熊 燕 賴于樹
(重慶三峽學(xué)院物理與電子工程學(xué)院,重慶萬州 404100)
VDMOS(Vertical Double-diffused Metal Oxide Semiconductor)器件通過微電子工藝實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代應(yīng)用對(duì)電子設(shè)備使用過程中的高壓大電流的要求,其獨(dú)特的垂直導(dǎo)電溝道結(jié)構(gòu)使其具有承受電壓和電流能力強(qiáng)、輸入阻抗高、開關(guān)速度快、頻率特性穩(wěn)定等一系列優(yōu)點(diǎn),目前廣泛應(yīng)用在戰(zhàn)略武器技術(shù)、核技術(shù)以及空間技術(shù)中等功率器件領(lǐng)域.[1]基于此,構(gòu)成這些電子設(shè)備的VDOMS器件不可避免的要處于各種空間帶電粒子、射線以及核輻射等強(qiáng)輻射環(huán)境中.輻射粒子會(huì)與器件相互作用,導(dǎo)致VDMOS器件電學(xué)參數(shù)發(fā)生變化,如開啟電壓(VT)漂移、跨導(dǎo)(gm)退化、亞閾漏極電流(IDsub)增加、周期噪聲(1/f)增加、擊穿電壓(VBR)降低等等.[2]嚴(yán)重的時(shí)候會(huì)導(dǎo)致VDMOS器件功能失效,進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)電子設(shè)備不能正常工作.
因此,對(duì)于 VDMOS器件輻照效應(yīng)的研究以及如何提高其抗輻照能力具有至關(guān)重要的意義.本文從VDMOS結(jié)構(gòu)及工作原理出發(fā),分析了柵源電壓和輻照溫度對(duì)VDMOS器件總劑量輻照條件下閾值電壓漂移的影響.
圖1為功率VDMOS器件的縱向結(jié)構(gòu)剖面示意圖,集成VDMOS器件多個(gè)六角形元胞并聯(lián)組成,多晶硅網(wǎng)格結(jié)構(gòu)將各個(gè)元胞的柵極連到一起并埋在源金屬電極的下面,二者以SiO2層隔開,導(dǎo)通時(shí)電子流經(jīng)過表面有源區(qū)的導(dǎo)電溝道流到 區(qū),然后垂直向下流動(dòng).VDMOS工作時(shí)柵源電壓大于開啟電壓VT,半導(dǎo)體表面水平溝道會(huì)形成強(qiáng)反型層,也就是形成電子流動(dòng)的導(dǎo)電溝道,此時(shí)在漏源電壓VDS形成電場(chǎng)的作用下源區(qū)電子會(huì)以一定的速度漂移,經(jīng)過外延層直至襯底形成漏極電流ID,如圖1箭頭所示.如果加在VDMOS柵極和源極之間的電壓小于開啟電壓,則表面反型層無法形成,此時(shí)的漏源之間就是一個(gè)處于截止?fàn)顟B(tài)的PN結(jié),由于耗盡層的存在,漏源之間可以維持一個(gè)較高的阻斷電壓.
實(shí)驗(yàn)采用常規(guī)VDMOS器件,器件結(jié)構(gòu)如圖1所示,硅襯底材料為偏置電壓,實(shí)驗(yàn)采用P型輻溫度,實(shí)驗(yàn)采用N型,電阻率為2Ω?cm,采用2μm 的硅柵工藝制備,氧化溫度為 850℃,柵氧化層厚度為tox=70n m .溝道長(zhǎng)度為3μm .VDMOS器件總劑量輻照閾值電壓漂移實(shí)驗(yàn)通過60Co源進(jìn)行,它是穩(wěn)態(tài)輻射源產(chǎn)生射線有兩個(gè)能量.實(shí)驗(yàn)中使用的γ射線的劑量率為0.023gay(Si)/s,由LSC601型劑量計(jì)給出,輻照源為類點(diǎn)源,輻照總劑量的標(biāo)定采用劑量傳遞的方法,通過重鉻酸銀劑量計(jì)來進(jìn)行標(biāo)定.輻照實(shí)驗(yàn)通過改變偏置電壓和改變輻照溫度兩個(gè)方面來進(jìn)行.
圖1 VDMOS縱向結(jié)構(gòu)剖面及電流ID示意圖
大量研究表明,輻照對(duì)功率VDMOS的影響主要是產(chǎn)生氧化物陷阱電荷和界面態(tài)電荷.氧化物陷阱電荷通常由氧化物本身的缺陷所形成,一般來說它是屬于電中性的,但由于電子和空穴在SiO2絕緣層中的遷移率不同,空穴易于被深空穴陷阱俘獲而成為正空間電荷,其結(jié)果會(huì)使器件電容器的平帶電壓和閾值電壓向負(fù)方向移動(dòng);界面態(tài)位于 Si-SiO2交界處,它的產(chǎn)生不僅使器件閾值電壓改變,還會(huì)使泄漏電流快速增長(zhǎng)以及溝道區(qū)載流子的遷移率降低.綜合考慮二者,得到閾值電壓的變化可以表示為:[3]
式中,△Qot表示輻照在器件單位面積產(chǎn)生的正空間電荷,△Qit表示輻照產(chǎn)生的界面態(tài)電荷,△Qot是輻照后正空間電荷引起的閾值電壓變化,△Qit是輻照后界面態(tài)電荷引起的閾值電壓的變化.
圖2是單極型場(chǎng)效應(yīng)晶體管在典型的實(shí)驗(yàn)輻照源情況下的閾值電壓隨總劑量輻照漂移曲線,由該圖可以看出閾值電壓漂移和輻照總劑量的函數(shù)關(guān)系是:P型MOS管總劑量增加,閾值電壓?jiǎn)握{(diào)降低;對(duì)于N型MOS管的閾值電壓,在總劑量偏小時(shí)總劑量增加閾值電壓會(huì)減小,而當(dāng)總劑量增加到一定值后,總劑量增加閾值電壓也會(huì)增加.
圖2 VDMOS閾值電壓與輻照總劑量的關(guān)系
VDMOS受到輻照時(shí)柵源電壓起著分離和加速感生電子空穴對(duì)的作用,在電場(chǎng)作用下,電子和空穴運(yùn)動(dòng)方向相反,柵壓為正時(shí),電子快速漂向柵極;空穴緩慢漂向 SiO2/Si界面并在通過陷阱區(qū)時(shí)被陷阱俘獲從而建立起正氧化層空間電荷.利用半帶電壓法[4]將輻照引起的閾值電壓的漂移量△Vth分為△Voh和△Vih兩部分,從對(duì)PVDMOS器件進(jìn)行不同偏置情況下總劑量輻照效應(yīng)閾值電壓影響的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線如圖3、4、5所示.
圖3 PVDMOS管不同偏置電壓△Vth與輻照總劑量關(guān)系
圖4 PVDMOS不同偏置電壓△Vit與輻照總劑量的關(guān)系
圖5 PVDMOS不同偏置電壓△Vot與輻照總劑量的關(guān)系
由圖3可知,在劑量率為0.023Gy(Si)/s輻照條件下,隨著偏置電壓Vg和輻照總劑量的增大,器件閾值電壓的漂移與其同相變化.通過用平帶電壓法分離不同電場(chǎng)強(qiáng)度條件下輻照引起閾值電壓漂移△Vot、△Vit得到圖4和5,由圖可知界面態(tài)陷阱電荷對(duì)閾值電壓漂移的影響是負(fù)相的,而氧化陷阱電荷引起的閾值電壓的漂移變化則比較復(fù)雜:當(dāng)偏置電壓較低時(shí)由于電場(chǎng)強(qiáng)度原因,電子空穴對(duì)的分離不充分并且復(fù)合較為嚴(yán)重,建立氧化物電荷密度較小,當(dāng)偏置電壓達(dá)到一定值時(shí),此時(shí)電場(chǎng)度增強(qiáng)導(dǎo)致電子空穴對(duì)復(fù)合變?nèi)醵蛛x增強(qiáng),故△Vit隨著之同相增大;當(dāng)偏置增大到一定數(shù)值時(shí),由于陷阱的空穴俘獲面積減小等原因,會(huì)在界面附近緊靠陷阱區(qū)域中形成一個(gè)無氧化電荷區(qū)域,所以加?xùn)艍盒〉钠骷鱒ot會(huì)隨著總劑量的增加而增大,此時(shí)偏置大的器件△Vot已趨于飽和.
該實(shí)驗(yàn)表明,對(duì)于低劑量率的總劑量輻照效應(yīng),偏置對(duì)其閾值電壓漂移的影響主要決定了輻照過程中電子空穴對(duì)的產(chǎn)生、分離和復(fù)合的速度以及空間正電荷的運(yùn)動(dòng)速度,而偏置電壓不同對(duì)輻照效應(yīng)的影響還要受器件界面態(tài)建立速度的制約.閾值電壓移動(dòng)會(huì)隨外加?xùn)艠O電壓值同相變化,而且正柵壓下的移動(dòng)會(huì)大于負(fù)柵壓下的移動(dòng),因?yàn)榫o靠Si-SiO2界面所形成的正空間電荷層對(duì)表面能帶彎曲所產(chǎn)生的影響,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于柵極附近形成的空間正電荷層時(shí)所產(chǎn)生影響.因此,氧化物電荷與輻照正柵極電壓的關(guān)系有可分為:增長(zhǎng)區(qū)、飽和區(qū)和一個(gè)下降區(qū).經(jīng)過輻照后,在外加?xùn)艠O電壓作用下,測(cè)量閾值電壓或平帶產(chǎn)生的移動(dòng)在室溫下恒定不變.
3.2輻照溫度對(duì)閾值電壓漂移的影響
前面討論了偏置對(duì)VDMOS器件總劑量輻照閾值電壓漂移的影響,這些分析都是基于室溫情況下得來的規(guī)律.以N溝道MOS的閾值電壓為例有:
大量參考文獻(xiàn)表明,在很寬的溫度范圍內(nèi),QOX和φMS幾乎與溫度沒有關(guān)系,因此(2)式中與溫度密切相關(guān)的只有襯底的費(fèi)米勢(shì)φFP,將VT對(duì)溫度T取導(dǎo)數(shù)得:
其中,φFP對(duì)T的導(dǎo)數(shù)為:
將(4)代入(3)得到
式5中NC、NV、EG與溫度關(guān)系不大.因此,在考慮輻射對(duì)VDMOS器件閾值電壓漂移影響時(shí),輻照溫度是必須要考慮的問題之一.諸多實(shí)驗(yàn)表明,高溫輻照規(guī)律與室溫輻照大致相同,而低溫輻照條件下由于氧化層電荷的面寬度比室溫下大得多,并且?guī)缀跗骄植荚谡麄€(gè)SiO2絕緣層內(nèi),因此其閾值電壓漂移與室溫不同.筆者選用了常用的N溝道功率VDMOS集成電路進(jìn)行輻照溫度對(duì)閾值電壓漂移影響的實(shí)驗(yàn),同時(shí),得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線如圖6、7、8所示:
圖6 NVDMOS不同溫度下△Vth與輻照總劑量的關(guān)系
圖7 NVDMOS不同溫度下ΔVit與輻照總劑量的關(guān)系
圖6是不同溫度輻照下△Vth的總劑量關(guān)系(實(shí)驗(yàn)取了兩個(gè)溫度-30度和27度),圖7和圖8是不同輻照溫度條件下,△Vot、△Vit與總劑量的關(guān)系.
圖8 NVDMOS不同溫度下△Vot與輻照總劑量的關(guān)系
由圖7和圖8可知,當(dāng)輻照溫度降低時(shí),器件界面態(tài)的陷阱電荷引起的閾值電壓漂移量同相降低,而氧化物陷阱電荷引起的量卻增加.基于以上實(shí)驗(yàn)分析,我們得到結(jié)論,溫度對(duì)半導(dǎo)體器件輻照引起閾值電壓漂移量△Vth,主要是溫度的高低決定了界面態(tài)建立速度的快慢,主要是由于溫度不高時(shí),SiO2中的輻射感生的非平衡的空穴是固定不動(dòng)的,隨著溫度的升高,因而界面態(tài)建立的速度變快,需要時(shí)間變短.
本文對(duì)常規(guī)硅柵功率VDMOS器件進(jìn)行了不同偏置電壓和不同輻照溫度的總劑量輻照效應(yīng)實(shí)驗(yàn),對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行了閾值電壓漂移的測(cè)量,并對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行了討論,得到實(shí)驗(yàn)結(jié)論如下:對(duì)于低劑量率的總劑量輻照效應(yīng),偏置不同對(duì)輻照效應(yīng)的影響還要受器件界面態(tài)建立速度的影響,閾值電壓的漂移與外加?xùn)艠O電壓值同相變化,而且正柵壓下漂移大于負(fù)柵壓;而總劑量輻照時(shí)溫度降低會(huì)導(dǎo)致器件界面態(tài)形成速度趨緩,故低溫輻照使得閾值電壓漂移更加嚴(yán)重.
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