一種總劑量輻照加固的雙柵LDMOS器件

馬紅躍，方 健，雷一博，黎 明，卜 寧，張 波

（電子科技大學電子薄膜與集成器件國家重點實驗室，成都610054）

1 引言

LDMOS（Lateral Double-Diffused Metal-Oxide-Semiconductor）被廣泛應用于各種功率轉換集成電路中，如功率開關、功率集成電路等。當LDMOS器件運用在航天器的功率開關、功率集成電路上時，必然受到輻照的影響[1]。宇宙空間中存在大量的帶電粒子和宇宙射線，這些帶電粒子和高能射線會導致LDMOS器件的電特性參數發生退化，包括閾值電壓漂移、跨導退化、泄漏電流增加、耐壓下降等[2-4]。

對于N型LDMOS，總劑量輻照（Total-Ionizing-Dose，TID）引起的閾值電壓漂移一般認為是由輻照在氧化層中產生了正的固定電荷以及Si和SiO2界面態所致[5]，正的固定電荷導致溝道反型，溝道提前開啟，閾值電壓向負方向漂移；界面態又會使閾值電壓向正方向移動。閾值電壓漂移主要由氧化層中產生的正的固定電荷量主導，其產生量與氧化層厚度成正比，由固定電荷引起的閾值電壓漂移量與氧化層厚度成平方關系。對于閾值電壓漂移，認為可以通過減薄氧化層厚度以及柵氧化層采用高K柵介質材料等手段來減少氧化層中的缺陷[6-8]。

常規600 V N型LDMOS屬于高壓大功率器件，常用在高壓柵驅動芯片上。當芯片工作電壓較高時，需要LDMOS承受高電壓，這種情況下必須使用柵氧化層較厚的LDMOS晶體管，而電路的抗總劑量輻照能力主要由氧化層較厚的高壓LDMOS晶體管所決定。由于總劑量輻照后，閾值電壓漂移量與柵氧化層厚度成平方關系[7-8]，此時柵氧化層較厚的600 V N型LDMOS閾值電壓有可能由正變為負，直接影響電路工作點，造成電路功能異常。因此本文提出一種具有薄柵氧和厚柵氧特征的雙柵LDMOS新結構來解決這一矛盾。在總劑量輻照下，柵氧化層較厚的結構用來承受高壓，而柵氧化層較薄的結構可以抑制總劑量輻照產生的閾值電壓漂移，最后采用理論分析和仿真驗證的方法對雙柵新結構進行研究。

2 雙柵LDMOS結構特征與工作機理

2.1 雙柵結構特征

圖1 為常規600 V N型LDMOS結構剖面圖，圖2為雙柵600 V N型LDMOS結構剖面圖。雙柵結構與常規結構的不同之處在于，雙柵結構在P阱上方N+有源區有一層很薄的柵氧化層，同時與N+注入形成NMOS結構。與原始結構的厚柵氧化層構成一薄一厚的組合，薄柵NMOS作為輻照后控制電流從漏極流向源極的開關，厚柵的LDMOS作為承受耐壓的主要部分。

圖1 600 V常規NLDMOS剖面結構

圖2 600 V雙柵NLDMOS剖面結構

2.2 雙柵結構工作原理

雙柵LDMOS具備薄柵氧和厚柵氧結構特征，其電流由2個柵極共同控制，為了方便運用，可以如圖3所示的分壓關系將厚柵氧的柵極Gate2和薄柵氧的柵極Gate1關聯起來等效于一個柵極[9]，在運用的時候只需要在Gate2上輸入信號即可。在輻照前，合理的分壓會使得薄柵不會承受高電壓，同時也使得厚柵在開啟的時候，薄柵也會正常開啟，不影響整個器件的開關速度以及輸出電流能力。在輻照后，由于TID輻照引起的閾值電壓漂移量為：

圖3 雙柵LDMOS運用示意圖

式中△Vot為閾值電壓漂移量，Not為氧化層中產生的固定電荷面密度，tox為氧化層厚度，q為單位正電荷，εox為氧化層介電系數。厚柵所需的有效開啟電壓Vgs′=Vgs-△Vot就會變小，薄柵的影響不大，在NMOS的漏極和LDMOS的源極VB這點在開通的時候存在電位，這就相當于給厚柵的LDMOS提供襯源偏置，厚柵上需要更大的Vgs才能開啟，因此厚柵的閾值電壓漂移量就不會變得那么敏感。

3 仿真結果及對比分析

3.1 輻照前電學特性對比

為了使得雙柵LDMOS結構的轉移、輸出、開關特性與常規LDMOS相同，同時也為了在Sentaurus仿真，定義如圖4所示的器件-電路方式進行混合仿真，驗證雙柵結構的電學特性與常規結構的一致性。

圖4 雙柵結構器件電路混合仿真示意圖

采用電阻分壓的方式來給雙柵結構的Gate2和Gate1提供偏置，通過調整R1和R2阻值比例來得到Gate1和Gate2上合適的電壓偏置。在仿真時只需要在Gate2上輸入信號即可，固定R1的阻值，改變R2的阻值來進行掃描，其中Vds=0.5 V，Gate2上的電壓與Source上的電壓Vgs=5 V。

圖5 給出了不同偏置電阻比例R2/R1下的轉移特性曲線，當R2/R1>1的時候，隨著厚柵上電壓的增加，薄柵上的電壓較小，造成薄柵還沒開啟的情況，從而導致閾值電壓比常規LDMOS的閾值電壓偏大；當R2/R1≤1時，由于薄柵結構的閾值電壓較厚柵的閾值電壓小，所以薄柵結構會在厚柵之前開啟，所以不會影響厚柵的開啟，若R2/R1太小，薄柵上將承受較高的電壓，所以需要折中考慮。

圖5 常規結構與雙柵結構轉移特性曲線對比

圖6 ~8分別為常規結構與雙柵新結構在不同偏置電阻比例R2/R1=0.5、R2/R1=1、R2/R1=2時的轉移特性曲線對比圖。可以看出隨著電阻R2/R1比值的增大，尤其是在R2/R1=2的時候，在同等柵壓條件下，雙柵結構的飽和電流已經比常規結構下降得太多，這是由于R2較大的情況下，Gate1上的分壓比較小，造成Gate2開啟而Gate1未開啟的情況。而在R2/R1=0.5的情況下，Gate1先開啟，飽和電流較大，為了與后面的總劑量仿真做對比，需要確保雙柵在輻照前的電學特性與常規結構一致。可以看出在R2/R1=1的時候，雙柵結構的輸出特性曲線與常規結構的輸出特性曲線基本吻合。

圖6 R2/R1=0.5時輸出特性對比

圖9 和表1給出了常規結構與雙柵新結構在不同R2/R1比值下的開通時間(Ton)和關斷時間（Toff）的對比。由于仿真在漏上串聯電阻為100 kΩ，所以開通時間比較大。從仿真結果來看，當偏置電阻R2/R1>1的時候，關斷時間會比較大，可以知道偏置情況下對器件的關斷造成很大的影響；而當R2/R1≤1時，雙柵結構的關斷時間、開通時間與常規結構較接近，這也表明了雙柵結構的引入并不會對器件的開關特性造成影響。

表1 常規結構與雙柵結構開關時間表

圖9 雙柵結構開關特性

圖7 R2/R1=1時輸出特性對比

圖8 R2/R1=2時輸出特性對比

為了保證雙柵結構器件與常規結構器件電學特性的一致性，從以上仿真結果可知，選擇R2/R1=1來進行后續總劑量輻照的仿真。

3.2 輻照后轉移特性對比

輻照模型采用Sentaurus中的Trap模型，該模型可以將固定電荷模型施加于Si和SiO2材料界面處，模型如下：

在不同劑量下不同厚度的氧化物里產生的固定電荷量有如下關系[4-5]：

其中g是電子、空穴對產生率，D是劑量率，E是氧化層中的電場，E0=0.1 V/cm,E1=2×105V/cm，fot為空穴俘獲率，tox為氧化層厚度。可以看出固定電荷的密度與氧化層厚度tox成正比，因此需要分別對薄氧化層、厚氧化層以及場氧這3個區域分別定義固定電荷密度大小。

薄氧化層（Thin GOX）的厚度為10 nm，厚氧化層（ThickGOX）的厚度為56nm，場氧（FOX）厚度為480 nm,因此薄柵氧電荷量Q1的變化范圍為0~1×1011cm-2，厚柵氧電荷量Q2變化范圍為0~5.6×1011cm-2，場氧電荷量Q3變化范圍為0~4.8×1012cm-2[7-8]，這些值所對應的TID為100 krad~1 Mrad(Si)（取決于在輻射過程中施加的氧化物制造和偏置），添加的電荷量見表2。

表2 輻照劑量與電荷密度對照表

為了更好地說明雙柵新結構的抗輻照性能，增加了薄柵結構、常規600 V N型LDMOS進行轉移特性曲線的對比。在仿真過程中，漏極偏置電壓均為0.5 V，柵極偏置電壓從-2 V掃至5 V。

圖10 為薄柵NMOS器件在不同劑量下的轉移特性曲線圖，可以看到，薄柵結構在輻照劑量為100 krad~1 Mrad范圍內的關態電流以及開態電流幾乎重合，說明在1 Mrad劑量及以下時，總劑量對薄柵結構的閾值電壓的影響非常小。

圖10 薄柵結構輻照前后轉移特性曲線

圖11 為常規600 V N型LDMOS器件在不同劑量下的轉移特性曲線圖。可以看出，常規600 V N型LDMOS器件的關態電流隨著劑量的增加而迅速增大，且在1 Mrad時，其閾值電壓已經小于零，這說明，常規600 V N型LDMOS器件隨著輻照劑量的增加，器件可能無法關斷，從而導致失效。除此之外，在器件開態的時候，漏電流隨劑量的增加而有所增加，說明TID效應對常規600 V N型LDMOS器件的影響是非常大的。

圖12 為本文所提出的雙柵結構器件在不同劑量下的轉移特性曲線圖。可以看出，雙柵器件在1 Mrad輻射下的關態泄漏電流以及開態泄漏電流較輻射前有所增加，但相比于常規器件來說增加的幅值較小，且在輻照為100 krad~1 Mrad劑量范圍內，雙柵結構的閾值電壓均大于零，說明TID效應對雙柵新結構的影響很小，驗證了雙柵器件可以達到抗TID輻照1 Mrad輻照劑量的加固水平。

圖12 雙柵新結構輻照前后轉移特性曲線

利用Sentaurus TCAD中的Svisual工具，可以對圖10~12中3種器件在不同劑量下的閾值電壓進行提取。表3和圖13為3種器件在不同輻照劑量下的閾值電壓漂移量，表4為3種器件輻照前后閾值電壓漂移百分比。由表3可知，隨著輻射劑量的增加，3種器件結構的閾值電壓變化量均變大。由于薄柵厚度為10 nm，厚柵厚度為56 nm，常規LDMOS器件的閾值電壓漂移量大約為薄柵結構漂移量的31.36倍，由表3和圖13可得知，仿真得到的閾值電壓漂移量符合式（1）所得出的閾值電壓漂移量△Vot∝t2ox這一結論。由表4可知，在劑量為1 Mrad下，常規LDMOS結構的閾值電壓漂移量為105.8%，表明閾值電壓已經小于零，器件屬于常開狀態，這將會對電路造成災難性的失效后果。而本文所提出的雙柵結構器件在該劑量輻照下，閾值電壓漂移量僅為10.2%，說明雙柵結構具有抗TID輻照1 Mrad(Si)的能力。

表3 輻照前后閾值電壓漂移量ΔVth

表4 輻照前后閾值電壓漂移百分比ΔVth/%

圖14 以及圖15給出了常規結構和雙柵結構在總劑量輻照前后的擊穿特性曲線對比，可以看出，在100 krad（Si）劑量下，常規結構和雙柵結構的耐壓有所上升。而在100 krad(Si)劑量以上，2種器件的耐壓均迅速下降。因此雙柵結構并未改變器件在輻照前后的耐壓特性。

圖14 常規結構擊穿特性曲線與劑量的關系

圖15 雙柵結構擊穿特性曲線與劑量的關系

4 結論

本文提出了一種具有抗總劑量輻照閾值電壓漂移的雙柵600 V N型LDMOS新結構。在P阱的N+有源區上方增加一條薄柵氧化層并形成NMOS結構，與原LDMOS的厚柵構成所提出的雙柵結構。通過一薄一厚的組合，結合了薄柵抗閾值電壓漂移以及厚柵承受高耐壓的優點，達到抗總劑量輻照導致的閾值電壓漂移的目的。結果表明，在1 Mrad(Si)輻照劑量下，雙柵結構閾值電壓漂移量僅為10.2%，其關態電流、閾值電壓、耐壓等敏感參數的漂移都很小，具有良好的抗TID輻照能力。