碳化硅VDMOS的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)輻射損傷及其比較

馮皓楠，楊 圣，梁曉雯，張 丹，蒲曉娟，孫 靜，魏 瑩，崔江維，李豫東，余學(xué)峰,*，郭 旗

(1.中國科學(xué)院 特殊環(huán)境功能材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830011；2.中國科學(xué)院 新疆理化技術(shù)研究所，新疆電子信息材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830011；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

碳化硅功率場(chǎng)效應(yīng)管(SiC VDMOS)所具有的高功率、低損耗及高頻等方面的優(yōu)異性能，使其在航天、電廠及惡劣環(huán)境的應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用[1-2]。然而由于空間中的惡劣輻射環(huán)境，至少在目前來說其在空間的應(yīng)用方面還面臨著總劑量電離效應(yīng)(TID)、單粒子效應(yīng)(SEE)、位移損傷效應(yīng)等造成的器件電學(xué)參數(shù)退化、甚至功能失效等問題[3-5]?？倓┝侩婋x輻射導(dǎo)致的SiC VDMOS動(dòng)態(tài)特性變化是SiC VDMOS輻射損傷的一個(gè)重要問題。SiC VDMOS常被用于高電壓、高頻率開關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域。目前我國輸電產(chǎn)生的電能損耗占整個(gè)輸電量的5%～10%，在日常生活中約有70%的電能需要通過功率半導(dǎo)體進(jìn)行處理才能使用[6-7]，隨著功率密度的增加，系統(tǒng)總體中熱設(shè)計(jì)的部分比重將會(huì)提升至16%～25%，系統(tǒng)中對(duì)于熱損耗的控制也變得越來越重要。器件的熱積累主要發(fā)生在晶體管開啟關(guān)斷的瞬態(tài)[8-9]，輻射如果導(dǎo)致器件的開關(guān)響應(yīng)延長(zhǎng)，就會(huì)增加熱積累風(fēng)險(xiǎn)。與其他低壓器件不同，輻射損傷造成的功率器件開關(guān)時(shí)間的延長(zhǎng)不僅會(huì)導(dǎo)致器件頻率響應(yīng)特性變差，還會(huì)增加器件短路電流沖擊時(shí)間及產(chǎn)生較大的能源損耗問題，嚴(yán)重情況下還將造成器件壽命的縮短，甚至功能失效。

雖然目前大量研究表明SiC基MOS器件和柵氧層較厚的Si基MOS器件在靜態(tài)參數(shù)輻射損傷效應(yīng)方面有很多相似之處，其變化都是由于電離輻照在器件的Si/SiO2或SiC/SiO2界面及SiO2層中誘發(fā)產(chǎn)生并積累了氧化物正電荷和界面態(tài)，導(dǎo)致了器件轉(zhuǎn)移特性曲線(Ids-Vgs)負(fù)漂、閾值電壓(Vth)下降、漏電流(IDSS)增大[10-14]。在動(dòng)態(tài)參數(shù)的輻射效應(yīng)方面，總劑量輻射環(huán)境中普通Si基MOS器件的開關(guān)特性變化也被認(rèn)為是由Si/SiO2界面及SiO2層中輻射產(chǎn)生的氧化物正電荷和界面態(tài)引起，因此與亞閾特性的斜率變化、特別是閾值電壓的漂移具有直接的相關(guān)性[4,15-16]，但馮皓楠等[17]初步研究表明：由于SiC VDMOS的SiC/SiO2界面遠(yuǎn)比Si/SiO2界面復(fù)雜，這將導(dǎo)致其在生產(chǎn)過程中更易產(chǎn)生界面陷阱電荷[18]。同時(shí)，作為槽型柵結(jié)構(gòu)的VDMOS其本身相對(duì)于普通平面結(jié)構(gòu)的MOSFET會(huì)存在著更為復(fù)雜的寄生電容結(jié)構(gòu)，這都將可能對(duì)器件的動(dòng)態(tài)性能產(chǎn)生一定的影響。因此，輻照導(dǎo)致SiC VDMOS動(dòng)態(tài)參數(shù)的退化并不完全取決于其靜態(tài)參數(shù)的改變。在常規(guī)開關(guān)特性上，國內(nèi)外已有相關(guān)文獻(xiàn)針對(duì)SiC VDMOS在具體工作環(huán)境下對(duì)寄生電感和非線性特性的敏感性展開了初步研究[19-21]。文獻(xiàn)[16，22]采用總劑量輻射對(duì)SiC VDMOS的結(jié)構(gòu)電容的影響進(jìn)行了研究，但相關(guān)研究均未在SiC VDMOS的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的輻射損傷上進(jìn)行進(jìn)一步研究。馮皓楠等[17]雖然比較了總劑量輻射環(huán)境中的SiC功率器件動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性，但缺乏更多樣本、更多參數(shù)及包括退火過程在內(nèi)的進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證，尤其缺乏對(duì)導(dǎo)致兩者差異原因的進(jìn)一步理論分析。

本文對(duì)比研究商用高功率大電流650 V、39 A SiC MOSFETs器件在正、負(fù)柵偏和零偏下TID效應(yīng)對(duì)其動(dòng)態(tài)參數(shù)的影響。采用動(dòng)態(tài)參數(shù)和靜態(tài)特性相結(jié)合的方式進(jìn)行分析，結(jié)合器件常規(guī)應(yīng)力下的退化特征，找到TID效應(yīng)造成SiC VDMOS動(dòng)、靜態(tài)參數(shù)退化規(guī)律及機(jī)制產(chǎn)生差異性的主要因素，為SiC VDMOS動(dòng)態(tài)輻射損傷的研究提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)器件與方法

試驗(yàn)器件是日本ROHM公司生產(chǎn)的39 A、650 V N型SiC VDMOS(SCT3060ALHRC11)。圖1為典型尺寸的溝槽柵VDMOS的三維示意圖。試驗(yàn)在中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所進(jìn)行，輻照源選擇60Co，劑量率為50 rad(Si)/s。在常溫下以不同偏置(柵源電壓Vgs=-5、0、20 V，漏極和源極接地)對(duì)樣品輻照至100 krad(Si)。

圖1 溝槽柵VDMOS的三維結(jié)構(gòu)示意圖[23]Fig.1 3D structure diagram of trench-structure VDMOS[23]

采用Keithley 4200A-SCS半導(dǎo)體特性分析系統(tǒng)檢測(cè)輻照前后亞閾值Ids-Vgs曲線，定義Vth為曲線Ids=10-5A的Vgs。使用BC3193半導(dǎo)體分立器件測(cè)試系統(tǒng)依據(jù)器件數(shù)據(jù)表的要求在Vgs=18 V且Ids=13 A時(shí)對(duì)導(dǎo)通電阻(RDS(ON))進(jìn)行測(cè)試，在Vgs=22 V時(shí)對(duì)柵源泄漏電流(IGSS)進(jìn)行測(cè)試。使用Agilent DSO-X-2024A示波器依據(jù)MIL-STD-750/3472標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)量器件開關(guān)響應(yīng)參數(shù)：開啟時(shí)間ton、開啟延遲時(shí)間td(on)、上升時(shí)間tr、關(guān)斷時(shí)間toff、關(guān)斷延遲時(shí)間td(off)、下降時(shí)間tf。輻照試驗(yàn)和開關(guān)響應(yīng)測(cè)試的條件列于表1。

表1 輻照試驗(yàn)和開關(guān)響應(yīng)測(cè)試的條件Table 1 Condition for irradiation experiment and switching response test

2 試驗(yàn)結(jié)果

在進(jìn)行總劑量電離試驗(yàn)時(shí)，器件的開關(guān)響應(yīng)曲線中柵極驅(qū)動(dòng)電壓和漏極輸出電壓分別通過高壓探頭被Agilent DSO-X-2024A示波器檢測(cè)，分別在0、10、30、50、70、100 krad(Si)進(jìn)行移位測(cè)試。圖2為正柵Vgs=20 V偏置時(shí)SiC VDMOS柵極驅(qū)動(dòng)電壓曲線和漏極輸出電壓曲線隨累積總劑量的變化。在累積劑量達(dá)到100 krad(Si)時(shí)，3種偏置中只有正柵偏置失去了開關(guān)特性，因此，圖2中100 krad(Si)的曲線并未顯示?？煽吹剑椪蘸笃骷臇艠O驅(qū)動(dòng)電壓分別在0～200 ns和2 600～2 800 ns的米勒平臺(tái)區(qū)出現(xiàn)了延滯，并隨著累積劑量的增大變得更加惡劣。與此同時(shí)隨著累積輻照劑量的增大，關(guān)斷過程變緩，Ldi/dt變小，導(dǎo)致器件在關(guān)斷末端的脈沖電壓峰值也在降低，其中，L為繞圈的自感系數(shù)，di/dt為電流對(duì)時(shí)間的變化率。

a——驅(qū)動(dòng)電壓；b——輸出電壓圖2 SiC VDMOS在正柵偏置下隨累積輻照劑量電壓曲線變化Fig.2 Voltage curve of SiC VDMOS under positive gate bias change with cumulative irradiation dose

a——開關(guān)響應(yīng)；b——轉(zhuǎn)移特性圖3 累積輻照劑量點(diǎn)達(dá)到70 krad(Si)時(shí)3種偏置下SiC VDMOS電學(xué)特性曲線變化Fig.3 When cumulative dose point of irradiation reaches 70 krad(Si),electrical characteristic curves of SiC VDMOS with three biases

對(duì)比3種偏置受到總劑量輻照后仍未失去開關(guān)特性時(shí)的開關(guān)響應(yīng)曲線及轉(zhuǎn)移特性曲線，發(fā)現(xiàn)不同柵極偏置對(duì)于器件開啟響應(yīng)和轉(zhuǎn)移特性的影響。圖3為累積輻照劑量點(diǎn)達(dá)到70 krad(Si)時(shí)3種偏置下SiC VDMOS開關(guān)響應(yīng)的變化曲線和轉(zhuǎn)移特性的變化曲線?？煽闯觯?種偏置中動(dòng)態(tài)開關(guān)的輻射損傷程度對(duì)于柵極偏置的依賴性和靜態(tài)參數(shù)中轉(zhuǎn)移特性曲線對(duì)于柵極偏置的依賴性極其相似。3種偏置輻照后，正柵偏置下器件的關(guān)斷響應(yīng)時(shí)間會(huì)驟增，負(fù)柵偏置其次，零偏最弱。這與器件在不同柵極偏置輻照后的靜態(tài)參數(shù)的退化規(guī)律一致。

依據(jù)MIL-STD-750/3472標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)量器件開關(guān)響應(yīng)參數(shù)，并在轉(zhuǎn)移特性曲線中提取閾值電壓。圖4為隨累積總劑量的增大3種偏置輻照時(shí)器件開啟時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間與閾值變化的對(duì)比。隨著累積劑量的增大，3種偏置的開啟時(shí)間(ton)并未發(fā)生大幅度的變化，其中變化最劇烈的正柵偏置在累積劑量到達(dá)70 krad(Si)時(shí)從99 ns的初始標(biāo)準(zhǔn)值降低到66 ns。與ton不同的是，在此偏置和劑量點(diǎn)下關(guān)斷時(shí)間(toff)從140 ns的初始標(biāo)準(zhǔn)值提升到313 ns。

a——開啟響應(yīng)；b——關(guān)斷響應(yīng)圖4 SiC VDMOS在3種偏置下隨累積輻照劑量的閾值變化與響應(yīng)時(shí)間變化對(duì)比Fig.4 Comparison of threshold change and response time change of SiC VDMOS with accumulation irradiation dose under three biases

在累積輻照劑量達(dá)到100 krad(Si)，本文對(duì)3種偏置的器件進(jìn)行常溫環(huán)境下168 h的退火試驗(yàn)，圖5為常溫168 h退火后SiC VDMOS 3種偏置的輸出電壓變化曲線。可看到，正柵偏置器件在經(jīng)過168 h常溫退火后重新具有了一定的開關(guān)特性，這是由于柵氧中的氧化物陷阱電荷部分復(fù)合導(dǎo)致器件獲得了阻斷特性。另外兩種偏置的開關(guān)特性也在168 h退火后得到了部分恢復(fù)，均表現(xiàn)為關(guān)斷時(shí)間略微降低。

圖5 常溫168 h退火后SiC VDMOS3種偏置的輸出電壓變化曲線Fig.5 Output voltage variation curve of SiC VDMOS with three biases after 168 h annealing at room temperature

3 分析和討論

為了更好地解釋SiC VDMOS動(dòng)態(tài)輻射損傷中的開關(guān)特性變化，本文進(jìn)一步對(duì)于器件的導(dǎo)通電阻及柵極泄漏電流進(jìn)行測(cè)試。圖6為3種偏置下器件的電學(xué)參數(shù)隨累積輻照劑量的變化。從測(cè)試結(jié)果來看，隨著輻照劑量的積累，器件中柵極氧化物積累帶正電荷的氧化物陷阱電荷，這些帶正電荷的缺陷會(huì)在半導(dǎo)體表面吸引電子，增加表面電子濃度，從而降低器件RDS(ON)，RDS(ON)并未出現(xiàn)特殊的變化。與此同時(shí)總劑量輻射對(duì)于柵氧的泄漏電流也并未產(chǎn)生影響，這和以往的研究結(jié)果是一致的。結(jié)果表明，在本次試驗(yàn)中總劑量電離輻照并未對(duì)器件的柵氧和襯底產(chǎn)生位移類缺陷性質(zhì)的損傷，由此，本文回到總劑量電離輻射對(duì)柵氧產(chǎn)生的陷阱電荷來展開進(jìn)一步的分析。

在總劑量電離試驗(yàn)中，γ射線在柵極氧化物中產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，圖7為具有正柵偏壓的MOS電容器的能帶圖[10]，其展示了輻射誘導(dǎo)電荷產(chǎn)生的主要過程。相關(guān)研究表明，在零偏狀態(tài)下，柵極氧化中的電子和空穴自由復(fù)合，因此柵極氧化物中積累的陷阱電荷較少。由于柵極施加電場(chǎng)時(shí)會(huì)加速柵氧中空穴或電子的偏移，因此正、負(fù)柵極偏置下柵極氧化物陷阱電荷會(huì)不同程度的加速積累。SiO2中空穴遷移率遠(yuǎn)低于電子遷移率，在正柵偏輻照時(shí)電子漂移速率遠(yuǎn)大于負(fù)柵偏輻照時(shí)空穴漂移速率，進(jìn)而部分空穴被氧空穴俘獲形成帶正電荷氧化陷阱電荷[10-11]。

a——導(dǎo)通電阻；b——柵極泄漏電流圖6 3種偏置下器件的電學(xué)參數(shù)隨累積輻照劑量的變化Fig.6 Variation of electrical parameter of device with accumulation irradiation dose under three biases

圖7 具有正柵偏壓的MOS電容器的能帶圖[10]Fig.7 Band diagram of MOS capacitor with positive gate bias[10]

器件柵氧中帶正電的陷阱電荷在導(dǎo)致閾值降低的同時(shí)，也會(huì)對(duì)器件的耗盡層產(chǎn)生一定影響。圖8為柵氧摻雜密度為1×1012cm-2帶正電的陷阱電荷前后器件耗盡層的變化情況?？煽闯觯跂叛踔凶⑷氲恼姾傻刃в谠跂艠O添加額外的正壓偏置。對(duì)于SiC VDMOS縱向器件，反饋電容Cgd可近似看作JFET的區(qū)電容。

(1)

式中：εox為氧化層介電常數(shù)；εs為空間電荷區(qū)介電常數(shù)；Sj為JFET區(qū)總面積；tox為柵氧厚度；td為耗盡層厚度。

隨著輻照的累積，氧化層的正電荷缺陷變多，耗盡層厚度變薄，在低漏源電壓Vds偏置條件下Cgd不斷增大，這將導(dǎo)致米勒平臺(tái)區(qū)域的延滯逐步加強(qiáng)。同時(shí)，在高Vds偏置條件下，耗盡層厚度不斷變大，Cgd趨于飽和[24]。一方面，由于米勒平臺(tái)區(qū)域的延滯，器件在開啟和關(guān)斷過程中對(duì)于柵極電容的充電和放電過程將會(huì)更為緩慢，器件的開啟響應(yīng)和關(guān)斷響應(yīng)隨之延長(zhǎng)；另一方面，閾值的降低往往會(huì)使器件溝道區(qū)提前進(jìn)入反型區(qū)，從而更快地使器件提前開啟和延遲關(guān)斷。SiC VDMOS在經(jīng)過總劑量電離輻照后開關(guān)特性中開啟和關(guān)斷響應(yīng)的退化程度的差異性很有可能是由于上述兩種原因的同時(shí)作用而導(dǎo)致的。

a——柵氧未摻雜陷阱電荷；b——柵氧摻雜帶正電的陷阱電荷[24]圖8 器件的耗盡層情況Fig.8 Depletion layer condition of device

4 結(jié)論

隨60Co γ射線輻照時(shí)累積劑量的增加，3種柵極偏置的輻照均會(huì)導(dǎo)致器件開啟時(shí)間略微縮短，關(guān)斷時(shí)間驟增，開關(guān)損耗總體增大。同時(shí)，正柵偏置下器件退化最為顯著，負(fù)柵偏置其次，零偏最弱。對(duì)于器件開啟和關(guān)斷響應(yīng)退化程度的差異性是由以下兩種原因共同導(dǎo)致的。一方面，由于米勒平臺(tái)區(qū)域的延滯，器件在開啟和關(guān)斷過程中對(duì)于柵極電容的充電和放電過程將會(huì)更為緩慢，器件的開啟響應(yīng)和關(guān)斷響應(yīng)隨之延長(zhǎng)。另一方面，閾值的降低往往會(huì)使器件溝道區(qū)提前進(jìn)入反型區(qū)，從而更快的讓器件提前開啟和延遲關(guān)斷。進(jìn)一步深化且細(xì)致的研究動(dòng)態(tài)輻射損傷特性對(duì)于全面、系統(tǒng)保障SiC功率器件在空間輻射環(huán)境中的可靠性具有重大意義。