VDMOS電離輻射效應(yīng)快速評估方法

崔 帥王義元李 彩盧 健陳 斌

1（中國科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院 上海 201044）

2（上海宇航系統(tǒng)工程研究所 上海 201109）

VDMOS（Vertical Double-diffused MOSFET，垂直雙擴(kuò)散金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）器件具有輸入阻抗高、驅(qū)動功率低、開關(guān)速度快、熱穩(wěn)定性好的特點，而被廣泛應(yīng)用在航天飛行器中［1］。但在復(fù)雜空間環(huán)境作用下，形成的電離輻射效應(yīng)，引起器件參數(shù)及性能退化，甚至功能失效。為此，國內(nèi)外對半導(dǎo)體器件的航天應(yīng)用均開展了地面試驗，確?？闺婋x輻射能力滿足在軌環(huán)境的要求。衛(wèi)星用電子器件的輻射可靠性試驗及評估工作，是通過在地面模擬空間輻射條件下進(jìn)行的。如射線的能量、劑量率、輻射偏置、測量方法、測試參數(shù)的選擇以及評判標(biāo)準(zhǔn)的差異，都會產(chǎn)生不同的結(jié)果［2-3］。由于這種差異的存在而把抗輻射能力差的產(chǎn)品用于衛(wèi)星，將極大地危害衛(wèi)星的高可靠性。

如何在地面實驗室條件下來預(yù)估器件在空間輻射損傷規(guī)律，獲得衛(wèi)星用電子器件在空間輻射環(huán)境下的行為，建立和完善衛(wèi)星用電子器件空間輻射可靠性評估技術(shù)，準(zhǔn)確評估衛(wèi)星用電子器件的輻射可靠性，建立衛(wèi)星用功率器件實驗室輻射效應(yīng)模擬試驗評估方法，形成技術(shù)規(guī)范，是保證在軌衛(wèi)星電子系統(tǒng)可靠運行亟待解決的問題［3-5］。目前國內(nèi)外關(guān)于電離輻射效應(yīng)主要標(biāo)準(zhǔn)中GJB548B、MIL-STD-883方法1019電離輻射測試程序、ESCC-22900電離輻射輻射測試方法均提出了高溫輻照的試驗方法，但對其使用對象、具體試驗細(xì)節(jié)未做規(guī)定，不具備大規(guī)模應(yīng)用的基礎(chǔ)。而其中關(guān)于MOS工藝器件的評估方法中，較為詳細(xì)的步驟是輻照至目標(biāo)劑量后，采用追加50%的輻照劑量后，進(jìn)行168 h的高溫退火的方法進(jìn)行評估。也是目前工程應(yīng)用中廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)流程。且由于其輻照后，需要進(jìn)行一周的長時間退火，試驗周期較長。為此，細(xì)化探索高溫輻照的具體流程和方法，縮短試驗評估周期，建立一種快速評估方法。

1 試驗器件和偏置

根據(jù)VDMOS器件的敏感性分析，以MOS器件的I-V曲線為對比參數(shù)，試驗過程中采用HP4200測試器件的I-V特性。

GJB 548B-2005中方法1019.2與MIL-STD-883H方法1019要求類似，其核心內(nèi)容對MOS工藝器件的器件考核規(guī)定如下：

1）輻射源：60Co γ射線源；

2）輻射劑量率：50～300 rad·s-1（Si）；

3）考核的實驗程序：首先對被試器件進(jìn)行預(yù)期輻照劑量的輻照；測試后再追加輻照50%的劑量；然后在100℃、168 h高溫退火后測試。

本次試驗輻照源采用中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所60Co γ射線源，試驗劑量率采用實驗室常用的50 rad·s-1（Si）。器件分為兩組，一組采用高溫100℃輻照至規(guī)定劑量；另一組采用常溫輻照至規(guī)定劑量的1.5倍，然后進(jìn)行高溫100℃168 h的高溫退火方法。

同時為了對高溫試驗方法的適用性進(jìn)行驗證，采用了常用的54電路開展相同的試驗，對比分析高溫輻照試驗方法的適用性。

試驗選用輻照試驗的樣品的制作工藝、器件特性、最小線條尺寸等器件見表1。

表1 試驗器件參數(shù)Table 1 Parameter of device for test

圖1為高壓VDMOS器件電離輻射效應(yīng)輻射試驗的兩個偏置條件，其中偏置條件一為漏源相連接地，加?xùn)牌肰GS=12 V，偏置條件二為柵源相連接地，加漏偏置VDS=80%×BVDSS（源漏擊穿電壓）。

圖1 VDMOS器件電離輻射效應(yīng)輻射試驗偏置Fig.1 Bias condition of the VDMOS under irradiation

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 兩種VDMOS器件的快速評估結(jié)果

圖2、圖3是兩種衛(wèi)星用典型VDMOS器件采用高溫100℃輻照試驗方法與國軍標(biāo)方法試驗結(jié)果的對比。從試驗結(jié)果可以看出，高溫100℃輻照試驗方法與國軍標(biāo)方法中高溫100℃退火后的結(jié)果吻合一致性較好。為了對兩種方法獲得的結(jié)果的一致性進(jìn)行分析，圖4是將輻射引起閾值電壓漂移量進(jìn)行對比。將兩種方法所對應(yīng)的考核目標(biāo)劑量統(tǒng)一：常溫輻照劑量除以1.5即為考核目標(biāo)劑量；高溫輻照劑量就是考核目標(biāo)劑量。以漏源電流為10 μA所對應(yīng)的閾值電壓的變化為參考，其隨評估目標(biāo)劑量的變化如圖4所示，通過高溫輻照方法獲得的退化曲線，與采用國軍標(biāo)規(guī)定的方法獲得相似的結(jié)果。結(jié)果表明，采用高溫輻照的方法可以與現(xiàn)有方法得到相同的結(jié)果，評估結(jié)果一致；且可以縮短1周多的評估時間，加快了評估周期。

圖2 100 krad(Si)目標(biāo)值下的變化關(guān)系對比 (a)100 V加固VDMOS器件，(b)200 V加固VDMOS器件Fig.2 Comparison of the two methods for the target of 100 krad(Si)(a)VDMOS of Vbreak=100 V,(b)VDMOS of Vbreak=200 V

圖3 700 krad(Si)目標(biāo)值下的變化關(guān)系對比 (a)100 V加固VDMOS器件，(b)200 V加固VDMOS器件Fig.3 Comparison of the two methods for the target of 700 krad(Si)(a)VDMOS of Vbreak=100 V,(b)VDMOS of Vbreak=200 V

圖4 不同目標(biāo)值下兩種評估方法的閾值電壓變化對比 (a)100 V，(b)200 VFig.4 Comparison of threshold voltage change of two evaluation methods under different target values(a)100 V,(b)200 V

2.2 機(jī)理分析

VDMOS器件閾值電壓的漂移主要是由于電離輻射導(dǎo)致SiO2中產(chǎn)生氧化物陷阱電荷和Si-SiO2界面產(chǎn)生界面陷阱電荷引起的，漂移公式為：

式中：ΔVth是閾值電壓的漂移量；ΔVot是氧化物陷阱電荷引起閾值電壓的漂移量；ΔVit是界面陷阱電荷引起閾值電壓的漂移量。電離輻射對器件閾值電壓的影響是氧化物陷阱電荷和界面陷阱電荷共同作用的結(jié)果。在γ射線的電離輻射作用下，在氧化層中形成電子-空穴對，電子與空穴的分離、傳輸與反應(yīng)導(dǎo)致氧化物陷阱電荷與界面態(tài)陷阱電荷的形成。其中界面陷阱電荷的產(chǎn)生過程是：空穴在輸運過程中參與反應(yīng)釋放H+，H+輸運到界面處，與界面處的Si-H反應(yīng)，產(chǎn)生H2與Pb陷阱中心。兩種陷阱電荷的退火特性是氧化物陷阱電荷在室溫下就能發(fā)生退火［6-8］，界面態(tài)一般在100°C以上才發(fā)生退火。對于n溝MOSFET界面陷阱電荷是負(fù)電荷，對于P溝MOSFET界面陷阱電荷是正電荷，而氧化物陷阱電荷一般都是正電荷。對P溝MOSFET而言，界面態(tài)是施主型的顯正電性，它與氧化物正電荷同性，對閾值電壓漂移的貢獻(xiàn)是二者之和，因此閾值電壓漂移隨著累積劑量的增加而始終負(fù)向增大。但對n溝MOSFET來說，界面態(tài)是受主型的顯負(fù)電性，它與氧化物電荷對閾值電壓漂移的影響相互補(bǔ)償，因此當(dāng)界面陷阱電荷的數(shù)量足夠大時，閾值電壓隨著累積劑量的增加可能發(fā)生回漂。

在電離輻照總劑量實驗方法中，GJB 548B-2005中方法1019.2與MIL-STD-883H通過加速陷阱空穴的退火和界面態(tài)的累積來檢測可能的損傷效應(yīng)。輻照后的168 h、100℃高溫退火中，閾值電壓一般有不同程度的恢復(fù)，這主要是由于俘獲空穴的退火引起的。在熱發(fā)射模型中，空穴激發(fā)到價帶的概率與陷阱相對SiO2價帶的能量成指數(shù)關(guān)系，熱發(fā)射退火以熱發(fā)射前沿φm（t）為其特征，如式（2）所示。

式中：T是絕對溫度；k是玻爾茲曼常數(shù)；q是基本電荷；A是與空間俘獲截面有關(guān)的參數(shù)。100℃退火時由于溫度的升高使得與T成正比的φm也隨之變大，導(dǎo)致氧化層中大量俘獲空穴的能量小于φm，俘獲空穴由于熱激發(fā)的作用發(fā)生大量退火，從而導(dǎo)致100°C下閾值電壓的恢復(fù)，同時從襯底來的電子也與空穴復(fù)合。但相對于空穴躍遷到價帶的數(shù)量來說較少。退火溫度為100℃時，俘獲空穴的退火最快，界面態(tài)陷阱的累積速度大為提高，且低于它的退火溫度［3，9-10］。

實驗室條件下，劑量率遠(yuǎn)高于空間輻射環(huán)境，從而在短時間內(nèi)使氧化物陷阱電荷的產(chǎn)額達(dá)到空間長時間的數(shù)量，但界面態(tài)數(shù)量卻遠(yuǎn)不夠。50%附加劑量的輻照和在100℃退火168 h，主要是為了補(bǔ)償在低劑量率照射下產(chǎn)生的界面態(tài)，同時也為補(bǔ)償p溝道晶體管的氧化層正電荷的退火。而采用100℃的高溫輻照時，高溫加速了電子空穴對的運動，有利于界面附近的捕獲電荷空穴缺陷較快地堆積產(chǎn)生。在高溫環(huán)境輻照下，雖然形成的氧化物陷阱在部分發(fā)生了退火，但退火后的數(shù)量仍與在軌低劑量率環(huán)境下產(chǎn)生的數(shù)量相當(dāng)［6］。同時，界面附近的氧化物陷阱電荷的堆積產(chǎn)生，有助于界面態(tài)的生成，可以在短時間內(nèi)模擬在軌長時間服役的累積效果［6-7，9］。所以高溫輻照的損傷結(jié)果與國軍標(biāo)規(guī)定的50%的累加輻照加100℃退火168 h的效果一致。

2.3 快速評估方法的適用性驗證

為驗證功率VDMOS器件高溫100℃輻照試驗結(jié)果普遍適性，選擇國產(chǎn)鋁柵CC4069、高速54AC08數(shù)字電路對高溫100℃輻照與國軍標(biāo)方法進(jìn)行進(jìn)一步驗證試驗。

2.3.1 國產(chǎn)鋁柵CC4069數(shù)字電路評估對比

國產(chǎn)鋁柵CC4069數(shù)字電路輻照采用兩種輻照評估方法獲得的器件參數(shù)的變化對比結(jié)果如圖5所示，與VDMOS器件的結(jié)果相似，兩則吻合的較好，無論是閾值電壓的漂移，還是漏電流的增加，均具有一定的等效性。

圖5 國產(chǎn)鋁柵CC4069數(shù)字電路兩種目標(biāo)劑量評估方法對比 (a)100 krad，(b)400 kradFig.5 Comparison of two evaluation methods for CC4069 with difference target value(a)100 krad,(b)400 krad

2.3.2 國產(chǎn)硅柵54電路的評估對比

圖6是國產(chǎn)硅柵54AC14數(shù)字電路高溫100℃輻照試驗方法與國軍標(biāo)方法試驗結(jié)果。從試驗結(jié)果可以看出：高溫100℃輻照試驗方法與國軍標(biāo)方法中高溫100℃退火后的結(jié)果吻合的非常好。

圖6 國產(chǎn)硅柵54AC14在100 krad(Si)目標(biāo)值下的變化關(guān)系對比Fig.6 Comparison of the variation of 54AC14 with the target value of 100 krad(Si)

3 結(jié)語

本文針對VDMOS器件的空間應(yīng)用，采用了不同方法進(jìn)行評估。通過常用的方法與高溫輻照的快速評估方法的試驗結(jié)果對比，證明了100℃的高溫輻照方法可用于VDMOS器件的抗電離輻射能力的快速評估。