)評估奠定理論基礎(chǔ)。還發(fā)現(xiàn)負(fù)柵壓可有效抑制氧化層中氧化物陷阱電荷及界面態(tài)的產(chǎn)生,特別是在低劑量率下,這為器件輻照加固提供了一種解決方案。

5 展望

功率VDMOS器件在電力電子系統(tǒng)中具有極高的應(yīng)用價(jià)值,特別是在航天器中扮演著不可替代的角色,是航空航天和核能應(yīng)用領(lǐng)域的重要組成。近年來,人們對VDMOS器件進(jìn)行了系統(tǒng)的抗輻射加固研究,以提高其在輻射環(huán)境下的穩(wěn)定性及可靠性,這對于保障器件在高輻射環(huán)境中的正常運(yùn)行具有重要意義。目前,美國國際整流器公司提供的抗輻射產(chǎn)品線是最先進(jìn)的,產(chǎn)品線涵蓋從低壓至中壓器件,具有出色的抗總劑量能力,最高可達(dá)1000 krad(Si),為輻射環(huán)境下的應(yīng)用提供了高度可靠的解決方案[22]。我國近年來在VDMOS器件抗輻射加固設(shè)計(jì)方面取得了一系列的突破,部分設(shè)計(jì)架構(gòu)已達(dá)到國際先進(jìn)水平,在提高器件在輻射環(huán)境中的性能方面具有獨(dú)創(chuàng)性及領(lǐng)先性。

未來,還需進(jìn)一步深入研究VDMOS器件的抗輻射效應(yīng),包括VDMOS器件的位移效應(yīng),基于寬禁帶半導(dǎo)體的VDMOS加固設(shè)計(jì)及仿真。隨著器件集成程度的不斷提高,基于VDMOS單管組成的集成電路級(jí)別的抗輻照問題將得到解決。目前,工藝技術(shù)逐漸向原子尺度和電路工藝的方向發(fā)展,適用于微納尺度、寬帶隙及跨尺度VDMOS的抗輻照手段將實(shí)現(xiàn)高效發(fā)展,將對航天航空器件單元、電路及微系統(tǒng)高功率抗輻照應(yīng)用等起到支撐作用。