典型VDMOSFET單粒子效應(yīng)及電離總劑量效應(yīng)研究

樓建設(shè) 蔡 楠 王 佳 劉偉鑫 吾勤之

1 (上海航天技術(shù)研究院第八○八研究所 上海 201109)

2 (上海航天技術(shù)研究院 上海 201109)

VDMOSFET是垂直導(dǎo)電的雙擴(kuò)散功率器件(Vertical Double-diffusion MOSFET)，具有高輸入阻抗、高開(kāi)關(guān)速度、低導(dǎo)通電阻等優(yōu)點(diǎn)，是衛(wèi)星電源系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。研究表明[1–3]，空間環(huán)境中的重離子、質(zhì)子等會(huì)對(duì)VDMOSFET造成單粒子損傷，1994年升空的美國(guó)APEX衛(wèi)星搭載的VDMOSFET單粒子效應(yīng)測(cè)試儀，12個(gè)月監(jiān)測(cè)到208次單粒子燒毀(SEB, single event burnout)現(xiàn)象。VDMOSFET屬于MOS結(jié)構(gòu)器件，除單粒子效應(yīng)外，空間應(yīng)用時(shí)對(duì)電離總劑量效應(yīng)也較敏感，會(huì)使閾值電壓、漏電流等關(guān)鍵參數(shù)發(fā)生變化[4–6]。

隨著我國(guó)空間技術(shù)的快速發(fā)展，高軌長(zhǎng)壽命GEO衛(wèi)星將大量采用100 V高壓母線的太陽(yáng)能電池陣列。作為衛(wèi)星上常用的二次電源功率開(kāi)關(guān)器件，VDMOSFET越來(lái)越多地應(yīng)用于衛(wèi)星電源系統(tǒng)上。而空間輻射效應(yīng)引起的VDMOSFET性能下降可能導(dǎo)致衛(wèi)星電源系統(tǒng)失效[7]，因此，需針對(duì)VDMOSFET開(kāi)展單粒子效應(yīng)和電離總劑量效應(yīng)規(guī)律研究，探討輻射效應(yīng)模擬試驗(yàn)方法，剔除低抗輻射能力產(chǎn)品，為衛(wèi)星的在軌可靠運(yùn)行提供保證。

本文用252Cf源和60Co γ射線源對(duì)典型的VDMOSFET進(jìn)行了單粒子效應(yīng)及電離總劑量效應(yīng)模擬試驗(yàn)，分析VDMOSFET的單粒子效應(yīng)和電離總劑量效應(yīng)規(guī)律，這些試驗(yàn)結(jié)果可以為建立VDMOSFET的空間輻射效應(yīng)模擬試驗(yàn)方法提供數(shù)據(jù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 單粒子效應(yīng)模擬實(shí)驗(yàn)

1.1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

國(guó)產(chǎn)VDMOSFET樣品為用抗輻射加固工藝研制的條形柵：ME062與ME081，縱向結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1[8]；美國(guó)IR公司生產(chǎn)的抗輻射VDMOSFET：2N6798、2N7219、2N7261。所有樣品的溝道類型均為N溝，參數(shù)特性列于表1。

圖1 國(guó)產(chǎn)條形柵VDMOSFET的縱向結(jié)構(gòu)圖[8]Fig.1 Vertical structure of the Chinese-made bar gate VDMOSFET[8].

1.1.2 實(shí)驗(yàn)條件及程序

輻射源為中國(guó)航天科技集團(tuán)公司第510研究所的252Cf源，其裂變碎片中95%的LET值為41–44 MeVmg?1·cm?2。

表1 單粒子效應(yīng)模擬實(shí)驗(yàn)樣品的主要參數(shù)特性Table 1 Parameters of the VDMOSFET devices for single event effect test.

單粒子燒毀效應(yīng)測(cè)量方法：試驗(yàn)器件置于真空室內(nèi)，在柵源電壓小于閾值電壓條件下進(jìn)行輻照試驗(yàn)(即器件不導(dǎo)通)，試驗(yàn)過(guò)程中逐漸增大漏源電壓VDS，監(jiān)測(cè)漏極電流IDS，記錄發(fā)生單粒子燒毀現(xiàn)象時(shí)的漏源電壓臨界值VDS。

單粒子?xùn)糯┬?yīng)(single event gate rupture, SEGR)測(cè)量方法：(1) 試驗(yàn)器件置于真空室內(nèi)，首先在柵極電壓為0 V條件下進(jìn)行輻照，逐漸增大漏源電壓VDS，監(jiān)測(cè)柵極泄漏電流IGS，若發(fā)生單粒子?xùn)糯┈F(xiàn)象，記錄漏源電壓；(2) 更換器件，調(diào)整柵極電壓至下一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，重復(fù)以上步驟，獲得不同柵極電壓下器件發(fā)生單粒子?xùn)糯┬?yīng)的漏源電壓。

1.2 電離總劑量效應(yīng)模擬實(shí)驗(yàn)

VDMOSFET電離總劑量效應(yīng)模擬實(shí)驗(yàn)的樣品為ME081、ME062。輻射源為中國(guó)科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所的60Co γ源，輻照劑量率1.0 Gy(Si)/s。輻照偏置條件，ME081：(1) VGS=12 V、VDS=0 V，(2) VGS=0 V、VDS=80 V；ME062：(1) VGS=12 V、VDS=0 V；(2) VGS=0 V、VDS=160 V。測(cè)量參數(shù)為漏源擊穿電壓BVDSS等，參數(shù)測(cè)量方式為移位測(cè)量，輻照劑量累積至一定值時(shí)取下試樣，用HP4142B半導(dǎo)體參數(shù)測(cè)試儀測(cè)量電參數(shù)，每次測(cè)量在20 min內(nèi)完成。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 單粒子效應(yīng)模擬實(shí)驗(yàn)[9,10]

252Cf源輻照下，ME062和 2N7219、2N6798發(fā)生SEB時(shí)漏源電壓的臨界值分別為165、177、170 V，表明ME062抗SEB能力與進(jìn)口器件基本相當(dāng)，三器件的漏源擊穿電壓額定值均為200 V。

圖2為2N6798和ME062芯片表面SEB部位的顯微圖像，芯片表面有明顯的小范圍燒焦區(qū)域，表明發(fā)生單粒子燒毀時(shí)，器件的漏源之間產(chǎn)生能量很大的電流脈沖，導(dǎo)致器件燒毀。

圖2 2N7268 和ME062 芯片表面單粒子燒毀部位顯微圖像Fig.2 Microscopic images of the burnt parts on chip surface of 2N7268 and ME062.

圖3給出0、–5、–10 V柵極電壓下ME081和2N7261的SEGR效應(yīng)的測(cè)量結(jié)果(器件的安全工作區(qū))，相同柵極電壓下，ME081發(fā)生單粒子?xùn)糯┬?yīng)時(shí)的漏源電壓VDS大于2N7261的漏源電壓，表明ME081的抗SEGR效應(yīng)能力強(qiáng)于2N7261。

VDMOSFET的SEB與其內(nèi)部寄生的雙極晶體管(BJT)工作狀態(tài)密切相關(guān)。圖4(a)為VDMOSFET內(nèi)部寄生BJT的結(jié)構(gòu)示意圖，VDMOSFET的n+源區(qū)、溝道p區(qū)、n型外延層分別對(duì)應(yīng)寄生BJT的發(fā)射極、基極和集電極。

VDMOSFET正常工作時(shí)，寄生BJT關(guān)閉(源區(qū)、溝道p區(qū)共用金屬化電極，基極－發(fā)射極短路)。重離子入射VDMOSFET時(shí)，沿著入射徑跡產(chǎn)生大量電子空穴對(duì)，形成等離子體絲流。在漂移和擴(kuò)散效應(yīng)作用下，等離子體絲流形成的瞬發(fā)電流在 pp+體硅片電阻上產(chǎn)生橫向壓降。橫向壓降達(dá)到0.7 V時(shí)，寄生BJT發(fā)射極導(dǎo)通，大量電子從n+源區(qū)注入溝道p區(qū)，寄生BJT開(kāi)啟。若此時(shí)VDMOSFET漏源電壓達(dá)到寄生BJT的擊穿電壓，寄生BJT的集電極將發(fā)生雪崩效應(yīng)，形成正反饋，導(dǎo)致VDMOSFET漏源之間短路，最終造成n外延層與n+漏極襯底界面燒毀。

圖4(b)是VDMOSFET SEGR效應(yīng)示意圖?？臻g環(huán)境中的高能粒子穿透柵極射入 VDMOSFET時(shí)，沿入射徑跡產(chǎn)生大量電子空穴對(duì)。對(duì)于N溝器件，漏極為高電位，源區(qū)為低電位，在電場(chǎng)作用下，電子最終被漏極收集，空穴則漂移至柵極Si—SiO2界面處的局部區(qū)域產(chǎn)生積累，使柵介質(zhì)SiO2的電場(chǎng)瞬間增大，當(dāng)該電場(chǎng)超過(guò)SiO2的臨界擊穿電場(chǎng)時(shí)，SiO2發(fā)生擊穿損傷，造成器件失效。

圖3 ME081和2N7261單粒子?xùn)糯┬?yīng)測(cè)量結(jié)果Fig.3 SEGR results of ME081 and 2N7261.

圖4 VDMOSFET內(nèi)部寄生BJT結(jié)構(gòu)及SEB (a)和SEGR(b)效應(yīng)的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematics of the parasitic BJT structure in VDMOSFET and its SEB (a) and SEGR (b) effects.

2.2 電離總劑量效應(yīng)模擬實(shí)驗(yàn)

圖5為不同輻照偏置條件下國(guó)產(chǎn) ME081、ME062的漏源擊穿電壓BVDSS(I-V特性曲線轉(zhuǎn)折處對(duì)應(yīng)的橫軸電壓)隨輻照劑量的變化情況，由圖可見(jiàn)：(1) 漏-源之間的電壓達(dá)到擊穿電壓后，器件漏源間的泄漏電流IDS陡增；(2) 隨著輻照劑量增加，兩種輻照偏置條件下試驗(yàn)器件的漏源擊穿電壓BVDSS均逐漸減小，證明BVDSS對(duì)電離總劑量效應(yīng)比較敏感；(3) 兩種偏置條件下，ME081漏源擊穿電壓BVDSS的變化量均在10 V左右；(4) 對(duì)于ME062，偏置條件(VGS=0 V、VDS=160 V)下漏源擊穿電壓BVDSS的變化量明顯大于偏置(VGS=12 V、VDS=0 V)下BVDSS的變化量。

大量研究結(jié)果表明[5,11,12]，閾值電壓和漏電流是VDMOSFET的電離總劑量效應(yīng)敏感參數(shù)，柵-源之間施加正向偏壓是最劣輻照偏置。因此，進(jìn)行VDMOSFET電離總劑量效應(yīng)模擬試驗(yàn)時(shí)，通常重點(diǎn)考慮柵極正偏條件下上述兩個(gè)參數(shù)的變化情況。

根據(jù)空間電荷模型[13–16]，60Co γ射線在VDMOSFET表面SiO2層內(nèi)產(chǎn)生大量電子-空穴對(duì)。電子遷移率較高(T=300 K時(shí)，SiO2層中電子遷移率～2×103m2·V–1·s–1)，短時(shí)間內(nèi)即脫離SiO2層；空穴則緩慢地向Si-SiO2界面輸運(yùn)(T=300 K時(shí)，SiO2層中空穴遷移率～2×10–9m2·V–1·s–1)。輸運(yùn)過(guò)程中大部分空穴被 SiO2層中的陷阱俘獲形成氧化物陷阱電荷。這些正電性的氧化物陷阱電荷積累將會(huì)引起VDMOSFET的閾值電壓發(fā)生負(fù)向漂移，導(dǎo)致器件漏電流增大。

本試驗(yàn)結(jié)果表明，VDMOSFET的漏源擊穿電壓BVDSS對(duì)電離總劑量效應(yīng)也較敏感。主要原因在于此類VDMOSFET屬于具有場(chǎng)限環(huán)結(jié)構(gòu)的高壓功率器件，輻照感生氧化物陷阱電荷會(huì)對(duì)此類結(jié)構(gòu)VDMOSFET的耐壓性能產(chǎn)生影響。

圖5 不同輻照偏置條件下ME081與ME062漏源擊穿電壓BVDSS隨輻照劑量情況Fig.5 BVDSS irradiated to different doses under different bias of ME081 and ME062.

場(chǎng)限環(huán)指VDMOSFET制作過(guò)程中，通過(guò)擴(kuò)散形成pn結(jié)的同時(shí)，在pn結(jié)周圍通過(guò)同樣的擴(kuò)散形成一個(gè)環(huán)，以降低pn結(jié)表面由于曲率效應(yīng)引起的高電場(chǎng)，從而提高pn結(jié)的擊穿電壓[17]。

圖6給出了典型的具有場(chǎng)限環(huán)結(jié)構(gòu)的VDMOSFET結(jié)構(gòu)圖，其中Main結(jié)為其的主pn結(jié)，Ring結(jié)為場(chǎng)限環(huán)pn結(jié)。當(dāng)表面SiO2層內(nèi)未產(chǎn)生氧化物陷阱電荷積累時(shí)，場(chǎng)限環(huán)pn結(jié)附近Q點(diǎn)的電場(chǎng)為零。60Co γ射線照射時(shí)，在SiO2層內(nèi)產(chǎn)生大量氧化物陷阱電荷，正電性的氧化物陷阱電荷將在主pn結(jié)和場(chǎng)限環(huán)pn結(jié)上產(chǎn)生感應(yīng)電荷。根據(jù)場(chǎng)限環(huán)理論，這些感應(yīng)電荷在Q點(diǎn)產(chǎn)生的綜合電場(chǎng)也為零。因此，在場(chǎng)限環(huán)pn結(jié)附近應(yīng)存在感生正電荷，這些正電荷等效于P點(diǎn)的電荷；根據(jù)電荷守恒原則，在主pn結(jié)附近應(yīng)存在感應(yīng)負(fù)電荷，等效于在S點(diǎn)產(chǎn)生。這些感應(yīng)電荷使P點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度增加，引起主pn結(jié)和場(chǎng)限環(huán)pn結(jié)間的電荷增加，最終導(dǎo)致主pn結(jié)的擊穿電壓(即為 VDMOSFET的漏源擊穿電壓BVDSS)隨著輻照劑量的增加而逐漸下降[17]。

圖6 典型的具有場(chǎng)限環(huán)結(jié)構(gòu)的VDMOSFET pn結(jié)示意圖Fig.6 Schematics of VDMOSFET pn junction with field limit ring structure.

3 結(jié)語(yǔ)

目前，衛(wèi)星用電子器件的空間輻照可靠性評(píng)估主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)室條件下的模擬試驗(yàn)進(jìn)行。不同的模擬試驗(yàn)方法及評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)會(huì)產(chǎn)生差異性較大的評(píng)估結(jié)果，若將抗輻射能力較低的器件用于衛(wèi)星上，對(duì)衛(wèi)星的可靠性會(huì)造成嚴(yán)重威脅。因此，準(zhǔn)確模擬候選電子器件在空間輻射環(huán)境中的損傷行為，合理評(píng)估抗輻射能力，是保障衛(wèi)星在軌可靠運(yùn)行的重要途徑。

本文通過(guò)測(cè)量252Cf源和60Co γ射線源輻照下典型 VDMOSFET漏源擊穿電壓等參數(shù)的變化情況，對(duì)VDMOSFET的單粒子效應(yīng)和電離總劑量效應(yīng)規(guī)律進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，VDMOSFET對(duì)單粒子燒毀和單粒子?xùn)糯┬?yīng)較為敏感，空間應(yīng)用時(shí)需重點(diǎn)考慮其抗單粒子燒毀和抗單粒子?xùn)糯┠芰Γ慌c閾值電壓一樣，漏源之間施加偏置下的擊穿電壓對(duì)電離總劑量效應(yīng)也較為敏感，考核 VDMOSFET的抗電離總劑量效應(yīng)能力時(shí)對(duì)閾值電壓和擊穿電壓等敏感參數(shù)均應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

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