雙溝槽SiC 金屬-氧化物-半導體型場效應管重離子單粒子效應

李洋帆 郭紅霞 張鴻3) 白如雪 張鳳祁 馬武英 鐘向麗 李濟芳 盧小杰

1) (湘潭大學材料科學與工程學院,湘潭 411105)

2) (西北核技術研究所,西安 710024)

3) (工業和信息化部第五研究所,電子元器件可靠性物理及其應用技術國家重點實驗室,廣州 510610)

1 引言

作為第三代半導體材料,SiC 材料具有禁帶寬度大、擊穿電場大、飽和漂移速度快和熱導率高等優異性能,可以用來制備抗輻射、大功率、高頻和高溫器件[1–3].相比于Si 基器件,同等性能下,SiC 基器件可以做到成本更低,尺寸更小以及壽命更長,因此SiC 基器件更能滿足新一代航天器對大功率、高頻等性能方面的要求,有望在空間和航天領域中扮演重要角色[4–6].然而,SiC 金屬-氧化物-半導體型場效應管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor,MOSFET)在空間領域的應用處于驗證階段,由于空間環境中存在大量的高能重離子,SiC MOSFET 經重離子輻照后會發生單粒子泄漏電流(single event leakage current,SELC)、單粒子柵穿(single event gate rupture,SEGR)或單粒子燒毀(single event burnout,SEB)[7],顯著影響器件的工作.

近些年,許多團隊通過實驗和仿真研究了重離子輻照下SiC MOSFET 的退化和燒毀機制.Martinella 等[8,9]通過重離子輻照SiC MOSFET 的實驗發現在低偏置電壓下,被測器件的泄漏電流路徑是從漏極到柵極,涉及柵氧化層的損傷;而在高偏置電壓下,泄漏電流路徑主要是從漏極到源極,這是由于碳化硅晶格的改變.Witulski 等[10]通過不同LET 值的重離子實驗發現器件SEB 閾值電壓會隨入射離子LET 值的增大而顯著降低,當LET ＞ 10 MeV·cm2/mg 時,SiC MOSFET 的SEB閾值電壓幾乎為器件額定最大工作電壓的一半.Ball 等[11]通過仿真模擬重離子入射SiC MOSFET器件,發現離子入射誘導產生高局域態能量脈沖導致器件性能退化或者燒毀;同時該團隊[12]通過實驗對比和仿真模擬發現,更厚的外延層、更低的摻雜濃度可以顯著增大器件SEB 閾值電壓.

目前商用的SiC MOSFET 分為平面柵型和溝槽型兩種結構[13],在相同元胞尺寸下,雙溝槽型碳化硅MOSFET (double-trench MOSFET,DTMOSFET)相比于傳統平面柵型碳化硅MOSFET(vertical double-diffused MOSFET,VDMOSFET),具有更高的溝道遷移率、更低的比導通電阻以及更大的電流密度,優異的性能使得SiC DTMOSFET具有更廣闊的應用前景[14–17].然而,目前大多數研究都是針對SiC VDMOSFET 的單粒子效應,關于SiC DTMOSFET 的單粒子效應研究較少.Zhou 等[18]通過TCAD 模擬了不同LET 值的重離子轟擊SiC DTMOSFET 器件敏感區,研究其單粒子效應機理,該團隊[19]還進行SiC DTMOSFET的2005 MeV Ta 離子重離子實驗,實驗結果表明其SEB 閾值電壓不超過其額定電壓的42%.Cheng等[20]借助TCAD 模擬仿真軟件研究了3 種不同結構的槽柵型SiC MOSFET 的單粒子效應,發現DTMOSFET 結構由于較深的源極深溝槽結構,有助于快速收集離子入射后碰撞產生的載流子,從而SEB 閾值電壓更高.關于SiC DTMOSFET 的單粒子效應研究缺乏更多的實驗驗證,因此對SiC DTMOSFET 的重離子實驗有必要進一步開展和深入全面研究.

本文利用208 MeV Ge 離子對碳化硅雙溝槽MOSFET 開展重離子輻照實驗.在輻照實驗過程中,實時監測了漏極電流和燒毀瞬間脈沖電流.并在輻照實驗后,對器件進行了靜態參數測試和柵特性測試.結合TCAD 工具,模擬了不同偏置電壓下重離子入射器件,發現沿離子入射路徑上的N–外延層和N+襯底交界處溫度超過了碳化硅的熔點,這可能是導致器件發生SEB 的原因.

2 實驗信息

本次實驗選用的是Rohm 公司生產的第四代雙溝槽型碳化硅場效應晶體管SCT4060 KR,其額定電流為26 A,導通電阻為62 mΩ.實驗器件的單元結構如圖1(a)所示,在每個柵極溝槽的兩個側壁上都有溝道,兩側都有一個源極溝槽,延伸到漂移區,更好地保護柵極氧化物.在重離子實驗前對器件進行了去封裝處理,以確保重離子能入射到器件的有源區,并進行靜態參數的測試,以確保器件具有良好的電學性能.

圖1 (a) SiC DTMOSFET 單胞結構圖;(b) 重離子實驗電路原理圖Fig.1.(a) SiC MOSFET cell structure;(b) schematic diagram of heavy ion experiment.

利用中國原子能科學研究院的HI-13 串列加速器進行重離子實驗,選取能量為208 MeV 的Ge 離子,其作用在器件表面的LET 值為37.3 MeV·cm2/mg.圖1(b)為實驗中使用的測試電路示意圖,Keithley 兩臺數字萬用表分別監測和記錄漏極電流和柵極電流,示波器接入阻值為0.01 Ω 的電阻兩端,用于捕獲和存儲器件燒毀瞬間的脈沖電流.為了研究輻照損傷與源漏偏置電壓的關系,在輻照過程中,器件的柵極電壓Vg設置為0 V,以確保器件處于關閉狀態,漏極電壓VDSirr設置為100,200,300,400 和500 V.

在重離子輻照實驗中,如果器件發生燒毀或者器件漏極電流持續增大,注量累積到2×106ion/cm2時,則停止輻照.圖2 為不同偏置電壓下SiC DTMOSFET 的SELC 和SEB.如圖2(a)所示,當VDSirr為100,200,300 V 時,漏極電流隨重離子入射逐漸增大,達到2×106ion/cm2的注量時,電流未達到限制電流,重離子入射到器件后產生的損傷導致漏極電流持續增長;而在VDSirr為400 和500 V,重離子入射到器件后在注量分別達到9×104和3×104ion/cm2時,漏極電流驟增到限制電流,見圖2(b),器件發生單粒子燒毀,器件源漏之間的電阻由數兆歐降到數百歐,從而導致器件電流瞬間上升,通過示波器可以捕獲到這一電流的變化,如圖2(c)所示,VDSirr為400 V 時,示波器捕獲到的燒毀瞬間脈沖電流,脈沖電流寬度為納秒級別,最大脈沖電流為4 A 左右,500 V 同樣出現此現象.換而言之,雙溝槽SiC MOSFET 的SEB 閾值電壓小于其額定電壓的34%.

圖2 輻照過程 (a) 漏極電流監測;(b) 燒毀電流監測;(c) 脈沖電流Fig.2.During irradiation: (a) Leakage current monitoring;(b) burn-out current monitoring;(c) pulse current monitoring.

3 實驗結果與分析

3.1 輻照前后SiC MOSFET 靜態參數測試

器件在輻照實驗中表現出不同程度的退化,這也導致其電學性能受到不同程度的損害.圖3 給出了在輻照過程中的不同初始偏置電壓下,器件在輻照前后的傳輸特性曲線和輸出特性曲線.未燒毀器件以圖3(a),(c)中輻照過程中初始偏置電壓為100 V 為例,器件的閾值電壓在輻照后出現了較小的負向偏移,漂移了0.06 V,然而,Vg=6 V 時的輸出特性曲線顯示漏極電流上升約77.51 mA;其余偏壓下變化見表1,其退化程度與初偏壓呈正相關.燒毀器件以圖3(b),(d)中輻照過程中偏置電壓為400 V 為例,該器件在受到輻射后完全喪失其功能.

表1 輻照前后SiC MOSFET 閾值電壓偏移量和電流變化量Table 1.Threshold voltage offset and current change of SiC MOSFET before and after irradiation.

圖3 輻照前后SiC MOSFET 轉移特征曲線和輸出特征曲線Fig.3.Transfer characteristic curve and output characteristic curve of SiC MOSFET before and after irradiation.

3.2 柵特性測試

進行輻照后柵特性測試.柵壓從0 V 掃描到10 V,源-漏短接,測量柵極電流和漏極電流,用于進一步確定輻照對器件造成損傷.如圖4 所示,輻照過程中初始偏置電壓為100 V 的被輻照器件泄漏電流與輻照前幾乎無變化,說明柵氧層并未受到損傷.輻照過程中偏置電壓大于200 V 后,被輻照的器件柵極泄漏電流的增長速度隨著偏壓的增大而增大,說明其柵氧層的損傷也隨之加深,其泄漏電流退化程度與初始偏壓呈正相關.器件雖然沒有發生SEB,但因為泄漏電流的增大,出于安全考慮也將不能在實際中正常使用.

圖4 輻照后 (a)柵極泄漏電流特性;(b)漏極泄漏電流特性Fig.4.After irradiation: (a) Gate leakage currents characteristics;(b) drain leakage currents characteristics.

3.3 實驗分析

通過雙溝槽型碳化硅MOSFET 重離子輻照前后靜態參數的對比發現,其閾值電壓負漂,泄漏電流增長.N 溝道MOSFET 的閾值電壓Vth數學模型為[21]

其中COX為氧化層特征電容,Not為氧化層陷阱電荷面密度,Nit為界面態陷阱電荷面密度,εs為SiC 的介電常,NA為P 型基區的有效摻雜濃度,?Fp為準費米勢,φMS為金屬-半導體的功函數差,k為玻爾茲曼常數,T為絕對溫度,ni為SiC 的本征載流子濃度.

N 溝道MOSFET 的飽和區的電流數學模型為[21]

其中μn為溝道載流子遷移率,W和L分別為溝道的寬度和長度.

本文中,閾值電壓的負漂主要是由于重離子入射到器件在柵氧化層中產生電子-空穴對,在柵氧化層中電子的遷移率明顯高于空穴,受到電場的作用,電子快速向漏極移動,而空穴緩慢移動,在這個過程中會被柵氧化層的本征缺陷俘獲,導致柵氧化層陷阱電荷面密度Not增大,同時在SiC/SiO2界面附近由重離子入射產生的空穴也可能在電場的作用下隧穿或者躍遷到氧化層被深能級缺陷俘獲形成陷阱電荷,最終閾值電壓Vth降低[22].由于閾值電壓的負向漂移,會導致器件SiC/SiO2界面處的P 型基區更容易形成反型層,在較低的柵壓下器件就能開啟,這解釋了器件輻照后的輸出特征曲線電流會出現了增長現象.同時空穴在SiC/SiO2界面處積累,與源-漏偏壓共同作用,導致柵氧化層中的電場增大,進而導致柵氧化層出現損傷,導致柵應力測試中的柵電流增大,其與源-漏偏壓呈正相關[19].

4 數值仿真

根據圖1(a)掃描電子顯微鏡的分析結果,利用TCAD 仿真工具建立了SiC DTMOSFET 的二維模型,其柵極溝槽的深度和寬度為1 μm 和0.5 μm,源極溝槽深度和寬度為1.8 μm 和0.7 μm.在進行二維結構仿真的過程中,定性分析器件單粒子效應,在模擬中添加了基本模型(包括和摻雜、溫度相關的SRH 復合模型、俄歇復合模型、遷移率模型和不完全電離模型等[23]),此外還添加了重離子入射模型和熱力學模型.其中重離子入射器件產生電子-空穴對的產生率[24]可由公式(4)計算:

其中,R(w,l) 和T(t) 是描述電子-空穴對產生率的時空分布函數,GLET(l) 是與入射粒子LET 有關的LET 產生密度,w和l為入射粒子的軌跡半徑和長度.

本文根據入射路徑上經過不同區域為條件,選擇了5 種不同入射路徑,如圖5 所示，入射點為路徑 A 經過多晶硅柵極中心、氧化層、外延層,最終進入襯底;路徑 B 經過多晶硅柵極邊緣、氧化層、外延層,最終進入襯底;路徑 C 經過N+源區、P–基區、外延層,最終進入襯底;路徑 D 經過N+源區、P–屏蔽層、外延層,最終進入襯底;路徑 E 經過源極溝槽、P+屏蔽層、P–屏蔽層、外延層,最終進入襯底.

圖5 離子入射位置示意圖Fig.5.Diagram of ion strike positions.

4.1 柵氧化層損傷仿真模擬

圖6 為VDSirr=200 V,LET=37.3 MeV·cm2/mg 時,不同位置入射器件柵氧化層電場強度隨時間的演化過程.仿真結果表明,隨著入射位置遠離柵極中央,柵氧化層中的電場強度逐漸變小.由圖7 觀察到,離子從路徑 A、路徑 B 和路徑 C 入射,在柵氧化層拐角處都存在一個較大的電場強度,并且從路徑 B 入射時,其柵氧化層拐角處電場強度最大.這是離子入射到器件中產生電子-空穴對,空穴在柵氧化層的拐角處產生嚴重的堆積效應所導致.較大的電場強度使器件的柵氧化層形成潛在損傷,形成泄漏電流通道,這種損傷機制解釋了輻照后的器件在柵特性測試中柵極泄漏電流增大.

圖6 VDSirr=200 V 時,不同位置入射器件最大柵氧化層電場強度隨時間的演化過程Fig.6.Evolution of maximum oxide electricfield at different strike positions with simulation time at VDSirr=200 V.

圖7 VDSirr=200 V 時,重離子入射器件柵氧化層中電場強度分布圖Fig.7.The distribution of electric field in gate oxide under heavy ion strike at VDSirr=200 V.

4.2 單粒子燒毀仿真模擬

碳化硅平面柵場效應晶體管的單粒子燒毀是由于其內部晶格溫度高于其材料的熔點(3000 K)所導致[25,26].因此在本文中,將仿真模擬中器件內部晶格溫度超過3000 K 時所施加的源漏偏置電壓定義為器件SEB 的閾值電壓.

從圖8 可以看到,離子從路徑 A 入射到器件后不同時刻器件內部的晶格溫度情況,在重離子入射到器件后的N–外延層和N+襯底處產生一個明顯的高溫點,該點的晶格溫度隨著時間增大,在t=1 ns 時,達到最大值.圖9 為沿離子入射路徑的碰撞電離率和電場強度隨深度的變化情況,重離子入射器件后產生電子-空穴對,電子在電場作用下向漏極移動,使得該處電場強度進一步增大,引起顯著的碰撞電離,在N–外延層和N+襯底處碰撞電離率高達3.25×1027cm–3·s–1,電離出更多的電子-空穴對,電子在電場作用下繼續被加速移動,在局域產生大電流密度,使得瞬時關態電流大大增大,由熱功率公式P=UI,局域大電流密度導致其晶格溫度超過SiC 材料的熔點,發生單粒子燒毀事件.

圖8 重離子入射 (a) 1 ps,(b) 10 ps,(c) 100 ps 和(d) 1 ns 后器件內部晶格溫度分布圖Fig.8.The distribution of lattice temperature in device after heavy ion incident of (a) 1 ps,(b) 10 ps,(c) 100 ps,and (d) 1 ns.

圖9 沿離子入射路徑電場強度和碰撞電離率的分布情況Fig.9.Evolutions of impact ionization and electronic indensity along the ion track.

5 結論

本文研究了不同源漏偏置電壓下雙溝槽型碳化硅場效應晶體管的重離子單粒子效應.實驗結果表明,與平面柵結構相比,當輻照過程中偏置電壓較低時,雙溝槽SiC MOSFET 未出現泄漏電流通道,當輻照過程中偏置電壓大于200 V 時,輻照引起的泄漏電流在漏極到柵極和漏極到源極之間分配;結合TCAD 仿真模擬,泄漏電流增大是由于柵氧化層拐角處高電場強度引起的損傷;柵氧化層拐角處是溝槽型結構的敏感區域.當LET 值為37.3 MeV·cm2/mg,雙溝槽型碳化硅場效應晶體管的SEB 閾值電壓在400 V 以下,重離子入射到器件后,在N–外延層和N+襯底處的局域大電場強度和大電流密度導致晶格溫度超過SiC 的熔點,引發單粒子燒毀事件.這為宇航用碳化硅功率器件的輻照效應機理研究和應用提供了一定的參考和支撐.