SiC MOSFET 器件單粒子燒毀仿真分析

李林歡，曹榮幸，黃 鑫，孟 洋，劉 洋，韓 丹，李紅霞，鄭 澍，曾祥華，薛玉雄

（揚(yáng)州大學(xué) 電氣與能源動(dòng)力工程學(xué)院，揚(yáng)州 225127）

0 引言

更高效率以及更高功率密度的功率器件是半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。近年來，新興的寬禁帶半導(dǎo)體材料以其優(yōu)越的特性為半導(dǎo)體功率器件技術(shù)領(lǐng)域帶來了新的發(fā)展動(dòng)力，其中SiC 的禁帶寬度是Si 的2 倍以上，擊穿場(chǎng)強(qiáng)是Si 的10 倍多，導(dǎo)熱系數(shù)約是Si 的2.5 倍，飽和電子漂移速度是Si 的2 倍。這些特性使得SiC MOSFET 器件具有耐高壓、高頻率、高功率密度等優(yōu)勢(shì)，在一些應(yīng)用領(lǐng)域開始逐步取代Si 基功率器件。

在航天、核工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用中，SiC MOSFET器件（文中簡(jiǎn)稱“器件”）會(huì)受到輻射環(huán)境的影響。相比Si 基器件，SiC MOSFET 器件具有較強(qiáng)的抗總劑量能力。但是，SiC MOSFET 器件對(duì)單粒子效應(yīng)比較敏感，尤其是在截止態(tài)時(shí)由于粒子入射導(dǎo)致的大電流，器件可能發(fā)生導(dǎo)致永久性破壞的單粒子燒毀（SEB）。地面單粒子試驗(yàn)是研究器件單粒子效應(yīng)的常用技術(shù)手段，可以較為精準(zhǔn)地評(píng)估器件的單粒子效應(yīng)閾值電壓，但是試驗(yàn)資源及成本限制常導(dǎo)致輻照條件及器件偏置等數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量有限。而采用TCAD 并結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證優(yōu)化的單粒子效應(yīng)建模仿真可以靈活調(diào)節(jié)輻照條件和器件偏置條件等參數(shù)，獲得更為全面的器件安全工作區(qū)域，且能從載流子濃度、電流密度、電勢(shì)、電場(chǎng)等綜合電參數(shù)分布方面系統(tǒng)研究單粒子燒毀機(jī)理，從而便捷地開展單粒子效應(yīng)防護(hù)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證。

自2000 年以來，國(guó)內(nèi)外基于重離子試驗(yàn)和仿真手段開展了SiC 基MOSFET 器件單粒子效應(yīng)的研究，建立了器件SEB 的試驗(yàn)方法與仿真模型，并于近十年根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和半導(dǎo)體工藝器件仿真（TCAD）測(cè)試了其安全工作電壓以及SEB 截面，初步揭示了SiC MOSFET 的SEB 規(guī)律。但是在器件SEB 機(jī)理解釋方面缺少對(duì)器件內(nèi)部電參數(shù)微觀變化的分析，不利于揭示器件SEB 的損傷物理機(jī)制。

本文基于有利于揭示器件內(nèi)部電參數(shù)微觀變化的TCAD 平臺(tái)，開展SiC MOSFET 器件單粒子燒毀仿真分析，研究器件內(nèi)部SEB 的敏感區(qū)域、安全電壓范圍及器件發(fā)生SEB 時(shí)電參數(shù)的分布，基于模擬仿真結(jié)果進(jìn)一步研究器件SEB 的防護(hù)方法。

1 器件模型構(gòu)建及仿真參數(shù)設(shè)置

參考國(guó)內(nèi)某廠商典型的1200 V SiC MOSFET建立器件的工藝結(jié)構(gòu)模型，其中：功率器件工藝結(jié)構(gòu)為垂直結(jié)構(gòu)，其柵極和源極位于器件的頂部，而其漏極位于器件的底部，如圖1(a)所示；電學(xué)仿真時(shí)所使用的半元胞結(jié)構(gòu)的橫向?qū)挾葹?.5 μm，縱向高度為15 μm，柵氧化層的厚度為0.06 μm，在襯底與漂移區(qū)之間有一個(gè)緩沖層，厚度為0.1 μm，其余各區(qū)域的尺寸及摻雜濃度范圍等信息如圖1(b)所示。

圖1 器件結(jié)構(gòu)示意Fig. 1 Schematic diagram of the device structure

本文仿真所選用的物理模型有SRH 復(fù)合模型、Auger 復(fù)合模型、CVT 集成模型、Fermi-Dirac 載流子統(tǒng)計(jì)模型、BGN 模型和碰撞離化模型。

根據(jù)上述典型物理方程和器件電學(xué)模型，對(duì)器件進(jìn)行電學(xué)特性仿真，得到漏極偏置電壓=20 V時(shí)的轉(zhuǎn)移特性曲線（見圖2(a)）和柵極偏置電壓分別為12 V、16 V 和20 V 時(shí)的輸出特性曲線（見圖2(b)），其中閾值電壓約為6 V。

圖2 器件電學(xué)仿真特性Fig. 2 Electrical characteristics obtained by TCAD simulation of the device

在單粒子燒毀仿真中，入射粒子為垂直入射，入射位置為圖1(b)橫坐標(biāo)。入射粒子和產(chǎn)生電荷脈沖基本參數(shù)的選取參考SiC MOSFET 典型數(shù)值，具體為：粒子入射產(chǎn)生的電荷徑跡半徑為0.05 μm，入射深度為15 μm；LET 值75 MeV·cm/mg；電荷生成脈沖的峰值時(shí)刻為4 ps；電荷生成的脈沖寬度為4 ps。這些參數(shù)是依據(jù)SiC 器件中常用數(shù)值設(shè)置的初始值，后續(xù)可根據(jù)單粒子試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化。

2 器件單粒子燒毀仿真結(jié)果與分析

2.1 閾值電壓及敏感區(qū)域分析

器件SEB 的漏極電流隨時(shí)間變化的仿真結(jié)果如圖3 所示，此圖對(duì)應(yīng)的仿真器件結(jié)構(gòu)中柵極偏置電壓=0 V（器件處于截止態(tài)）、漏極偏置電壓分別為490 V、500 V 和550 V，以及入射位置=5 μm、入射粒子LET=75 MeV·cm/mg 的條件下。粒子入射后，在一定的漏極電壓下，若漏極電流能夠恢復(fù)至粒子入射之前的水平，則意味著器件未發(fā)生SEB；若漏極電流增大并維持在一個(gè)較高數(shù)值，則意味著發(fā)生SEB 失效。從圖3 可以看出：當(dāng)漏極電壓為490 V 時(shí)，漏極電流最終降到0；當(dāng)漏極電壓為500 V 時(shí)，電流值最終保持在一常數(shù)值，表明器件發(fā)生了SEB；隨著漏極電壓的增大，漏極電流的最終數(shù)值也在增大。因此該器件發(fā)生SEB的閾值電壓約為500 V。

圖3 器件發(fā)生SEB 前后漏極電流隨時(shí)間的變化Fig. 3 The drain current in the device before and after SEB

為了進(jìn)一步研究器件發(fā)生SEB 的敏感位置，在=0 V（器件處于截止態(tài)）、入射粒子LET=75 MeV·cm/mg 的條件下，對(duì)不同入射位置下器件的燒毀特性進(jìn)行了仿真，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 不同入射位置的SEB 閾值電壓Fig. 4 SEB threshold voltage in different incident positions

可以看出，器件內(nèi)部SEB 的敏感性不一樣，并且當(dāng)入射位置=5 μm 時(shí)，器件發(fā)生SEB 的閾值電壓最低，說明在該位置（Pbase 基區(qū)附近），器件更容易發(fā)生SEB。這是因?yàn)楫?dāng)粒子入射器件后產(chǎn)生的空穴會(huì)向源極漂移，使得Pbase 基區(qū)的電壓增加，距離Pbase 基區(qū)越遠(yuǎn)，產(chǎn)生的空穴漂移到源極就要經(jīng)過更遠(yuǎn)的距離，相比其他入射位置會(huì)產(chǎn)生更大的壓降，使得寄生雙極結(jié)型晶體管（BJT）更加容易導(dǎo)通；另一方面，當(dāng)粒子入射器件后，如果入射徑跡靠近器件內(nèi)部寄生BJT 所在的位置，則會(huì)使粒子入射所產(chǎn)生的空穴在外部電場(chǎng)的作用下更快地向源極漂移，由空穴的漂移運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的瞬態(tài)電流會(huì)在Pbase 基區(qū)產(chǎn)生更大的壓降，也會(huì)使得寄生BJT 更加容易導(dǎo)通。

2.2 器件單粒子燒毀特性及機(jī)理分析

在器件單粒子燒毀敏感性研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了器件單粒子燒毀的機(jī)理。圖5 所示為粒子入射后器件內(nèi)部電子濃度分布和空穴濃度分布。經(jīng)分析：當(dāng)器件處于關(guān)閉態(tài)時(shí)（=0 V），高能帶電粒子入射器件后，會(huì)在粒子入射徑跡上沉積能量，從而產(chǎn)生電子-空穴對(duì)；當(dāng)漏極加正向偏置電壓后，器件內(nèi)部產(chǎn)生的電場(chǎng)方向由漏極指向源極，電離產(chǎn)生的載流子在電場(chǎng)作用下發(fā)生漂移運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生瞬態(tài)脈沖電流；電子沿著電場(chǎng)相反方向向漏極漂移，因此電子在襯底和緩沖層附近有較高的濃度（圖5(a)）；空穴沿著電場(chǎng)方向穿過Pbase 基區(qū)向源極和P+源區(qū)漂移，因此空穴在源極和P+源區(qū)附近有較高的濃度（圖5(b)）。

圖5 粒子入射后器件內(nèi)部載流子濃度分布Fig. 5 Distributions of carrier concentration inside the device after incidence of particles

分析在=0 V（器件處于截止態(tài)）、=500 V條件下器件發(fā)生SEB 前后的電流變化特性，結(jié)果如圖6 所示。

圖6 器件發(fā)生SEB 前后的電流密度分布（VDS=500 V)Fig. 6 Distributions of current density in the device before and after SEB (VDS=500 V)

SiC MOSFET 器件結(jié)構(gòu)中本身就存在一個(gè)寄生BJT，器件的N+源區(qū)、Pbase 基區(qū)和N-漂移區(qū)分別對(duì)應(yīng)寄生BJT 的發(fā)射極、基極和集電極。在器件正常工作時(shí)N+源區(qū)和Pbase 基區(qū)是短接的，所以寄生BJT 處于關(guān)閉狀態(tài)，襯底緩沖層附近會(huì)有10A/cm數(shù)量級(jí)的漏電流，電流密度、分量分別如圖6(a)和圖6(b)所示。當(dāng)器件關(guān)斷且漏極電壓較高時(shí)，如果有高能帶電粒子入射器件，由于寄生BJT 的放大效應(yīng)，產(chǎn)生的正反饋?zhàn)饔檬辜纳鶥JT的發(fā)射極（N+源區(qū)）電流密度倍增，達(dá)到10A/cm數(shù)量級(jí)，電流密度、分量分別如圖6(c)和圖6(d)所示，導(dǎo)致漏極電流急劇增大，直至燒毀器件。

分析了器件截止?fàn)顟B(tài)下（=0 V）發(fā)生SEB 過程中的內(nèi)部電勢(shì)和電場(chǎng)強(qiáng)度的變化特性，結(jié)果如圖7 所示。在=500 V 時(shí)，縱向電勢(shì)是緩變分布的（圖7(a)），寄生BJT 集電極的空間電荷區(qū)邊界在Pbase 基區(qū)處，可以看出電場(chǎng)強(qiáng)度分布集中在此區(qū)域附近（圖7(b)）。當(dāng)高能粒子入射器件之后，器件內(nèi)部沿粒子徑跡產(chǎn)生大量的電子-空穴對(duì)，在這些載流子的漂移電流的作用下器件縱向的電勢(shì)不再是緩變分布，而是在N+緩沖層和N-漂移區(qū)界面處發(fā)生了突變（圖7(c)）。這一突變是由于N-漂移區(qū)淺摻雜，寄生BJT 集電極的空間電荷區(qū)邊界會(huì)擴(kuò)展到N+緩沖層的邊緣，因而在N+緩沖層的邊緣處形成了一個(gè)很大的電場(chǎng)，所以這個(gè)界面處的電場(chǎng)強(qiáng)度極高；隨著寄生BJT 雙極放大作用與緩沖層電場(chǎng)強(qiáng)度增大形成的正反饋使電流加大，這一界面處的電場(chǎng)強(qiáng)度也隨之上升（圖7(d)），最終發(fā)生了雪崩倍增效應(yīng)，導(dǎo)致器件燒毀。從圖7(d)可以看出，在N+緩沖層附近電場(chǎng)強(qiáng)度較大，約為5.4 MV/cm，在P+源區(qū)/Pbase 基區(qū)的電場(chǎng)強(qiáng)度也很大，約為4.2 MV/cm，這是由于當(dāng)漏極加較高的偏置電壓（=500 V）時(shí)，在粒子入射后，空穴沿著電場(chǎng)方向穿過Pbase 基區(qū)快速向源極和P+源區(qū)漂移，使得P+源區(qū)/Pbase 基區(qū)附近載流子遷移率較大，所以此處的電場(chǎng)強(qiáng)度也很高。上述兩個(gè)位置的電場(chǎng)強(qiáng)度均超過了SiC 材料的擊穿場(chǎng)強(qiáng)（3 MV/cm），因此這兩個(gè)區(qū)域也就是發(fā)生SEB 的敏感區(qū)域，其中N+緩沖層具有最高的場(chǎng)強(qiáng)，是決定器件SEB 敏感性的關(guān)鍵區(qū)域。

圖7 器件發(fā)生SEB 前后的電勢(shì)電場(chǎng)分布圖（VDS=500 V)Fig. 7 The electric potential and electric field distribution in the device before and after SEB (VDS=500 V)

3 器件防護(hù)設(shè)計(jì)分析

通過2.2 節(jié)器件中SEB 的機(jī)理分析，為提高器件發(fā)生SEB 的閾值電壓，借鑒Si 基器件中的防護(hù)設(shè)計(jì)方法，本文提出一種防護(hù)設(shè)計(jì)思路：將P+源區(qū)向下延伸至Pbase 基區(qū)。對(duì)此防護(hù)結(jié)構(gòu)的器件進(jìn)行了SEB 的仿真分析，結(jié)果如圖8 所示。

圖8 P+源區(qū)擴(kuò)展后，空穴濃度的分布特性Fig. 8 Distributions of hole concentration when the P+ source region is extended

由圖8 可見，將P+源區(qū)向Pbase 基區(qū)延伸后，帶電粒子入射后產(chǎn)生的空穴可以快速?gòu)腜+源區(qū)漂移到源極，空穴在P+源區(qū)附近有較高濃度分布。因此這一結(jié)構(gòu)可以有效減少空穴向寄生BJT 敏感區(qū)域漂移的數(shù)目。由于當(dāng)重?fù)诫s的P+源區(qū)向下延伸到Pbase 基區(qū)時(shí)降低了寄生BJT 基區(qū)的電阻，使瞬態(tài)電流通過寄生BJT 基區(qū)時(shí)在Pbase 基區(qū)產(chǎn)生的壓降變小，所以抑制了寄生BJT 的導(dǎo)通。在=0 V（器件處于截止態(tài)）、入射粒子LET 值為75 MeV·cm/mg的條件下，對(duì)加入防護(hù)設(shè)計(jì)后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真，結(jié)果如圖9 所示。

圖9 P+源區(qū)擴(kuò)展后，器件發(fā)生SEB 前后的漏極電流隨時(shí)間變化Fig. 9 The variation of the drain current against time before and after SEB when the P+ source region is extended

由圖9 可見，器件的漏極電壓在540 V 時(shí)未發(fā)生SEB，在550 V 時(shí)才發(fā)生SEB，而防護(hù)設(shè)計(jì)前的器件在=500 V 時(shí)就發(fā)生了SEB。由此可見，經(jīng)過這樣的防護(hù)設(shè)計(jì)后，SEB 的閾值電壓提高了近50 V。對(duì)這種防護(hù)設(shè)計(jì)后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了電學(xué)特性仿真，發(fā)現(xiàn)其轉(zhuǎn)移特性和輸出特性均保持不變，表明防護(hù)設(shè)計(jì)前后的電學(xué)特性是一致的，且可以通過提高離子注入能量實(shí)現(xiàn)P+源區(qū)擴(kuò)展，具備器件工藝設(shè)計(jì)可行性。

4 結(jié)束語

本文利用TCAD 對(duì)SiC MOSFET 器件進(jìn)行了單粒子燒毀仿真分析，發(fā)現(xiàn)粒子入射最敏感位置時(shí)器件發(fā)生SEB 的閾值電壓在500 V，與文獻(xiàn)報(bào)道的SEB 閾值電壓典型試驗(yàn)值400～600 V 相符合，表明本文的仿真模型具有較高的精度。同時(shí)，仿真獲得了器件的電子-空穴濃度分布、電流密度分布、電勢(shì)及電場(chǎng)分布特性，模擬結(jié)果表明器件發(fā)生SEB 的原因是寄生晶體管的正反饋?zhàn)饔脤?dǎo)致緩沖層和基區(qū)的電場(chǎng)強(qiáng)度（5.4 MV/cm 和4.2 MV/cm）超過SiC 材料擊穿場(chǎng)強(qiáng)（3 MV/cm）。此外，模擬發(fā)現(xiàn)將P+源區(qū)的深度向下延伸至Pbase 基區(qū)底部時(shí)，器件發(fā)生SEB 的閾值電壓從500 V 提高到近550 V。后續(xù)將從工藝試驗(yàn)層面對(duì)此防護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證。