SOI高壓LDMOS單粒子燒毀效應(yīng)機(jī)理及脈沖激光模擬研究*

師銳鑫，周 鋅,2，喬 明,2，王 卓，李燕妃

（1.電子科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，成都611731；2.電子科學(xué)大學(xué)廣東電子信息工程研究院，廣東東莞523000；3.中科芯集成電路有限公司，江蘇無錫214072）

1 引言

隨著電子設(shè)備在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛，空間輻射環(huán)境中的高能質(zhì)子、中子、α粒子和重離子等都能導(dǎo)致航天器電子系統(tǒng)中的功率半導(dǎo)體器件發(fā)生單粒子效應(yīng)，嚴(yán)重影響航天設(shè)備的可靠性和壽命。自從1975年BINDER等人在衛(wèi)星數(shù)字電路中發(fā)現(xiàn)單粒子效應(yīng)之后，針對航天用的電子設(shè)備的抗輻射加固設(shè)計(jì)從未停止，國際半導(dǎo)體IR公司推出的抗輻射產(chǎn)品，第六代（HiRel）功率器件MOS管采用獨(dú)有的CoolMOS技術(shù)，抗電離總劑量（Total Ionizing Dose，TID）能力達(dá)100 krad(Si)，采用氙離子時(shí)，線性能量傳輸（Linear Energy Transfer，LET）值ELET為55 MeV·cm2/mg，而鋁離子作為加速粒子時(shí)ELET可達(dá)84 MeV·cm2/mg。國內(nèi)李燕妃等人通過研究開發(fā)抗輻射工藝平臺時(shí)發(fā)現(xiàn)，LDMOS器件在增加P型埋層結(jié)構(gòu)后，其抗單粒子能力達(dá)到100 MeV·cm2/mg。

功率半導(dǎo)體器件的特點(diǎn)是內(nèi)部電場強(qiáng)度大和工作電壓高，使其更容易發(fā)生單粒子燒毀（Single Event Burnout，SEB）效應(yīng)。脈沖激光[1]和重離子都可以引起器件內(nèi)部產(chǎn)生大量的電子空穴對，而導(dǎo)致高壓SOI LDMOS（Silicon-On-Insulator Lateral Double Diffusion Metal Oxide Semiconductor）內(nèi)部寄生三極管開啟后，器件無法正常工作而失效[2-8]。20世紀(jì)80年代，由于單粒子輻射實(shí)驗(yàn)復(fù)雜且昂貴，而脈沖激光模擬實(shí)驗(yàn)具有高效率、可控性強(qiáng)和便捷等優(yōu)點(diǎn)，而被廣大學(xué)者所采用。相較于VDMOS而言，SOI高壓LDMOS器件的單粒子燒毀效應(yīng)研究相對較少，因此本文通過TCAD仿真確定SOI高壓LDMOS器件的單粒子失效敏感點(diǎn)并分析了失效機(jī)理，最后通過脈沖激光模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真結(jié)果[9-11]。

2 SOI高壓LDMOS器件結(jié)構(gòu)

圖1 為研制的SOI高壓LDMOS器件結(jié)構(gòu)剖面示意圖。器件結(jié)構(gòu)總長20 μm，頂層硅厚度為1.5 μm，埋氧層厚度為1.2 μm，場氧化層厚度0.5 μm。P阱和N阱的摻雜濃度分別為1×1017cm-3和6.7×1016cm-3，離子注入后推結(jié)形成雙阱結(jié)構(gòu)，漂移區(qū)通過離子注入的方式形成，摻雜濃度為5×1015cm-3，承擔(dān)器件的擊穿電壓，器件結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。由于金屬層較厚，脈沖激光無法穿透金屬，器件設(shè)計(jì)時(shí)源極場板僅覆蓋部分漂移區(qū)。通過調(diào)節(jié)源極場板長度，確保表面電場分布優(yōu)化，器件擊穿電壓達(dá)到180 V。

圖1 SOI高壓LDMOS器件結(jié)構(gòu)示意圖

表1 SOI高壓LDMOS器件參數(shù)

3 單粒子燒毀效應(yīng)機(jī)理

利用Synopsy公司的TCAD軟件進(jìn)行SEB機(jī)理仿真研究，電學(xué)特性仿真使用復(fù)合模型和遷移率模型。復(fù)合模型包括肖克萊復(fù)合、碰撞離化模型以及重離子輻射模型（Heavy Ion Model）,參數(shù)如表2所示。重離子入射角度為90°（垂直于界面），入射深度為1.5 μm，入射寬度為0.03 μm，入射離子時(shí)間為50 ps，ELET為0.75 pc/μm。遷移率模型考慮了遷移率與摻雜濃度、電場的關(guān)系。

表2 重離子輻射模型相關(guān)參數(shù)

圖2 為重離子入射后漏極電流隨時(shí)間變化的典型圖。當(dāng)器件受到重離子轟擊后，硅材料會吸收高能離子的能量，使得電子從價(jià)帶躍遷至導(dǎo)帶中，在重離子的入射軌跡附近產(chǎn)生大量的電子空穴對。電子空穴對通過擴(kuò)散運(yùn)動和漂移運(yùn)動的方式消散，漂移運(yùn)動為主要方式。在電場的作用下，電子被漏極抽走，空穴向源極運(yùn)動，從而形成瞬態(tài)光電流。若器件未發(fā)生SEB，則瞬態(tài)電流恢復(fù)至初始狀態(tài)；反之，器件瞬態(tài)電流將增大，使得器件長時(shí)間工作在大電流狀態(tài)，導(dǎo)致器件失效。

圖2 重離子入射后漏極電流隨時(shí)間變化典型圖

圖3 為不同入射位置的瞬態(tài)光電流峰值和器件漏極電壓為60 V時(shí)的表面電場分布圖。仿真中，偏置條件為漏極電壓VDrain接60 V、源極電壓Vsource、柵極電壓Vgate和襯底電位Vsub接0 V，分別對SOI高壓LDMOS器件的不同位置處進(jìn)行重離子轟擊。根據(jù)理論分析可知，由重離子作用而產(chǎn)生的電子空穴對主要和ELET有關(guān)，但電子空穴對在電場作用下擴(kuò)散和漂移時(shí)，會碰撞電離二次產(chǎn)生額外的電子空穴對，因此導(dǎo)致器件不同部位的瞬態(tài)光電流大小不同。從圖3可以看出，離子入射處電場越強(qiáng)，產(chǎn)生的光電流峰值越大。在X=7 μm處，電場值為1.5×105V/cm，離子入射后產(chǎn)生的光電流達(dá)到0.26 mA。因此，研制的SOI高壓LDMOS器件的敏感點(diǎn)位于X=7 μm處。

圖3 不同入射位置的瞬態(tài)光電流峰值和VDrain=60 V時(shí)表面電場分布

圖4 為不同漏極偏置下的光電流變化（入射位置為X=7 μm）圖。從圖4可以看出，隨著器件漏極的偏置電壓增加，瞬態(tài)光電流也隨之增加。當(dāng)VDrain=85 V時(shí)，瞬時(shí)光電流峰值達(dá)到7.96 mA，且無法恢復(fù)至初始狀態(tài)，此時(shí)器件發(fā)生SEB效應(yīng)。器件失效的主要原因是空穴在往P型體區(qū)漂移的過程中，導(dǎo)致寄生NPN三極管基區(qū)壓降大于0.7 V，從而使Pwell/N+結(jié)處于正偏狀態(tài)。此時(shí)Pwell/N-Drift結(jié)處于反偏，寄生三極管NPN處于放大狀態(tài)，電流急劇增加，因此器件發(fā)生燒毀而失效。

圖4 不同工作電壓對瞬態(tài)光電流的影響

圖5 和6分別對比80 V和85 V電壓下器件電子電流分布隨時(shí)間的變化圖和器件碰撞電離率隨時(shí)間的變化圖，選取了3個(gè)時(shí)間點(diǎn)：1 ps（入射前）、50 ps（入射時(shí)）和1 μs（入射后）。如圖5（a）、（d）和6（a）、（d）所示，器件未受到重離子轟擊，同時(shí)器件未發(fā)生擊穿，因此電子電流和碰撞電離率處于較低量級；如圖5（b）、（e）和6（b）、（e）所示，器件受到重離子轟擊，硅材料吸收能量后，在入射位置周圍產(chǎn)生了大量的電子空穴對，在外加電場的作用下形成電子電流，同時(shí)大量電子空穴對擴(kuò)散或漂移的過程中提高了入射位置周圍的碰撞電離率；如圖5（c）、（f）和6（c）、（f）所示，器件受到重離子轟擊后，VDrain=80 V時(shí)器件額外產(chǎn)生的電子空穴對消散，器件電子電流恢復(fù)至初始狀態(tài)，未發(fā)生SEB效應(yīng)，但當(dāng)VDrain=85 V時(shí)，由于寄生三極管NPN開啟的作用，器件的電子電流并沒有恢復(fù)至初始狀態(tài)，且器件內(nèi)部較大的碰撞電離率維持著寄生管的開啟。

圖5 80 V和85 V電壓下器件電子電流分布隨時(shí)間變化

圖6 80 V和85 V電壓下器件碰撞電離率隨時(shí)間變化

4 脈沖激光模擬試驗(yàn)

重離子的ELET是對硅材料電離出電子空穴對能力的描述，但是脈沖激光對硅材料的影響是用能量大小來描述的，因此需要建立ELET和能量之間的關(guān)系。通過激光的強(qiáng)度I隨著入射深度x的衰減關(guān)系滿足Beer定律，同時(shí)根據(jù)ELET=(dE/dx)/ρ，得式（1）：

其中，ΔE為敏感體積中吸收的激光能量，Eion為重離子使材料電離的能量，ρ為材料密度，Ephoto為脈沖激光使材料電離的能量，A=1.6×10-13，h為敏感體積厚度，Re為反射率[12]。

圖7 （a）為脈沖激光模擬試驗(yàn)的測試電路圖。通過示波器檢測SOI高壓LDMOS器件VDS的變化，當(dāng)有瞬態(tài)電流產(chǎn)生經(jīng)過采樣電阻（R=1 kΩ）后，由于電阻的分壓導(dǎo)致VDS下降，示波器采取電壓下降沿的方式捕捉瞬態(tài)電流的變化。根據(jù)式（1）計(jì)算，1.2 nJ的能量換算成ELET為1 pc/μm，試驗(yàn)結(jié)果如圖7（b）所示，激光的圓心在X=7 μm處，位于源極場板的邊緣，試驗(yàn)結(jié)果表明，VDrain=80 V、激光能量為2 nJ時(shí)，器件瞬態(tài)光電流可以恢復(fù)至初始狀態(tài)。

圖7 脈沖激光模擬試驗(yàn)

5 結(jié)論

本文通過TCAD仿真軟件對SOI高壓LDMOS器件進(jìn)行SEB效應(yīng)機(jī)理及脈沖激光模擬試驗(yàn)的研究。仿真結(jié)果表明，瞬態(tài)光電流大小與器件表面電場分布有關(guān)，因此器件單粒子敏感點(diǎn)位于表面電場峰值處，當(dāng)漏極電壓VDrain=80 V時(shí)，器件不發(fā)生SEB效應(yīng)，但是隨著漏極電壓繼續(xù)增加，器件瞬態(tài)光電流逐漸增大至不恢復(fù)狀態(tài)，通過對器件內(nèi)部電勢及碰撞電離率的分析可知，高電場下產(chǎn)生額外的電子空穴對維持寄生NPN三極管開啟，器件長時(shí)間工作在高壓大電流狀態(tài)下而發(fā)生SEB效應(yīng)。采用脈沖激光對器件敏感點(diǎn)進(jìn)行輻射試驗(yàn)，偏置條件為VDrain=80 V，脈沖激光能量為2 nJ時(shí)，器件瞬態(tài)電流先增加后降低至初始狀態(tài)，未發(fā)生SEB效應(yīng)，與仿真結(jié)果一致。