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.

1 器件結(jié)構(gòu)及工作原理

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.

2 實(shí)驗(yàn)方案

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

3 VDMOS器件總劑量輻照閾值電壓影響因素分析

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

3.1 柵源電壓對(duì)閾值電壓漂移的影響

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.

4 結(jié) 論

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.

[1]Taylor.Power MOSFET Design[M].New York：John Wiley & Sons，1993，1-15.

[2]LHOY H,KIM K Y Radiation effects on the power MOSFET for space applications[J].ETRI Journal, 2005，27(4):449-452.

[3]李澤宏，張磊，譚開洲.總劑量輻照加固的功率VDMOS器件[J].電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2008（7）：621-623.

[4]J.W.Schrankler， R.K. Reich，M.S.Holt，D.H.Ju，J.S.T.Huang and G. D.Kirchner CMOS scaling implications for total dose radiation[J].IEEE Trans.Nucl.Sci.，1985，32：3988.