功率MOS單粒子加固設(shè)計(jì)

劉文輝

【摘要】高能粒子進(jìn)入功率MOS器件后，會(huì)引起SEE（Single Event Effect）。本文對(duì)功率MOS器件的SEE效應(yīng)的機(jī)理進(jìn)行了分析，研究了SEE失效敏感性與器件結(jié)構(gòu)的關(guān)系；最后采用LET=99 MeV/（mg/cm2）的Bi+進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明這種加固技術(shù)可以有效提高器件的抗單粒子能力。

【關(guān)鍵詞】功率MOS器件；單粒子

一、引言

航天器使用的功率MOS器件與地面使用的功率MOS器件比較起來，需要承受空間的輻射環(huán)境的影響。空間輻射環(huán)境中存在的高能射線粒子，其中高能質(zhì)子和重粒子易發(fā)生單粒子效應(yīng)，導(dǎo)致器件失效，對(duì)功率器件的損傷最大。對(duì)于功率MOS器件單粒子效應(yīng)（SingleEventEffect，簡(jiǎn)稱SEE）是指高能質(zhì)子或重粒子射入器件，沿入射徑跡產(chǎn)生大量電荷所引發(fā)的效應(yīng)；最主要的兩種單粒子效應(yīng)（SEE）主要分為單粒子燒毀（SingleEventBurnout，簡(jiǎn)稱SEB）、單粒子?xùn)糯⊿ingleEventGateRupture，簡(jiǎn)稱SEGR）。

（一）單粒子燒毀（SingleEventBurnout，簡(jiǎn)稱SEB）

單粒子燒毀是場(chǎng)效應(yīng)管漏極--源極局部燒毀，屬于破壞性效應(yīng)。入射粒子產(chǎn)生的瞬態(tài)電流導(dǎo)致敏感的寄生雙極結(jié)晶體管導(dǎo)通，雙極結(jié)晶體管的再生反饋機(jī)制造成收集結(jié)電流不斷增大，直至產(chǎn)生二次擊穿，造成漏極-源極永久短路，直至電路燒毀，單粒子燒毀主要影響CMOS、powerBJTs、MOSFET等器件。

（二）單粒子?xùn)糯⊿ingleeventgaterupture，簡(jiǎn)稱SEGR）

單粒子?xùn)糯侵冈诠β蔒OSFET器件中，單粒子穿過柵介質(zhì)層后導(dǎo)致在柵介質(zhì)中形成導(dǎo)電路徑的破壞性的燒毀。

對(duì)于功率MOS器件，主要失效模式為單粒子燒毀（SingleEventBurnout，縮寫SEB）和單粒子?xùn)糯⊿ingleEventGaterupture，縮寫SEGR），這兩種機(jī)制可造成功率轉(zhuǎn)換器或電源電壓的劇烈波動(dòng)，導(dǎo)致航天器的電子系統(tǒng)發(fā)生災(zāi)難性事故，嚴(yán)重威脅著航天電子系統(tǒng)的生存，單粒子效應(yīng)是繼等離子體充電效應(yīng)之后又一威脅航天器安全的主要空間環(huán)境效應(yīng)。

二、基本理論

本課題將基于現(xiàn)有的輻照理論，著重從防止單粒子燒毀和單粒子?xùn)糯﹥煞矫鎸?duì)功率MOS器件進(jìn)行機(jī)理分析。

（一）單粒子燒毀的機(jī)理

高能粒子從源區(qū)入射到器件內(nèi)部，沿粒子路徑電離出大量的等離子體，在漏源電場(chǎng)的作用下發(fā)生漂移擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。電子向襯底漏極漂移，空穴向源區(qū)漂移并且向N+區(qū)橫向擴(kuò)散，的橫向擴(kuò)散導(dǎo)致在阱區(qū)分布電阻上產(chǎn)生壓降，當(dāng)電阻上的壓降增加到一定值時(shí)，使寄生晶體管導(dǎo)通，即漏極和源極短路，短路電流導(dǎo)致器件燒毀。重粒子LET值的不同導(dǎo)致SEB敏感性的不同。LET值越大，單位長(zhǎng)度上電離產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)越多，載流子在空間電荷區(qū)的碰撞電離越強(qiáng)，寄生晶體管更易開啟，器件的SEB敏感性更高。

（二）單粒子?xùn)糯┑臋C(jī)理

MOS器件SEGR效應(yīng)的本質(zhì)原因有兩個(gè)：一是沿高能粒子入射形成的等離子體絲流對(duì)柵絕緣介質(zhì)造成局部損傷；二是柵漏重疊區(qū)Si/SiO2界面空穴積累。

當(dāng)重粒子從柵介質(zhì)位置入射時(shí)，考慮到柵極加偏置電壓，同時(shí)漏極加載負(fù)電壓，重粒子在Si材料中產(chǎn)生的電子空穴對(duì)將在外加電場(chǎng)的作用下向不同的電極漂移。其中，空穴將迅速向漏極漂移并被收集，而電子將向著柵極漂移，并且逐漸在Si/SiO2界面處累積，造成界面處的電勢(shì)增加。與此同時(shí)，柵介質(zhì)層兩側(cè)的電勢(shì)差將隨之增加，當(dāng)場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值高于引發(fā)柵介質(zhì)層發(fā)生擊穿效應(yīng)的臨界場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，標(biāo)志著SEGR效應(yīng)的發(fā)生。

增加?xùn)叛趸瘜拥暮穸瓤梢杂行У母纳破骷腟EGR效應(yīng)，但是柵氧化層厚度的增加不利于器件的抗總劑量性能。綜合考慮后，采用復(fù)合柵介質(zhì)層（SiO2+Si3N4）結(jié)構(gòu)，可以降低器件的SEGR效應(yīng)。

三、加固技術(shù)

（一）單粒子燒毀（SEB）的主要加固措施如下：

降低寄生三極管的基區(qū)電阻可以降低SEB的敏感性。基區(qū)電阻上的壓降達(dá)到B-E結(jié)正向?qū)妷汉蠹纳w管導(dǎo)通；減小溝道長(zhǎng)度、提高溝道濃度可以減小基區(qū)電阻，使基區(qū)電阻上的壓降達(dá)不到B-E結(jié)正偏電壓，從而降低了器件的SEB敏感性；但是受制于器件的擊穿電壓，溝道長(zhǎng)度不能過短，同時(shí)受制于閾值電壓溝道的濃度亦不能太高，需要折中優(yōu)化設(shè)計(jì)。

減小寄生三極管的發(fā)射效率可以降低SEB敏感性。當(dāng)寄生三極管發(fā)射極的摻雜濃度降低時(shí)，從發(fā)射極擴(kuò)散至基區(qū)的電子減少，集電極收集電流減小，器件的SEB敏感性降低。減小源區(qū)P+的摻雜濃度，可以減小寄生三極管的發(fā)射效率。

漏極偏壓的減小可以降低SEB敏感性。隨著漏極偏壓的減小，反偏的基極-集電極的空間電荷區(qū)寬度減小（電場(chǎng)強(qiáng)度減小），重粒子入射產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)在空間電荷區(qū)的碰撞電離減少，在基區(qū)的復(fù)合增加，SEB敏感性降低。這要求器件在使用過程中，針對(duì)實(shí)際的電路電壓，對(duì)器件擊穿電壓要降額使用，而且降額系數(shù)越大，器件的SEB敏感性越低。

（二）單粒子?xùn)糯⊿EGR）的加固設(shè)計(jì)

當(dāng)高能粒子從器件的柵區(qū)入射到器件中時(shí)，粒子入射后沿著軌跡在柵介質(zhì)層和半導(dǎo)體材料中產(chǎn)生大量的電子空穴對(duì)，SEGR的產(chǎn)生與兩個(gè)過程有關(guān)：外延層響應(yīng)和柵介質(zhì)響應(yīng)，其中外延層響應(yīng)占主要部分。

外延層響應(yīng)是指重粒子入射后再外延層中電離產(chǎn)生電子空穴對(duì)，在外加電場(chǎng)作用下，電子被漏極收集、空穴向Si/SiO2界面漂移，同時(shí)兩者也會(huì)沿著粒子徑跡向外擴(kuò)散。與電子在縱向電場(chǎng)作用下的漂移相比，空穴擴(kuò)散和漂移的過程緩慢得多，聚集在Si/SiO2界面的電荷在柵極感應(yīng)出相反電荷，電荷和感應(yīng)電荷構(gòu)成的電場(chǎng)無疑增加了柵氧電場(chǎng)。若柵氧電場(chǎng)的上升能夠達(dá)到介質(zhì)擊穿電壓，則會(huì)引發(fā)SEGR效應(yīng)。圖2給出了功率MOS器件SEGR效應(yīng)發(fā)生的位置和沿入射粒子路徑載流子分布。

柵介質(zhì)響應(yīng)是指粒子在穿越柵介質(zhì)層過程中電離產(chǎn)生了高導(dǎo)電率的等離子軌跡，在柵極和襯底之間構(gòu)成了低阻通道。如果柵極電容中存儲(chǔ)了足夠的能量，那么等離子軌跡會(huì)成為電容的放電通道。放電會(huì)引起絕緣層過熱，能量足夠大時(shí)會(huì)引起絕緣層退化甚至融化。

為了進(jìn)一步改善器件的抗單粒子?xùn)糯┑奶匦裕档洼椪蘸髺旁绰╇姡瑬沤橘|(zhì)由40nmSiO2+40nmSi3N4改為20nmSiO2+80nmSi3N4，柵介質(zhì)層厚度由原來的80nm增加到100nm，在同樣?xùn)艠O電壓下，減小了柵源漏電。

四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

采用LET=99MeV/（mg/cm2）的Bi+粒子進(jìn)行了試驗(yàn)，采用上述加固措施的器件，在80%BVDSS的漏極偏置條件下，漏源漏電僅增加了12uA，但滿足使用要求；但未進(jìn)行加固的器件，80%BVDSS的漏極偏置條件下，漏源漏電達(dá)到毫安級(jí)。

五、結(jié)論

本文提出的單粒子燒毀和單粒子?xùn)糯┑募庸坦に嚕@著改善了器件的單粒子效應(yīng)，可以推廣到各型號(hào)的VDMOS的設(shè)計(jì)中。

參考文獻(xiàn)

[1]唐本奇.用252Cf裂片源研究單粒子燒毀和柵穿效應(yīng)的方法. 原子能科學(xué)技術(shù). 2000，34（4）：339-343.

[2]李澤宏，張波，李肇基，曹亮. DMOS輻照正空間電荷閾值電壓模型. 微電子學(xué)，2004，34（2）：185-188.

[3]朱小鋒. 劑量率對(duì)MOS器件總劑量輻射性能的影響. 核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù). 2005，25（3）：322-325.

[4] Joseph R. Srour， James M. Mcgarrity. Radiation Effect on Microelectronics in Space. Proceedings of the IEEE， 1988，76（11）： 1453-1458.

[5] Charles D，et al， Simulation Aided Hardening of N-channel Power MOSFETs to Prevent Single Event Burnout. IEEE Trans NucSci，1995.

[6] TITUSJ I，WHEATLEYC F. Experimental studies of single event gate rupture and burnout in vertical power MOSFET's[J].IEEE Trans NuclSci，1996.