MOS 電容器單粒子介質擊穿導致GaN 功率放大器失效分析

于慶奎，張洪偉，孫 毅，梅 博，李曉亮，呂 賀，王 賀，李鵬偉，唐 民，王哲力，文 平

（1. 中國空間技術研究院； 2. 國防科技工業抗輻照應用技術創新中心：北京 100029；3. 南京電子器件研究所，南京 210016； 4. 空間電子信息技術研究院，西安 710100）

0 引言

與硅基器件相比，GaN 高電子遷移率晶體管（HEMT）在高頻、大功率、高溫和高壓應用方面具有超強的優勢，是極具潛力的空間用器件。空間應用器件須滿足抗輻射要求，GaN 禁帶寬度較寬，故理論上GaN 器件具有強抗輻射能力[1-2]。國內外試驗驗證了GaN 器件抗電離總劑量效應和位移損傷能力較強[3-4]，但GaN 高壓功率器件會發生單粒子燒毀失效[5]。因此，對于空間用GaN 高壓功率器件，應特別關注單粒子效應，包括單粒子燒毀、單粒子柵擊穿等。GaN 功率放大器為混合電路，由有源器件GaN HEMT、無源器件電容器和電感器等構成。傳統觀點認為，無源器件電容器、電感器屬于輻射效應不敏感的；但研究表明MOS 電容器對單粒子介質擊穿敏感[6-8]。為了確保新型GaN 功率放大器滿足空間輻射環境應用要求，使用前應對其進行單粒子效應評估。

本文對一款基于GaN HEMT 芯片制造的功率放大器進行了重離子輻照試驗及失效分析，旨在為功率放大器及類似工藝結構的混合電路的空間應用及加固設計提供參考。

1 試驗過程

1.1 樣品

被試樣品為基于GaN HEMT 芯片制造的功率放大器，頻率范圍7.7～8.5 GHz，輸出功率42 dBm，輸出電壓24 V。采用混合電路工藝制造，由GaN HEMT 芯片、硅半導體工藝MOS 電容器、陶瓷電容器和電感器等組成。在GaN HEMT 漏極和柵極上各串聯一個MOS 電容器。封裝形式為金屬陶瓷。

共對2 只樣品進行輻照試驗，樣品編號115#、117#。試驗前，將樣品開帽，露出內部的GaN HEMT芯片、電容器和電感器。

1.2 試驗裝置

重離子試驗在中國原子能院HI-13 串列靜電加速器上進行。為了評估空間輻射環境中鐵峰（最大LET 約為26 MeV·cm2/mg）的影響，輻射源選擇鍺離子（Ge+13），能量為205 MeV，LET 值為37.4 MeV·cm2/mg，在硅中射程為30.0 μm，注量率為1×104cm-2·s-1。離子束斑為邊長5 cm 的正方形，足以覆蓋樣品中的所有元器件。每次輻照1 只樣品。

1.3 效應檢測

離子束輻照過程中，被試樣品施加靜態電偏置：Vgs=-8 V，按產品考核要求，電源端施加3 倍額定電壓，即Vds=84 V。供電電源為Agilent N6705B。實時監測漏極和柵極的電流，如果監測電流突然跳變，則關閉束流，對被試樣品進行全參數和功能檢測。

2 試驗結果

分別對2 只GaN 功率放大器進行試驗，Ge 離子束流開啟后，2 只被試樣品均馬上監測到漏極電流跳變。

關閉離子束流，對被試樣品進行測試，發現它們均已失效。

用顯微鏡對功率放大器內部各元器件進行檢查，發現串聯在GaN HEMT 芯片漏極的MOS 電容器表面金屬電極存在熔融燒毀痕跡，燒毀部位位于電容器電極邊緣，如圖1 所示。未發現串聯在GaN HEMT 柵極的MOS 電容器以及GaN HEMT 芯片、電感器和陶瓷電容器形貌存在異常。

圖 1 MOS 電容器表面有燒毀痕跡（箭頭所指）Fig. 1 Damaged spots on the surface of MOS capacitor (see arrowhead)

對GaN 功率放大器內部各元器件分別進行電測試，結果顯示：1）串聯在GaN HEMT 漏極的MOS 電容器呈現短路狀態，發生了短路擊穿失效；2）GaN HEMT 芯片的電參數與輻照前數據對比沒有變化，可確認GaN HEMT 芯片未失效；3）陶瓷電容器和電感器未發現異常。

測試結果表明，重離子輻照引起串聯在GaN HEMT 漏極的MOS 電容器短路失效，導致GaN 功率放大器失效。

3 MOS 電容器失效原因分析

用掃描電子顯微鏡對失效的MOS 電容器進行形貌觀察，如圖2 所示，發現電容器存在局部嚴重燒毀，表面金屬層有熔融痕跡。對燒毀部位進行能譜分析，如圖3 所示，發現其主要成分為Si。綜上可以判斷，MOS 電容器介質層被擊穿，導致電容器失效。

圖 2 燒毀電容器SEM 圖Fig. 2 SEM picture showing damaged spots on the surface of dielectric layer

圖 3 燒毀部位的成分能譜Fig. 3 Energy spectrum for the surface of damaged dielectric layer

失效的MOS 電容器是基于硅半導體工藝生產的，如圖4 所示：介質層上有Ti（厚度為100 nm）和W（厚度為300 nm）構成的金屬阻擋層，表面電鍍Au 層（厚度為3 μm）；介質層為SiO2和Si3N4，厚度分別為85 nm 和150 nm；襯底為硅，N 型摻雜（As），電阻率為0.006～0.009 Ω·cm2，厚度為110 μm。電容器尺寸為600 μm×600 μm×114 μm。

圖 4 MOS 電容剖面結構示意Fig. 4 Cross section profile of MOS capacitor

SiO2擊穿電場強度約為6×106V/cm，按此計算，介質厚度為235 nm 的電容器的擊穿電壓約為141 V。

取同批次MOS 電容器芯片進行擊穿電壓測試：金屬電極加正電，以漏電流達到50 μA 時的電壓為擊穿電壓。測試得到MOS 電容器的擊穿電壓為152 V 左右，與通過介質擊穿電場計算的擊穿電壓較為接近。

梳理MOS 電容器可能的失效原因：

1）高能離子在MOS 電容器上電極積累，產生的電壓超過擊穿電壓，引起介質擊穿失效；

2）高能離子在硅襯底電離出的電荷在MOS電容器下電極積累，產生的電壓超過擊穿電壓，引起介質擊穿失效；

3）高能離子穿過MOS 電容器過程中，在介質中引入損傷，導致單粒子介質擊穿失效。

對這些可能的原因分別進行討論：

1）不可能是輻照離子在表面電極上積累引起的。試驗用Ge 離子的射程為30 μm，足夠穿過表面金屬化層（包括厚度為3 μm 的Au、厚度為100 nm的Ti、厚度為300 nm 的W）和介質層（85 nm的SiO2和150 nm 的Si3N4）進入硅襯底，因此，輻照離子不會在表面電極上積累引起介質層過電壓擊穿。

2）不可能是高能離子在硅襯底電離出的電荷在MOS 電容器下電極積累造成的。襯底為N 型重攙雜，當表面電極加正電壓時，在硅襯底負電極上形成的是電子（多子）積累，由輻照產生的電子-空穴分離出來的電子數量相對于多子（電子）的數量可以忽略。

3）排除前兩者后，分析認為MOS 電容器發生了單粒子介質擊穿失效。該種擊穿類似于MOSFET器件中的單粒子柵擊穿（SEGR）。Wrobel[8]針對SEGR 現象提出了等離子體通道（plasma pipe）模型，認為：高能離子穿過金屬電極，進入絕緣介質層時，會通過電離產生電子-空穴對；在電場的作用下，電子向金屬-介質界面運動，而空穴向介質-Si界面運動；電子-空穴在高壓下加速運動，在介質內形成等離子體通道及大電流，造成等離子管道區域溫度上升到1300 ℃以上，達到介質熔點，從而造成介質層出現燒毀。

單粒子介質擊穿不僅與入射離子的LET 值有關，還與介質材料中的電場強度有關。輻照失效電容器的失效部位均位于電極四周邊緣，邊緣處電場相對集中，在同樣的離子和電壓下容易首先出現介質擊穿失效。試驗觀察的失效現象支持電容器是單粒子介質擊穿失效。

文獻[9]給出一個計算MOS 電容擊穿電壓的模型。該模型中，擊穿電壓是介質層厚度的函數，即

式中：|Eint|是介質材料的本征擊穿電場；td是氧化層厚度；α=0.164 8 MeV-b；b=0.25，是半經驗參數；變量 χ（單位MeV）由給出，其中：Z是入射離子的相對原子質量；ρ是介質材料密度。

SiO2-Si3N4介質層的臨界擊穿電壓為

文獻[10]給出：SiO2和Si3N4的本征擊穿電場|Eint|分別為10 MV/cm 和4.5 MV/cm。

利用上述模型計算了Ge（205 MeV）離子輻照MOS 電容器的臨界擊穿電壓為77.2 V，與試驗結果是吻合的。因此，判定MOS 電容器發生了單粒子介質擊穿。

4 MOS 電容器單粒子介質擊穿失效的驗證

為了驗證MOS 電容器為單粒子介質擊穿失效，對相同型號的MOS 電容器進行了重離子輻照試驗，通過試驗測量出了介質擊穿電壓，同時，進行單粒子介質擊穿電壓的理論計算。對試驗獲得的結果和理論計算結果進行了比較。

共對10 只電容器進行了輻照試驗。試驗在中國原子能科學研究院串列靜電加速器上進行，試驗源為Ge 離子、Ti 離子、Si 離子。輻照中，樣品施加的電壓、輻照離子的能量和LET 值及試驗結果如表1 所示。從表1 可看出：Ge 離子輻照時，84 V 電壓下電容器發生短路失效，56 V 電壓下電容器未發生短路失效，表明重離子引起的燒毀與施加在電容器上的電壓有關；在84 V 電壓下，Ge 和Ti 離子引起電容器燒毀失效，而Si 離子未引起電容器燒毀失效，表明電容器短路失效與入射離子的LET 值有關。

表 1 MOS 電容器重離子試驗結果Table 1 Heavy ion test results of MOS capacitors

利用式(1)～(3)計算重離子輻照引起MOS 電容器單粒子介質擊穿的臨界擊穿電壓，結果見表2。同時與離子輻照試驗結果進行對比發現二者基本吻合。因此，得出MOS 電容器失效是單粒子介質擊穿。

表 2 MOS 電容器計算的臨界擊穿電壓和重離子輻照試驗測量結果Table 2 Critical breakdown voltage of MOS capacitors obtained by calculation and heavy ion test

5 結論

本文對一款基于GaN HEMT 芯片制造的功率放大器進行了重離子輻照試驗，2 只樣品均發生了失效。通過對失效器件的分析，可以得出如下結論：

1）重離子輻照中GaN 功率放大器失效原因是MOS 電容器單粒子介質擊穿，理論計算和試驗結果驗證了這一點。MOS 電容器單粒子介質擊穿電壓的大小與介質層厚度和介質的擊穿電場有關。

2）對于含有MOS 電容器的混合電路，需要評估MOS 電容器單粒子介質擊穿敏感性。可通過理論計算和重離子輻照試驗方法進行評估。