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(shù)發(fā)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(chǎn)生了正的固定電荷以及Si和SiO2界面態(tài)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(tài)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(chǎn)生的正的固定電荷量主導，其產(chǎn)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(guī)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?yōu)樨?，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(chǎn)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(guī)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(guī)結構的不同之處在于，雙柵結構在P阱上方N+有源區(qū)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(guī)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(lián)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(chǎn)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(shù)。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(guī)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(guī)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(guī)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(guī)結構與雙柵結構轉移特性曲線對比

圖6 ~8分別為常規(guī)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?？梢钥闯鲭S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(jīng)比常規(guī)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(guī)結構一致?？梢钥闯鲈赗2/R1=1的時候，雙柵結構的輸出特性曲線與常規(guī)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(guī)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(lián)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(guī)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(guī)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(guī)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(xù)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(chǎn)生的固定電荷量有如下關系[4-5]：

其中g是電子、空穴對產(chǎn)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?？梢钥闯龉潭姾傻拿芏扰c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(qū)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(guī)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(tài)電流以及開態(tài)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(guī)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(guī)600 V N型LDMOS器件的關態(tài)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(jīng)小于零，這說明，常規(guī)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(tài)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(guī)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?？梢钥闯觯p柵器件在1 Mrad輻射下的關態(tài)泄漏電流以及開態(tài)泄漏電流較輻射前有所增加，但相比于常規(guī)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(guī)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(guī)LDMOS結構的閾值電壓漂移量為105.8%，表明閾值電壓已經(jīng)小于零，器件屬于常開狀態(tài)，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(guī)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(guī)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(guī)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(qū)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(yōu)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(tài)電流、閾值電壓、耐壓等敏感參數(shù)的漂移都很小，具有良好的抗TID輻照能力。