一種SOI LDMOS器件輻射效應(yīng)仿真研究*

余洋，喬明

(電子科技大學(xué),成都 610054)

1 引言

半導(dǎo)體器件在惡劣的輻射環(huán)境下工作時(shí)必須具有一定的抗輻射能力。在生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)之前，對(duì)半導(dǎo)體器件進(jìn)行輻射效應(yīng)仿真驗(yàn)證，有利于縮短設(shè)計(jì)周期，節(jié)約工藝成本。Sentaurus是Synopsys公司推出的新一代TCAD(Technology Computer Aided Design,半導(dǎo)體工藝模擬及器件模擬工具)軟件，其功能強(qiáng)大，模型眾多。然而Sentaurus提供的輻射仿真模型僅有γ粒子輻射模型 (Gamma Radiation Model)、α粒子輻射模型(Alpha Particle Model)和重粒子輻射模型 (Heavy Ion Model)，且其無法在氧化層激活。這使得輻射效應(yīng)的仿真，尤其是總劑量輻射和中子輻射仿真變得困難[1]。

本文根據(jù)輻射損傷機(jī)理，結(jié)合Sentaurus TCAD軟件提供的模型，對(duì)一種薄硅層SOI(Silicon on Insulator,絕緣襯底上硅)LDMOS(Lateral Double Diffused Metal Oxide Semiconductor,橫向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體)器件進(jìn)行輻射效應(yīng)仿真研究。對(duì)其分別進(jìn)行總劑量輻射、中子輻射和劑量率輻射仿真，通過其電學(xué)特性變化，揭示輻射效應(yīng)損傷機(jī)理，為抗輻射的SOI LDMOS器件提供設(shè)計(jì)指導(dǎo)。

2 總劑量輻射效應(yīng)仿真

2.1 總劑量輻射損傷機(jī)理與仿真模型

電離輻射在二氧化硅中會(huì)激發(fā)出電子空穴對(duì)，這些電子空穴在外加電場(chǎng)的作用下，遷移率較高的電子很快離開介質(zhì)，而遷移率較低的空穴則一部分離開介質(zhì)，一部分被二氧化硅中的深空穴陷阱俘獲，形成正空間電荷ΔQot。該電荷與二氧化硅中的空穴陷阱面密度相關(guān)，而空穴陷阱面密度與工藝相關(guān)。由于遷移到界面處的空穴數(shù)量與介質(zhì)中電場(chǎng)方向和大小密切相關(guān)，在正向偏壓作用下，空穴向界面移動(dòng)，使得界面附近被俘獲的空穴增多，正空間電荷更大，輻射效應(yīng)更加嚴(yán)重[2-3]，所以正空間電荷ΔQot也與電場(chǎng)相關(guān)。電離輻射產(chǎn)生的界面態(tài)電荷ΔQot可用式（1）求出[4]：

式（1）中：tox為氧化層厚度，N為單位體積上氧化層吸收1 Gy劑量產(chǎn)生的空穴密度，F(xiàn)(E,ζ)為與電場(chǎng)E和輻射粒子能量ζ相關(guān)的空穴產(chǎn)生率，D為輻射劑量（單位Gy），ft為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，其與器件制備時(shí)的實(shí)際工藝步驟密切相關(guān)，即使詳細(xì)了解所有的工藝也不可能預(yù)估，只有通過實(shí)驗(yàn)來確定。

SiO2-Si界面處大約有1 nm的Si-O鍵應(yīng)變層，這些Si-O鍵在輻射的作用下很容易斷裂，形成與氧空位相關(guān)的Si缺陷，這些缺陷大量俘獲空穴，形成一個(gè)界面態(tài)電荷ΔQit。實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于N溝道MOS，界面態(tài)電荷ΔQit表現(xiàn)為負(fù)電荷；對(duì)于P溝道MOS，界面態(tài)電荷ΔQit表現(xiàn)為正電荷。界面態(tài)電荷ΔQit主要取決于工藝制備過程，與柵的材料、柵氧層材料、厚度、含氫量和界面應(yīng)力等關(guān)鍵工藝有關(guān)。電離輻射產(chǎn)生的界面態(tài)電荷 ΔQit可用式（2）求出[5]:

式（2）中：ΔNit為電離輻射產(chǎn)生的單位面積界面態(tài)電荷數(shù)，K為經(jīng)驗(yàn)比例系數(shù)。

從（1）式和（2）式可知，在總劑量輻射影響下，N溝道MOS器件閾值電壓的漂移為：

然而在應(yīng)用上述模型的時(shí)候，K可取經(jīng)驗(yàn)值1.077×10-7，fot卻并沒有常用的經(jīng)驗(yàn)值[6]。

通過求解連續(xù)性方程解得[7]：

式中：ΔNot為氧化層電荷面密度，Nt為氧化層空穴陷阱密度，σ為空穴俘獲截面，go為單位劑量電離輻射在氧化層單位體積內(nèi)產(chǎn)生的空穴電子對(duì)數(shù)目，fy為氧化層電場(chǎng)E和輻射粒子能量相關(guān)的空穴產(chǎn)生率，E越大，fy越大，最終趨近于1。

2.2 總劑量輻射效應(yīng)損傷仿真

通過（2）式、（4）式和（5）式，將一定總劑量輻射換算成氧化層電荷和界面電荷，然后利用Sentaurus TCAD自帶的陷阱與電荷模型（Traps and Fixed Charges）將兩個(gè)電荷直接加到相應(yīng)的區(qū)域，便可進(jìn)行總劑量輻射效應(yīng)損傷仿真。

圖1 仿真SOI LDMOS器件結(jié)構(gòu)仿真圖

圖2為仿真得出的tox=20 nm的SOI LDMOS管不同輻射劑量下轉(zhuǎn)移特性曲線圖。由圖2可以看出，隨著輻射劑量的增大，器件閾值電壓越來越小。閾值電壓的改變會(huì)影響器件的開態(tài)電流能力，對(duì)開態(tài)安全工作區(qū)、開態(tài)電流等關(guān)鍵參數(shù)影響較大。

圖2 不同輻射劑量轉(zhuǎn)移特性曲線圖

3 中子輻射仿真

3.1 中子輻射損傷機(jī)理與仿真模型

中子不帶電，所以穿透能力極強(qiáng)，它可以充分地靠近被輻射材料晶格原子的原子核，與原子核產(chǎn)生彈性碰撞。晶格原子在碰撞過程中得到能量，從而離開它正常的點(diǎn)陣位置，成為晶格中的間隙原子，它原來位置留下了一個(gè)空位。單個(gè)原子的位移形成簡(jiǎn)單缺陷，稱為弗倫克爾缺陷[8]。

中子輻射形成的缺陷可在半導(dǎo)體材料原子的禁帶內(nèi)引入新的能級(jí)，這就增加了載流子之間復(fù)合的機(jī)會(huì)，降低了少子壽命。另外這些缺陷可以作為陷阱俘獲載流子，使其無法參與導(dǎo)電，相當(dāng)于降低了器件的摻雜濃度，也就是載流子去除效應(yīng)。與此同時(shí)，這些缺陷也可作為載流子的散射中心，進(jìn)而降低載流子的遷移率。已知中子輻射造成的位移損傷可以等效于在硅間隙中加入了3個(gè)能帶[9]，見表1、表2。

表1、表2中，Level代表3個(gè)不同位置能帶，σn,p為電子與空穴俘獲截面，σn為電子俘獲截面，σp為空穴俘獲截面。η為中子注量引入率，反映某一中子注量下每個(gè)能帶受到的中子注量影響。

表1 P型硅中子輻射等效模型

表2 N型硅中子輻射等效模型

3.2 中子輻射效應(yīng)損傷仿真

將一定中子注量按照上述模型轉(zhuǎn)換為3個(gè)能帶，考慮到對(duì)于SOI器件來說，襯底不會(huì)影響電流能力，所以可直接利用Sentaurus TCAD自帶的陷阱與電荷模型（Traps and Fixed Charges）將3個(gè)能帶引入SOI層，然后進(jìn)行器件電學(xué)特性仿真，得到器件轉(zhuǎn)移特性曲線如圖3、輸出特性曲線如圖4所示。

從圖3、圖4可以看出，中子輻射對(duì)器件閾值電壓基本沒有影響，隨著中子注量的增大，器件開態(tài)電流能力有一定下降，但由于LDMOS為多子器件，開態(tài)電流下降有限，只有在很大的中子注量下才大幅下滑，這一現(xiàn)象符合理論。

圖3 不同中子輻射轉(zhuǎn)移特性曲線圖

圖4 不同中子輻射輸出特性曲線圖

4 瞬時(shí)劑量率輻射仿真

4.1 瞬時(shí)劑量率輻射損傷機(jī)理與仿真模型

瞬時(shí)劑量率輻射主要表現(xiàn)為擴(kuò)散光電流。瞬時(shí)輻射在硅中引發(fā)的電子空穴對(duì)，在一定偏壓的作用下，會(huì)形成感生電流。當(dāng)該電流流過LDMOS本身就存在著的寄生三極管時(shí)，由于基區(qū)電阻的存在，會(huì)在基區(qū)產(chǎn)生一個(gè)壓降。當(dāng)基區(qū)壓降超過0.7 V時(shí)，寄生三極管就會(huì)開啟，電流迅速增大。當(dāng)該光電流產(chǎn)生的功率超過器件承受能力時(shí)，器件就會(huì)因?yàn)檫^熱而燒毀[10]。仿真所用超薄硅層SOI LDMOS結(jié)構(gòu)中，在P well區(qū)的下方加入了高濃度摻雜的PBL區(qū)，該區(qū)域可以有效降低寄生NPN管的基區(qū)電阻，提高器件抗瞬時(shí)輻射能力。

4.2 瞬時(shí)劑量率輻射效應(yīng)損傷仿真

Sentaurus TCAD軟件自帶的γ粒子輻射模型主要變量為輻射劑量率，所以使用該模型進(jìn)行器件瞬態(tài)仿真，驗(yàn)證該模型適用性。仿真時(shí)，器件處于關(guān)態(tài)固定漏壓40 V下，在500 ns處給器件施加時(shí)長20 ns的瞬時(shí)輻射，得到瞬態(tài)漏電流曲線如圖5所示。

圖5 不同瞬時(shí)劑量率瞬態(tài)特性曲線圖

可以看出，在添加輻射的一瞬間，器件產(chǎn)生一個(gè)大電流，這是由于輻射產(chǎn)生的電子空穴對(duì)在漏壓作用下進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。在去掉輻射后，電流瞬間減小，然而如果瞬態(tài)輻射過大，產(chǎn)生的光電流就可能難以恢復(fù)，最終導(dǎo)致器件燒毀。這一結(jié)果符合瞬時(shí)劑量率輻射效應(yīng)。

5 結(jié)論

本文通過Sentaurus TCAD對(duì)SOI LDMOS的總劑量輻射、瞬時(shí)劑量率輻射和中子輻射特性進(jìn)行輻射損傷模擬仿真。Sentaurus自帶的輻射仿真模型只能有效地進(jìn)行瞬時(shí)劑量率輻射仿真，對(duì)于總劑量輻射和中子輻射則需要將輻射定量地?fù)Q算成電荷或能帶，結(jié)合Sentaurus自帶的陷阱與電荷模型，才能夠進(jìn)行有效仿真。然而使用的換算模型仍有大量近似，目前對(duì)輻射損傷機(jī)理也有很多問題等待解決，因此，對(duì)SOI高壓器件輻射損傷的預(yù)估還有待進(jìn)一步仿真和實(shí)驗(yàn)研究。