MOS 電容器單粒子介質(zhì)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(shù)研究院； 2. 國防科技工業(yè)抗輻照應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)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(shù)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(yīng)用方面具有超強的優(yōu)勢，是極具潛力的空間用器件。空間應(yīng)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(nèi)外試驗驗證了GaN 器件抗電離總劑量效應(yīng)和位移損傷能力較強[3-4]，但GaN 高壓功率器件會發(fā)生單粒子燒毀失效[5]。因此，對于空間用GaN 高壓功率器件，應(yīng)特別關(guān)注單粒子效應(yīng)，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(gòu)成。傳統(tǒng)觀點認為，無源器件電容器、電感器屬于輻射效應(yīng)不敏感的；但研究表明MOS 電容器對單粒子介質(zhì)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(huán)境應(yīng)用要求，使用前應(yīng)對其進行單粒子效應(yīng)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(jié)構(gòu)的混合電路的空間應(yīng)用及加固設(shè)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(lián)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(nèi)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(huán)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(yīng)檢測

離子束輻照過程中，被試樣品施加靜態(tài)電偏置：Vgs=-8 V，按產(chǎn)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(jiān)測漏極和柵極的電流，如果監(jiān)測電流突然跳變，則關(guān)閉束流，對被試樣品進行全參數(shù)和功能檢測。

2 試驗結(jié)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(jiān)測到漏極電流跳變。

關(guān)閉離子束流，對被試樣品進行測試，發(fā)現(xiàn)它們均已失效。

用顯微鏡對功率放大器內(nèi)部各元器件進行檢查，發(fā)現(xiàn)串聯(lián)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(fā)現(xiàn)串聯(lián)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(nèi)部各元器件分別進行電測試，結(jié)果顯示：1）串聯(lián)在GaN HEMT 漏極的MOS 電容器呈現(xiàn)短路狀態(tài)，發(fā)生了短路擊穿失效；2）GaN HEMT 芯片的電參數(shù)與輻照前數(shù)據(jù)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(fā)現(xiàn)異常。

測試結(jié)果表明，重離子輻照引起串聯(lián)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(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)其主要成分為Si。綜上可以判斷，MOS 電容器介質(zhì)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(chǎn)的，如圖4 所示：介質(zhì)層上有Ti（厚度為100 nm）和W（厚度為300 nm）構(gòu)成的金屬阻擋層，表面電鍍Au 層（厚度為3 μm）；介質(zhì)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(jié)構(gòu)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(zhì)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(zhì)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(chǎn)生的電壓超過擊穿電壓，引起介質(zhì)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(chǎn)生的電壓超過擊穿電壓，引起介質(zhì)擊穿失效；

3）高能離子穿過MOS 電容器過程中，在介質(zhì)中引入損傷，導致單粒子介質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(chǎn)生的電子-空穴分離出來的電子數(shù)量相對于多子（電子）的數(shù)量可以忽略。

3）排除前兩者后，分析認為MOS 電容器發(fā)生了單粒子介質(zhì)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(xiàn)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(zhì)層時，會通過電離產(chǎn)生電子-空穴對；在電場的作用下，電子向金屬-介質(zhì)界面運動，而空穴向介質(zhì)-Si界面運動；電子-空穴在高壓下加速運動，在介質(zhì)內(nèi)形成等離子體通道及大電流，造成等離子管道區(qū)域溫度上升到1300 ℃以上，達到介質(zhì)熔點，從而造成介質(zhì)層出現(xiàn)燒毀。

單粒子介質(zhì)擊穿不僅與入射離子的LET 值有關(guān)，還與介質(zhì)材料中的電場強度有關(guān)。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(xiàn)介質(zhì)擊穿失效。試驗觀察的失效現(xiàn)象支持電容器是單粒子介質(zhì)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(zhì)層厚度的函數(shù)，即

式中：|Eint|是介質(zhì)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(jīng)驗參數(shù)；變量 χ（單位MeV）由給出，其中：Z是入射離子的相對原子質(zhì)量；ρ是介質(zhì)材料密度。

SiO2-Si3N4介質(zhì)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(jié)果是吻合的。因此，判定MOS 電容器發(fā)生了單粒子介質(zhì)擊穿。

4 MOS 電容器單粒子介質(zhì)擊穿失效的驗證

為了驗證MOS 電容器為單粒子介質(zhì)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(zhì)擊穿電壓，同時，進行單粒子介質(zhì)擊穿電壓的理論計算。對試驗獲得的結(jié)果和理論計算結(jié)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(jié)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(fā)生短路失效，56 V 電壓下電容器未發(fā)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(guān)；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(guān)。

表 1 MOS 電容器重離子試驗結(jié)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(zhì)擊穿的臨界擊穿電壓，結(jié)果見表2。同時與離子輻照試驗結(jié)果進行對比發(fā)現(xiàn)二者基本吻合。因此，得出MOS 電容器失效是單粒子介質(zhì)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(jié)果Table 2 Critical breakdown voltage of MOS capacitors obtained by calculation and heavy ion test

5 結(jié)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(fā)生了失效。通過對失效器件的分析，可以得出如下結(jié)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(zhì)擊穿，理論計算和試驗結(jié)果驗證了這一點。MOS 電容器單粒子介質(zhì)擊穿電壓的大小與介質(zhì)層厚度和介質(zhì)的擊穿電場有關(guān)。

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(zhì)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。