30 V SGT N-Channel MOSFET 總劑量效應(yīng)研究

徐海銘，汪敏

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，江蘇無(wú)錫214035）

1 引言

屏蔽柵溝槽金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（SGT MOSFET）與傳統(tǒng)平面型縱向擴(kuò)散金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（VDMOS）、溝槽型VDMOS 器件不同，SGT 器件在溝槽中柵極的下方引入多晶硅，與源極的電位相同，使得SGT 器件除了垂直電場(chǎng)的耗盡層，還增加了水平方向的電場(chǎng)耗盡層，從而獲得接近梯形的電場(chǎng)分布，提高了器件耐壓，正因如此，可以通過(guò)調(diào)整外延摻雜濃度保證器件較小的導(dǎo)通電阻又能獲得更優(yōu)異的擊穿特性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)屏蔽柵器件的米勒電容降低和器件的開(kāi)關(guān)性能提高。在中低壓領(lǐng)域，SGT MOSFET 有明顯的競(jìng)爭(zhēng)力，可以應(yīng)用在電源管理、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)、負(fù)載電源切換、DC/DC 和AC/DC分系統(tǒng)電流切換等多個(gè)領(lǐng)域。功率MOSFET 器件一般都有很高的熱穩(wěn)定性和穩(wěn)健性，航天器電源系統(tǒng)對(duì)器件的要求尤其高，除了常態(tài)特性還需要實(shí)現(xiàn)抗輻射加固特性[1-3]。

近些年，國(guó)內(nèi)學(xué)者在抗輻射MOSFET 功率器件的特性方面也開(kāi)展了一系列研究，但關(guān)于新型SGT 功率器件總劑量輻射效應(yīng)的產(chǎn)品報(bào)道較少。SGT 器件在常規(guī)的參數(shù)下性能有很大的優(yōu)勢(shì)，一旦將抗輻射性能與SGT 器件結(jié)合，將極大提高其在航空、航天領(lǐng)域的性能，使其為深空探索、航天等應(yīng)用做出重要貢獻(xiàn)，因此研究SGT 器件的抗輻射性能變得特別迫切[4]。

本文研究了SGT 型器件的總劑量輻射效應(yīng)，進(jìn)行了總劑量下30 V SGT 型器件參數(shù)的變化趨勢(shì)和機(jī)理分析，給30 V SGT 型抗輻射器件的設(shè)計(jì)與工藝可行性提供指導(dǎo)。

2 SGT 型MOSFET 器件的結(jié)構(gòu)

新型SGT MOSFET 功率器件的工作原理與溝槽型和平面型MOSFET 基本一致，均采用電壓型控制器件，與雙極型器件電流型控制相比，新型SGT MOSFET 功率器件通過(guò)控制柵極電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通和關(guān)斷，其具有高輸入阻抗、快速開(kāi)關(guān)、低導(dǎo)通損耗和驅(qū)動(dòng)控制電路簡(jiǎn)單方便的優(yōu)點(diǎn)。

SGT 型MOSFET 功率器件是溝槽型MOSFET 的一種全新升級(jí)優(yōu)化結(jié)構(gòu)。SGT 型MOSFET 功率器件的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，在柵電極正下方增加了一塊與源電極相接的多晶硅——屏蔽電極或耦合電極。由于屏蔽電極與源電極相連，可以利用屏蔽柵極對(duì)外延漂移區(qū)進(jìn)行柵調(diào)制，提升了外延漂移區(qū)臨界電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度，降低了漂移區(qū)電阻率，使得器件的導(dǎo)通電阻減小，同時(shí)減小了米勒電容，使其具有了電荷耦合效應(yīng)，器件的開(kāi)關(guān)速度提高，開(kāi)關(guān)損耗能夠更低。通過(guò)改變外延電場(chǎng)的分布，使用摻雜濃度相同的外延片，SGT 型MOSFET 功率器件可以得到更高的擊穿場(chǎng)強(qiáng)來(lái)增加擊穿電壓。同時(shí)SGT 型MOSFET 功率器件擁有更深的溝槽深度，為有效吸收單脈沖雪崩能量提供了更多的芯片體積，所以SGT 型MOSFET 功率器件在雪崩耐量方面能力更強(qiáng)，它可以忍受更大的浪涌電流和更高的雪崩擊穿。在馬達(dá)控制、開(kāi)關(guān)電源、動(dòng)力電池等系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域中，在先進(jìn)封裝配合下的SGT 型MOSFET 功率器件極大地提高了系統(tǒng)的整體功率密度和效能[5]。

與溝槽型MOSFET 功率器件的工作原理相似，SGT 型MOSFET 導(dǎo)通時(shí)，柵源之間的電壓需要大于閾值電壓，此時(shí)柵氧化層下方的P-body 區(qū)出現(xiàn)表面反型，從而形成電子溝道層。漏源間一旦存在正向壓降差時(shí)，就會(huì)形成完整的導(dǎo)電通路。導(dǎo)電通路從源極N+區(qū)流出，經(jīng)過(guò)反型電子溝道層，進(jìn)入到漂移N-區(qū)，最終在襯底漏極N+區(qū)完成閉環(huán)。SGT 型MOSFET 關(guān)斷時(shí)條件則相反，柵源之間的電壓必須小于閾值電壓，反型層的電子溝道層消失，同時(shí)隨著漏源之間電壓的增加，在傳統(tǒng)溝槽型MOSFET 功率器件PN 結(jié)縱向垂直耗盡的基礎(chǔ)上，引入了橫向水平耗盡，SGT 型外延耐壓層電場(chǎng)分布如圖2 所示，使得器件耐壓電場(chǎng)分布由原來(lái)的三角形近似改變?yōu)榫匦?，提高了SGT 型MOSFET 功率器件的擊穿電壓[6-7]。

圖2 兩種MOSFET 外延耐壓層電場(chǎng)分布

3 總劑量效應(yīng)和實(shí)驗(yàn)

3.1 總劑量效應(yīng)

在范·艾倫輻射帶、銀河宇宙線、太陽(yáng)宇宙線及核武器爆炸時(shí)產(chǎn)生的粒子，如質(zhì)子、電子、α 粒子、β 粒子等重粒子及光子X(jué) 射線、γ 射線等都會(huì)形成輻射。輻射會(huì)使得器件中的某些關(guān)鍵性能發(fā)生退化或引起器件的永久性故障。這種由于累積導(dǎo)致器件功能出現(xiàn)退化失效的效應(yīng)稱之為總劑量效應(yīng)（TID）。

TID 引發(fā)電離輻射，電離后產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，總劑量輻射正柵壓電離過(guò)程如圖3 所示，輻射引起的電子被柵極正電壓引走，而輻射引起的空穴會(huì)被推向襯底。產(chǎn)生的空穴在SiO2中跳躍運(yùn)輸，且空穴運(yùn)輸過(guò)程是離散的，當(dāng)空穴到達(dá)界面處，一部分流入硅中，另一部分就會(huì)被陷阱俘獲。正是這部分被俘獲的空穴導(dǎo)致界面處凈正電荷增加，若不斷積累，會(huì)引起閾值電壓的漂移。通常這些空穴陷阱和硅缺陷與二氧化硅結(jié)構(gòu)中存在的氧空位相關(guān)，氧空位存在于Si/SiO2界面富硅的區(qū)域，在離界面附近50 ? 的位置。

圖3 總劑量輻射正柵壓電離過(guò)程

SGT 型MOSFET 功率器件在電離輻射后的閾值電壓漂移主要來(lái)自兩個(gè)方面的因素：一是高能射線或粒子輻射注入破壞了Si/SiO2界面處的Si—H 鍵，使得Si/SiO2界面處懸掛鍵增加，即增加了界面態(tài)密度數(shù)量；二是高能射線或粒子輻射激發(fā)出價(jià)帶中的電子-空穴對(duì)，在一定場(chǎng)強(qiáng)的作用下，電子會(huì)很快地掃出SiO2層，而空穴由于遷移率相對(duì)電子低太多，在遷移過(guò)程中遇到SiO2層中的深空穴陷阱就被俘獲，一旦被空穴俘獲就會(huì)留在Si/SiO2界面附近，帶固定正電荷。閾值電壓的漂移量ΔVTH表示為

其中，COX為柵氧處的電容值，ΔQit代表受高能射線或粒子輻射產(chǎn)生的界面態(tài)電荷，ΔQot代表高能射線或粒子輻射電離產(chǎn)生的單位面積內(nèi)的氧化層陷阱電荷。ΔVit和ΔVot是器件受高能射線或粒子輻射產(chǎn)生的界面態(tài)正電荷和俘獲空穴正電荷導(dǎo)致的閾值電壓漂移量[8-12]。

3.2 樣品及實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)采用30 V SGT 型工藝，設(shè)計(jì)了尺寸為1.8 mm×1.5 mm 的芯片版圖，30 V SGT 型器件縱向結(jié)構(gòu)如圖4 所示，器件柵氧厚度為450 ?，閾值電壓為1.5 V，導(dǎo)通電阻小于0.009 Ω。該30 V SGT 型器件采用N 型外延，外延材料片的厚度為6 μm，電阻率為0.12 Ω·cm，襯底電阻率為0.002 Ω·cm。在中科院上海應(yīng)用物理研究所對(duì)器件進(jìn)行60Co γ 射線總劑量輻射實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)方案如表1 所示，其中VG為柵端電壓，VD為漏端電壓。

表1 30 V SGT 型總劑量實(shí)驗(yàn)方案

圖4 30 V SGT 型器件縱向結(jié)構(gòu)

測(cè)試30 V SGT 型功率器件輻射前后的靜態(tài)參數(shù)和轉(zhuǎn)移特性曲線，測(cè)試的參數(shù)為閾值電壓VTH、導(dǎo)通電阻RDSON、擊穿電壓VBDS。30 V SGT 型功率器件測(cè)試條件設(shè)置如表2 所示，其中ID為漏源電流，VS為源端電壓。

表2 30 V SGT 型功率器件測(cè)試條件設(shè)置

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

對(duì)30 V SGT 型N-Channel 功率器件總劑量效應(yīng)的研究主要從器件VTH、RDSON及VBDS隨劑量增加的變化趨勢(shì)分析在總劑量作用下產(chǎn)生差異的機(jī)理。

30 V SGT 型功率器件在總劑量輻射后ON 態(tài)閾值漂移如圖5 所示，ON 態(tài)VG=10 V 偏置條件下伴隨總劑量注入劑量的不斷增加，30 V SGT 型功率器件VTH向負(fù)方向的漂移越來(lái)越大。

圖5 30 V SGT 型功率器件ON 態(tài)閾值漂移

在ON 態(tài)VG=10 V、總劑量50 krad (Si) 下，30 V SGT 型N-Channel 功率器件的ΔVTH為1.8～2.0 V，100 krad (Si) 時(shí)ΔVTH約為2.7～2.9 V，150 krad (Si)時(shí)ΔVTH約為3.3～3.5 V。未做抗輻射加固的30 V SGT 型商用N-Channel 功率器件隨著總劑量注量的增加，閾值電壓漂移量較相同柵氧厚度的抗輻射加固器件明顯偏大，采用抗輻射加固技術(shù)的ΔVTH控制在0.5 V 以內(nèi)。這主要是因?yàn)榭倓┝康碾婋x輻射注入到SiO2層后，高能粒子與晶格原子發(fā)生碰撞，并激發(fā)出電子-空穴對(duì)，但在ON 態(tài)偏置電場(chǎng)作用下，相對(duì)OFF 態(tài)偏置，電場(chǎng)直接作用在多晶下方的柵氧層上，電子會(huì)更容易被掃出SiO2介質(zhì)層，從而在SiO2層中形成深空穴陷阱，這些陷阱會(huì)很容易俘獲空穴，導(dǎo)致在Si/SiO2界面附近產(chǎn)生的固定正電荷數(shù)量更多，使得器件閾值電壓漂移量相對(duì)更大。

30 V SGT 型功率器件在OFF 態(tài)VD=24 V 的偏置條件下，總劑量輻射后30 V SGT 型功率器件OFF 態(tài)閾值漂移如圖6 所示。

圖6 30 V SGT 型功率器件OFF 態(tài)閾值漂移

在OFF 態(tài)VD=24 V、總劑量為50 krad(Si)時(shí)，30 V SGT 型N-Channel 功率器件OFF 態(tài)的ΔVTH為0.9～1.1 V，100 krad(Si)時(shí)ΔVTH為1.5～1.7 V，150 krad(Si)時(shí)ΔVTH為1.8～2.0 V。未做抗輻射加固的30 V SGT 型商用N-Channel 功率器件，在OFF 態(tài)下隨著總劑量注量的增加，閾值電壓漂移量也產(chǎn)生了很大變化。

通過(guò)ON 態(tài)和OFF 態(tài)的總劑量實(shí)驗(yàn)來(lái)看，未做抗輻射加固的30 V SGT 型商用N-Channel 功率器件在總劑量輻射環(huán)境下，閾值電壓漂移量均有很大幅度的增加。相比ON 態(tài)偏置，OFF 態(tài)偏置條件下30 V SGT型商用N-Channel 功率器件的閾值電壓漂移量和漏電級(jí)別都有所下降，這也可以看出，對(duì)30 V SGT 型商用N-Channel 功率器件來(lái)說(shuō)，ON 態(tài)偏置同樣是劣偏置。30 V SGT 型商用N-Channel 功率器件在兩種偏置條件下閾值電壓漂移量隨總劑量變化的關(guān)系如圖7 所示，器件閾值電壓漂移量在50 krad（Si）時(shí)急劇增加，ON 態(tài)偏置尤為明顯，隨著劑量的增加，增加趨勢(shì)慢慢變緩。

圖7 30 V SGT 型功率器件ON 態(tài)/OFF 態(tài)閾值電壓漂移

30 V SGT 型功率器件ON 態(tài)/OFF 態(tài)下的導(dǎo)通電阻如圖8（a）所示，未做抗輻射加固的30 V SGT 型商用N-Channel 功率器件的RDSON在ON 態(tài)和OFF 態(tài)兩種不同的偏置下，降低趨勢(shì)都較大，ON 態(tài)偏置較輻射前降低了約40%，OFF 態(tài)偏置較輻射前降低了約25%，導(dǎo)通電阻的下降量與總劑量強(qiáng)相關(guān)，輻射后無(wú)論是柵多晶區(qū)域還是源多晶區(qū)域，都會(huì)因?yàn)檠趸瘜又械目昭ㄏ葳咫姾蓪?dǎo)致溝道產(chǎn)生柵感應(yīng)電荷，從而使得溝道電阻降低；器件擊穿電壓擺幅在ON 態(tài)和OFF 態(tài)兩種不同的偏置下出現(xiàn)了兩種不同情況的變化，30 V SGT 型功率器件ON 態(tài)/OFF 態(tài)下的擊穿電壓如圖8（b）所示。剛開(kāi)始輻射時(shí)OFF 態(tài)偏置出現(xiàn)了擊穿電壓先增加后降低的現(xiàn)象，這可能是OFF 態(tài)偏置下總劑量輻射對(duì)元胞或終端起調(diào)制作用，導(dǎo)致局部的耗盡線先展寬，耐壓提升，然后耗盡線收窄，耐壓下降；ON 態(tài)偏置則是持續(xù)降低。

圖8 總劑量下30 V SGT 型功率器件的導(dǎo)通電阻與擊穿電壓

4 結(jié)論

本文研究了30 V 商用SGT 型N-Channel MOSFET 功率器件的總劑量輻射效應(yīng)，通過(guò)ON/OFF態(tài)兩種不同偏置下的總劑量實(shí)驗(yàn)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)未做加固設(shè)計(jì)的30 V 商用SGT 器件存在明顯的輻射效應(yīng)，器件主要參數(shù)都發(fā)生了明顯的退化甚至失效。隨著總劑量的增加，SGT 型功率器件特性在ON 態(tài)偏置下，閾值電壓、導(dǎo)通電阻和擊穿電壓都發(fā)生了大幅度降低，其中閾值電壓的變化量超過(guò)40%，擊穿電壓下降也達(dá)到30%，導(dǎo)致器件無(wú)法正常工作。在OFF 態(tài)偏置下，閾值電壓、導(dǎo)通電阻和擊穿電壓等主要參數(shù)的變化趨勢(shì)與ON 態(tài)偏置基本一致，均發(fā)生不同程度的下降，但不同之處有兩點(diǎn)：1）OFF 態(tài)下主要參數(shù)發(fā)生變化的幅度都收窄，下降的幅度相對(duì)??；2）OFF 態(tài)下?lián)舸╇妷撼霈F(xiàn)先增加后降低的現(xiàn)象，這與ON 態(tài)偏置下情況明顯不同?？倓┝枯椛銸N 態(tài)偏置主要對(duì)30 V SGT 型功率器件柵極處柵氧空穴陷阱電荷和界面缺陷電荷有明顯作用，導(dǎo)致閾值電壓的負(fù)向漂移、導(dǎo)通電阻減小和擊穿電壓降低；OFF 態(tài)偏置下除了對(duì)30 V SGT 型功率器件元胞的柵極處柵氧有影響外，對(duì)元胞的源區(qū)場(chǎng)氧和終端處場(chǎng)氧都有調(diào)制作用，從而引起局部場(chǎng)強(qiáng)改變，所以在OFF 態(tài)偏置低劑量條件下，擊穿電壓呈現(xiàn)出了先隨總劑量輻射增加后降低的現(xiàn)象。