樓建設(shè) 蔡 楠 王 佳 劉偉鑫 吾勤之

1 (上海航天技術(shù)研究院第八○八研究所 上海 201109)

2 (上海航天技術(shù)研究院 上海 201109)

VDMOSFET是垂直導(dǎo)電的雙擴散功率器件(Vertical Double-diffusion MOSFET)，具有高輸入阻抗、高開關(guān)速度、低導(dǎo)通電阻等優(yōu)點，是衛(wèi)星電源系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。研究表明[1–3]，空間環(huán)境中的重離子、質(zhì)子等會對VDMOSFET造成單粒子損傷，1994年升空的美國APEX衛(wèi)星搭載的VDMOSFET單粒子效應(yīng)測試儀，12個月監(jiān)測到208次單粒子燒毀(SEB, single event burnout)現(xiàn)象。VDMOSFET屬于MOS結(jié)構(gòu)器件，除單粒子效應(yīng)外，空間應(yīng)用時對電離總劑量效應(yīng)也較敏感，會使閾值電壓、漏電流等關(guān)鍵參數(shù)發(fā)生變化[4–6]。

隨著我國空間技術(shù)的快速發(fā)展，高軌長壽命GEO衛(wèi)星將大量采用100 V高壓母線的太陽能電池陣列。作為衛(wèi)星上常用的二次電源功率開關(guān)器件，VDMOSFET越來越多地應(yīng)用于衛(wèi)星電源系統(tǒng)上。而空間輻射效應(yīng)引起的VDMOSFET性能下降可能導(dǎo)致衛(wèi)星電源系統(tǒng)失效[7]，因此，需針對VDMOSFET開展單粒子效應(yīng)和電離總劑量效應(yīng)規(guī)律研究，探討輻射效應(yīng)模擬試驗方法，剔除低抗輻射能力產(chǎn)品，為衛(wèi)星的在軌可靠運行提供保證。

本文用252Cf源和60Co γ射線源對典型的VDMOSFET進行了單粒子效應(yīng)及電離總劑量效應(yīng)模擬試驗，分析VDMOSFET的單粒子效應(yīng)和電離總劑量效應(yīng)規(guī)律，這些試驗結(jié)果可以為建立VDMOSFET的空間輻射效應(yīng)模擬試驗方法提供數(shù)據(jù)支撐。

1 實驗方法

1.1 單粒子效應(yīng)模擬實驗

1.1.1 實驗樣品

國產(chǎn)VDMOSFET樣品為用抗輻射加固工藝研制的條形柵：ME062與ME081，縱向結(jié)構(gòu)見圖1[8]；美國IR公司生產(chǎn)的抗輻射VDMOSFET：2N6798、2N7219、2N7261。所有樣品的溝道類型均為N溝，參數(shù)特性列于表1。

圖1 國產(chǎn)條形柵VDMOSFET的縱向結(jié)構(gòu)圖[8]Fig.1 Vertical structure of the Chinese-made bar gate VDMOSFET[8].

1.1.2 實驗條件及程序

輻射源為中國航天科技集團公司第510研究所的252Cf源，其裂變碎片中95%的LET值為41–44 MeVmg?1·cm?2。

表1 單粒子效應(yīng)模擬實驗樣品的主要參數(shù)特性Table 1 Parameters of the VDMOSFET devices for single event effect test.

單粒子燒毀效應(yīng)測量方法：試驗器件置于真空室內(nèi)，在柵源電壓小于閾值電壓條件下進行輻照試驗(即器件不導(dǎo)通)，試驗過程中逐漸增大漏源電壓VDS，監(jiān)測漏極電流IDS，記錄發(fā)生單粒子燒毀現(xiàn)象時的漏源電壓臨界值VDS。

單粒子柵穿效應(yīng)(single event gate rupture, SEGR)測量方法：(1) 試驗器件置于真空室內(nèi)，首先在柵極電壓為0 V條件下進行輻照，逐漸增大漏源電壓VDS，監(jiān)測柵極泄漏電流IGS，若發(fā)生單粒子柵穿現(xiàn)象，記錄漏源電壓；(2) 更換器件，調(diào)整柵極電壓至下一個測量點，重復(fù)以上步驟，獲得不同柵極電壓下器件發(fā)生單粒子柵穿效應(yīng)的漏源電壓。

1.2 電離總劑量效應(yīng)模擬實驗

VDMOSFET電離總劑量效應(yīng)模擬實驗的樣品為ME081、ME062。輻射源為中國科學院新疆理化技術(shù)研究所的60Co γ源，輻照劑量率1.0 Gy(Si)/s。輻照偏置條件，ME081：(1) VGS=12 V、VDS=0 V，(2) VGS=0 V、VDS=80 V；ME062：(1) VGS=12 V、VDS=0 V；(2) VGS=0 V、VDS=160 V。測量參數(shù)為漏源擊穿電壓BVDSS等，參數(shù)測量方式為移位測量，輻照劑量累積至一定值時取下試樣，用HP4142B半導(dǎo)體參數(shù)測試儀測量電參數(shù)，每次測量在20 min內(nèi)完成。

2 實驗結(jié)果和討論

2.1 單粒子效應(yīng)模擬實驗[9,10]

252Cf源輻照下，ME062和 2N7219、2N6798發(fā)生SEB時漏源電壓的臨界值分別為165、177、170 V，表明ME062抗SEB能力與進口器件基本相當，三器件的漏源擊穿電壓額定值均為200 V。

圖2為2N6798和ME062芯片表面SEB部位的顯微圖像，芯片表面有明顯的小范圍燒焦區(qū)域，表明發(fā)生單粒子燒毀時，器件的漏源之間產(chǎn)生能量很大的電流脈沖，導(dǎo)致器件燒毀。

圖2 2N7268 和ME062 芯片表面單粒子燒毀部位顯微圖像Fig.2 Microscopic images of the burnt parts on chip surface of 2N7268 and ME062.

圖3給出0、–5、–10 V柵極電壓下ME081和2N7261的SEGR效應(yīng)的測量結(jié)果(器件的安全工作區(qū))，相同柵極電壓下，ME081發(fā)生單粒子柵穿效應(yīng)時的漏源電壓VDS大于2N7261的漏源電壓，表明ME081的抗SEGR效應(yīng)能力強于2N7261。

VDMOSFET的SEB與其內(nèi)部寄生的雙極晶體管(BJT)工作狀態(tài)密切相關(guān)。圖4(a)為VDMOSFET內(nèi)部寄生BJT的結(jié)構(gòu)示意圖，VDMOSFET的n+源區(qū)、溝道p區(qū)、n型外延層分別對應(yīng)寄生BJT的發(fā)射極、基極和集電極。

VDMOSFET正常工作時，寄生BJT關(guān)閉(源區(qū)、溝道p區(qū)共用金屬化電極，基極－發(fā)射極短路)。重離子入射VDMOSFET時，沿著入射徑跡產(chǎn)生大量電子空穴對，形成等離子體絲流。在漂移和擴散效應(yīng)作用下，等離子體絲流形成的瞬發(fā)電流在 pp+體硅片電阻上產(chǎn)生橫向壓降。橫向壓降達到0.7 V時，寄生BJT發(fā)射極導(dǎo)通，大量電子從n+源區(qū)注入溝道p區(qū)，寄生BJT開啟。若此時VDMOSFET漏源電壓達到寄生BJT的擊穿電壓，寄生BJT的集電極將發(fā)生雪崩效應(yīng)，形成正反饋，導(dǎo)致VDMOSFET漏源之間短路，最終造成n外延層與n+漏極襯底界面燒毀。

圖4(b)是VDMOSFET SEGR效應(yīng)示意圖。空間環(huán)境中的高能粒子穿透柵極射入 VDMOSFET時，沿入射徑跡產(chǎn)生大量電子空穴對。對于N溝器件，漏極為高電位，源區(qū)為低電位，在電場作用下，電子最終被漏極收集，空穴則漂移至柵極Si—SiO2界面處的局部區(qū)域產(chǎn)生積累，使柵介質(zhì)SiO2的電場瞬間增大，當該電場超過SiO2的臨界擊穿電場時，SiO2發(fā)生擊穿損傷，造成器件失效。

圖3 ME081和2N7261單粒子柵穿效應(yīng)測量結(jié)果Fig.3 SEGR results of ME081 and 2N7261.

圖4 VDMOSFET內(nèi)部寄生BJT結(jié)構(gòu)及SEB (a)和SEGR(b)效應(yīng)的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematics of the parasitic BJT structure in VDMOSFET and its SEB (a) and SEGR (b) effects.

2.2 電離總劑量效應(yīng)模擬實驗

圖5為不同輻照偏置條件下國產(chǎn) ME081、ME062的漏源擊穿電壓BVDSS(I-V特性曲線轉(zhuǎn)折處對應(yīng)的橫軸電壓)隨輻照劑量的變化情況，由圖可見：(1) 漏-源之間的電壓達到擊穿電壓后，器件漏源間的泄漏電流IDS陡增；(2) 隨著輻照劑量增加，兩種輻照偏置條件下試驗器件的漏源擊穿電壓BVDSS均逐漸減小，證明BVDSS對電離總劑量效應(yīng)比較敏感；(3) 兩種偏置條件下，ME081漏源擊穿電壓BVDSS的變化量均在10 V左右；(4) 對于ME062，偏置條件(VGS=0 V、VDS=160 V)下漏源擊穿電壓BVDSS的變化量明顯大于偏置(VGS=12 V、VDS=0 V)下BVDSS的變化量。

大量研究結(jié)果表明[5,11,12]，閾值電壓和漏電流是VDMOSFET的電離總劑量效應(yīng)敏感參數(shù)，柵-源之間施加正向偏壓是最劣輻照偏置。因此，進行VDMOSFET電離總劑量效應(yīng)模擬試驗時，通常重點考慮柵極正偏條件下上述兩個參數(shù)的變化情況。

根據(jù)空間電荷模型[13–16]，60Co γ射線在VDMOSFET表面SiO2層內(nèi)產(chǎn)生大量電子-空穴對。電子遷移率較高(T=300 K時，SiO2層中電子遷移率～2×103m2·V–1·s–1)，短時間內(nèi)即脫離SiO2層；空穴則緩慢地向Si-SiO2界面輸運(T=300 K時，SiO2層中空穴遷移率～2×10–9m2·V–1·s–1)。輸運過程中大部分空穴被 SiO2層中的陷阱俘獲形成氧化物陷阱電荷。這些正電性的氧化物陷阱電荷積累將會引起VDMOSFET的閾值電壓發(fā)生負向漂移，導(dǎo)致器件漏電流增大。

本試驗結(jié)果表明，VDMOSFET的漏源擊穿電壓BVDSS對電離總劑量效應(yīng)也較敏感。主要原因在于此類VDMOSFET屬于具有場限環(huán)結(jié)構(gòu)的高壓功率器件，輻照感生氧化物陷阱電荷會對此類結(jié)構(gòu)VDMOSFET的耐壓性能產(chǎn)生影響。

圖5 不同輻照偏置條件下ME081與ME062漏源擊穿電壓BVDSS隨輻照劑量情況Fig.5 BVDSS irradiated to different doses under different bias of ME081 and ME062.

場限環(huán)指VDMOSFET制作過程中，通過擴散形成pn結(jié)的同時，在pn結(jié)周圍通過同樣的擴散形成一個環(huán)，以降低pn結(jié)表面由于曲率效應(yīng)引起的高電場，從而提高pn結(jié)的擊穿電壓[17]。

圖6給出了典型的具有場限環(huán)結(jié)構(gòu)的VDMOSFET結(jié)構(gòu)圖，其中Main結(jié)為其的主pn結(jié)，Ring結(jié)為場限環(huán)pn結(jié)。當表面SiO2層內(nèi)未產(chǎn)生氧化物陷阱電荷積累時，場限環(huán)pn結(jié)附近Q點的電場為零。60Co γ射線照射時，在SiO2層內(nèi)產(chǎn)生大量氧化物陷阱電荷，正電性的氧化物陷阱電荷將在主pn結(jié)和場限環(huán)pn結(jié)上產(chǎn)生感應(yīng)電荷。根據(jù)場限環(huán)理論，這些感應(yīng)電荷在Q點產(chǎn)生的綜合電場也為零。因此，在場限環(huán)pn結(jié)附近應(yīng)存在感生正電荷，這些正電荷等效于P點的電荷；根據(jù)電荷守恒原則，在主pn結(jié)附近應(yīng)存在感應(yīng)負電荷，等效于在S點產(chǎn)生。這些感應(yīng)電荷使P點的電場強度增加，引起主pn結(jié)和場限環(huán)pn結(jié)間的電荷增加，最終導(dǎo)致主pn結(jié)的擊穿電壓(即為 VDMOSFET的漏源擊穿電壓BVDSS)隨著輻照劑量的增加而逐漸下降[17]。

圖6 典型的具有場限環(huán)結(jié)構(gòu)的VDMOSFET pn結(jié)示意圖Fig.6 Schematics of VDMOSFET pn junction with field limit ring structure.

3 結(jié)語

目前，衛(wèi)星用電子器件的空間輻照可靠性評估主要通過實驗室條件下的模擬試驗進行。不同的模擬試驗方法及評判標準會產(chǎn)生差異性較大的評估結(jié)果，若將抗輻射能力較低的器件用于衛(wèi)星上，對衛(wèi)星的可靠性會造成嚴重威脅。因此，準確模擬候選電子器件在空間輻射環(huán)境中的損傷行為，合理評估抗輻射能力，是保障衛(wèi)星在軌可靠運行的重要途徑。

本文通過測量252Cf源和60Co γ射線源輻照下典型 VDMOSFET漏源擊穿電壓等參數(shù)的變化情況，對VDMOSFET的單粒子效應(yīng)和電離總劑量效應(yīng)規(guī)律進行了研究。結(jié)果表明，VDMOSFET對單粒子燒毀和單粒子柵穿效應(yīng)較為敏感，空間應(yīng)用時需重點考慮其抗單粒子燒毀和抗單粒子柵穿能力；與閾值電壓一樣，漏源之間施加偏置下的擊穿電壓對電離總劑量效應(yīng)也較為敏感，考核 VDMOSFET的抗電離總劑量效應(yīng)能力時對閾值電壓和擊穿電壓等敏感參數(shù)均應(yīng)重點關(guān)注。

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