王珣陽，潘建華，陳萬軍（. 電子科技大學(xué)電子薄膜與集成器件國家重點實驗室，成都 60054；. 中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇 無錫4035）

IGBT單粒子燒毀效應(yīng)的二維仿真*

王珣陽1，潘建華2，陳萬軍1
（1. 電子科技大學(xué)電子薄膜與集成器件國家重點實驗室，成都 610054；2. 中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇 無錫214035）

摘 要：通過二維TCAD仿真，對IGBT的單粒子入射作用過程做了原理性的分析，據(jù)此在理論上將單粒子對器件的作用進行了分類。針對阻斷態(tài)、貫通燒毀的情況，給出了IGBT加固的一般思路，提出并仿真驗證了多種具體的加固方法，與文獻測試結(jié)果相符。

摘 要：IGBT；單粒子燒毀；二維仿真

1　前言

有自關(guān)斷能力的高壓半導(dǎo)體器件在宇宙射線下的失效于1994年被文獻[1]證實。這些失效主要發(fā)生在阻斷模式下，是由高能粒子引起的永久性燒毀。隨后，人們在功率MOSFET器件和IGBT器件領(lǐng)域進行了大量工作。前者的研究相對成熟，各種有效的加固措施被發(fā)現(xiàn)，可能的失效原理被提出，但最終失效機理仍然沒有定論[2]。后者的研究主要在國外，一般是通過實際測試得到對抗輻射有利的器件參數(shù)[3～5]，再用TCAD軟件仿真確認，由此推出失效機理和新的加固手段[6～8]，原理上的分析還不夠充分。本文直接通過二維仿真，根據(jù)器件狀態(tài)變化情況，從半導(dǎo)體物理和器件的角度，建立了造成失效的理論基礎(chǔ)，分析了各種措施有效的原因，可為IGBT抗單粒子輻射的進一步研究以及類似器件的研究工作提供依據(jù)。

2　單粒子效應(yīng)仿真

2.1仿真結(jié)構(gòu)及SEB表征方式

2.1.1基本結(jié)構(gòu)參數(shù)與模型

仿真所用IGBT耐壓約760 V，初始參數(shù)與連接方式如表1、圖1所示。柵極浮空，陽極加偏置電壓350 V；穩(wěn)定后，單束粒子從器件左端x=0處沿y軸方向垂直器件表面入射，在入射路徑10 μm內(nèi)產(chǎn)生高濃度等離子體。仿真涉及的模型包括：間接復(fù)合模型consrh、直接復(fù)合模型auger、禁帶變窄模型bgn、表面遷移率模型srfmob2、高場遷移率模型fldmob，以及大量瞬態(tài)載流子產(chǎn)生時必須考慮的載流子間遷移率散射模型ccsmob、碰撞電離模型impact.i。

表1 器件參數(shù)

圖1 器件結(jié)構(gòu)與連接示意圖

表2 入射粒子參數(shù)

2.1.2單粒子入射作用過程

高能粒子進入器件后，與半導(dǎo)體材料的原子發(fā)生相互作用，碰撞釋放的能量使入射路徑上的共價鍵電子從價帶躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生瞬時濃度很高的等離子體，最終粒子釋放完能量停留在半導(dǎo)體中或者穿透器件。忽略晶格損傷等效應(yīng)，粒子與半導(dǎo)體的作用實質(zhì)是在一定空間、時間內(nèi)引入了大量電荷。仿真時，入射參數(shù)可由Medici的Photogen語句定義，作用于連續(xù)性方程的載流子產(chǎn)生率項。語句中，產(chǎn)生率直接相關(guān)的量是對應(yīng)線性能量傳輸值LET，表示單位長度上產(chǎn)生的電荷量，是沿入射路徑的減函數(shù)。為便于研究電荷引起的狀態(tài)變化機理，近似認為LET值在整個路徑恒定，其他參數(shù)均取固定值，此時輻射電離的作用完全可由LET值大小來表征。詳細參數(shù)如表2所示。

產(chǎn)生的電子空穴數(shù)量相等，入射路徑內(nèi)的耗盡區(qū)瞬間充滿等離子體。同時，在N型耗盡區(qū)中正離子電場的作用下，等離子體正負電荷立即發(fā)生分離，電子開始向陽極側(cè)移動，空穴向柵極和陰極移動。分離的電子空穴對仍然具有高濃度，電子將與漂移區(qū)正離子發(fā)生相當(dāng)程度的碰撞電離，雖不至于雪崩，但增加了等離子體數(shù)量。

高濃度電子距離陽極約80 μm，即使以飽和速度107cm·s-1估計，也需要800 ps到達。這期間為維持高電壓，耗盡區(qū)將被擠向陽極。耗盡區(qū)下界和背面P+相接后，高濃度的載流子繼續(xù)壓縮耗盡區(qū)直到連通P+。實際仿真結(jié)果如圖2所示，（a）～（f）分別為不同時刻IGBT的狀態(tài)變化。碰撞電離最強的深色區(qū)域向下移動，說明電子不斷流向底部，同時將原本60 μm處的耗盡線擠向陽極P+。700 ps時，漂移區(qū)耗盡線完全消失，說明電子完全到達陽極，所用時間比預(yù)計的800 ps短，可能是背面P+空穴注入耗盡區(qū)起到了加速作用。向陰極分離的空穴，由耗盡區(qū)電場拉入Pwell，一部分通過Pwell/N+二極管，一部分通過Pwell直接流出。

2.1.3單粒子引發(fā)的失效分析

根據(jù)可能的故障情況，單粒子引起的器件失效（假定失效不發(fā)生在輻射電離過程中），理論上有五種方式。

其中四種失效方式發(fā)生在阻斷態(tài)：（1）空穴向柵聚集時期，柵氧化層電場不斷上升，可能大于柵氧本征擊穿電場，發(fā)生柵穿；（2）陰極電流抽取時期，此時耗盡線尚未抵達陽極，電荷分離伴隨的碰撞電離使抽取量小于產(chǎn)生量，陰極可能在電流增加中局部燒毀；（3）晶閘管通路形成后，可能發(fā)生閂鎖或發(fā)生從陰極到陽極的貫通燒毀；（4）含背面緩沖層的情況下，耗盡區(qū)轉(zhuǎn)移到緩沖層時，可能在漂移區(qū)/緩沖層高低結(jié)上產(chǎn)生高電場，引發(fā)動態(tài)雪崩，形成難以轉(zhuǎn)移的電流絲，出現(xiàn)背面局部燒毀。

第五種失效發(fā)生在導(dǎo)通態(tài)。單粒子入射產(chǎn)生瞬態(tài)電流，使正向電流增大，超出器件穩(wěn)定工作范圍。

由文獻[2]的測試結(jié)果，失效發(fā)生在阻斷模式下，器件的體區(qū)出現(xiàn)針眼大小的從陰極到陽極的融化通孔，即上文阻斷態(tài)的貫通燒毀。本文針對這種情況，從器件設(shè)計與應(yīng)用角度討論加固方法。

圖2 碰撞電離量與耗盡線隨時間的變化

入射后的器件狀態(tài)變化可被完全分為三種情況：

（1）入射粒子電離產(chǎn)生的等離子體不足，即使加上分離過程中的碰撞電離電荷，仍不足以使耗盡線到達陽極，產(chǎn)生的電子經(jīng)耗盡區(qū)被陽極抽走，耗盡區(qū)上方的空穴被陰極抽走。

（2）入射粒子電離出的等離子體足以使耗盡線到達陽極，此時器件內(nèi)部的電流有兩條支路，其一通過PNPN晶閘管，其二通過PNP三極管，但晶閘管支路電流小于晶閘管維持電流，產(chǎn)生的等離子仍然可以被電極完全抽取恢復(fù)阻斷態(tài)。

（3）在第二類中，PNPN晶閘管支路電流大于等于其維持電流，大電流將由正反饋保持。

陽極電流變化如圖3所示，LET值從小到大依次對應(yīng)上述三種情況，貫通燒毀發(fā)生在LET=0.02的電流急速上升階段。由于LET小于該值時不存在該上升階段，可將此LET值作為觸發(fā)燒毀的臨界值，在其他入射參數(shù)固定時，用LET臨界值表征器件抗單粒子燒毀能力。

圖3 輻射電離電荷量對陽極電流的影響

2.2抗單粒子燒毀的方法

增強器件的抗燒毀能力，實質(zhì)是要在電流自維持前，將電離載流子完全抽取。因此，可從減弱碰撞電離、增強復(fù)合、加大抽取量、提升寄生晶閘管維持電流四個角度考慮。具體措施往往涵蓋其中多個方面。

2.2.1陽極側(cè)增加N緩沖層或加大漂移區(qū)摻雜

電流要貫通器件，載流子必須先占據(jù)耗盡區(qū)。電荷分離初期，被占據(jù)的耗盡區(qū)可通過漂移區(qū)繼續(xù)耗盡補充，直到到達陽極沒有空間電荷補充才會漸漸消失。增加N緩沖層或加大漂移區(qū)摻雜，相同的耗盡區(qū)正電荷量在更窄的漂移區(qū)就能補充完畢，載流子占據(jù)耗盡區(qū)將需要更長的時間。晶閘管通路形成受到抑制，載流子復(fù)合量與陰極電流的抽取量也隨時間延長增大，漂移區(qū)上方電荷在這段時間分布也更加均勻，碰撞電離產(chǎn)生量隨之減弱。

仿真結(jié)果如圖4所示，臨界LET值隨Buffer和Drift摻雜濃度增大而上升，并且提升Buffer層濃度的效果更好，因為濃度越大抑制晶閘管通路形成的能力越強。

圖4 漂移區(qū)和緩沖層摻雜的影響

2.2.2提升晶閘管維持電流

耗盡區(qū)被完全占據(jù)后，自由載流子已基本分散到整個器件，碰撞電離較弱，晶閘管支路電流正反饋可能成為主要的電流增長動力。避免正反饋形成，即是要提高晶閘管的維持電流。

維持電流滿足，

其中，Vbi為N+/P結(jié)內(nèi)建電勢，ρSB為N+下P區(qū)方塊電阻，L為N+長度，Z為器件寬度，WB為N+下P區(qū)寬度。

仿真結(jié)果如圖5所示，Pwell摻雜濃度越高、Pdeep窗口越大，LET臨界值顯著提高，這是因為ρSB下降。Nplus摻雜濃度對LET臨界值幾乎沒有影響，這是因為它對上述關(guān)系式中的變量影響很小。Nplus窗口越小L越小，LET臨界值越大。

圖5 正面參數(shù)的影響

2.2.3降低外電壓或加大負載側(cè)電阻

減少凈產(chǎn)生量也可從電路使用角度實現(xiàn)。由于分離的負電荷與空間正電荷間的電場是碰撞電離的主要動力，若器件需承受的電壓越小，則空間電荷量越少，電場越小，碰撞電離量將降低。同時耗盡區(qū)到達陽極也需要更長時間，復(fù)合量和抽取量也會加大。降低器件承壓可以直接降低電源電壓，或者使用更大的串聯(lián)電阻分壓。仿真結(jié)果如圖6所示，降低陽極電壓、增大串聯(lián)電阻都能增大LET臨界值，提高IGBT抗單粒子燒毀的能力。

圖6 外電路參數(shù)影響

3　結(jié)果與討論

貫通燒毀首先要求器件內(nèi)存在貫通的傳導(dǎo)電流通路，其次還要存在電流維持機制。分離的電子到達陽極前，器件內(nèi)始終存在耗盡區(qū)，其內(nèi)傳導(dǎo)電流為零，貫通通路未形成。當(dāng)輻射產(chǎn)生的電荷量足夠時，該通路的形成是必然的，此時電流要維持必須靠內(nèi)部產(chǎn)生或者電極引入，內(nèi)部產(chǎn)生的來源在輻射后只有碰撞電離。在輻射電離完成后，由于電荷的分散，整個器件的碰撞電離率是單調(diào)減的，且未發(fā)生雪崩，維持電流的電荷來源只能是外電路，持續(xù)抽取外電路電荷的機制只有晶閘管通路的閂鎖。

增加緩沖層和加大漂移區(qū)濃度的方法，實際上是抑制晶閘管通路形成、減小通路形成后的電流。兩者一起使用即是非對稱結(jié)構(gòu)，這與文獻[9]的測試結(jié)果——PT型和FS型器件具有更好的抗輻射能力一致。但緩沖層濃度不宜過大，否則根據(jù)泊松方程，正負電荷界面處及其附近電場強度將會隨之上升，使碰撞電離量增加。另外也會降低器件關(guān)斷時抗動態(tài)雪崩的能力。

提升維持電流的各種方法，即是提高晶閘管閂鎖上限，與文獻[6]的結(jié)論一致。圖5中調(diào)節(jié)Pdeep摻雜濃度時，Pdeep窗口過小，對抗燒毀能力的影響極小，但一旦窗口大于10 μm，到達N+下方，抗燒毀能力將得到顯著提高。

減小器件承壓增強抗輻射能力的方法，與文獻[4～5]中SEB失效率隨端電壓上升的結(jié)果一致。但這將以增加系統(tǒng)的損耗為代價。

4　結(jié)論

本文從原理上將需要考慮的失效情況進行了完全的分類，說明了阻斷態(tài)下的IGBT的單粒子燒毀可能發(fā)生在陰極側(cè)、陽極側(cè)或者貫通陰陽極，與文獻[2, 8]的測試結(jié)果符合。指出了貫通燒毀和寄生晶閘管的重要關(guān)系，并針對這種情況仿真說明抑制晶閘管形成、提升晶閘管維持電流、降低器件承壓都是增強抗單粒子燒毀能力的有效方法。

研究時忽略了入射粒子的種類、沉積能量的大小和非均勻性，進一步工作中應(yīng)根據(jù)實際環(huán)境對入射參數(shù)具體設(shè)定，重新驗證結(jié)果。另外，只討論了阻斷態(tài)貫通型燒毀，對其他失效情況還需進一步研究。

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2D Simulation of Single Event Burnout in IGBT

WANG Xunyang1, PAN Jianhua2, CHEN Wanjun1
（1. State Key Laboratory of Electronic Thin Films and Integrated Device, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054, China; 2. China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute, Wuxi 214035, China）

Abstract:Through 2D TCAD simulation, the interaction process of single particle and IGBT is theoretically analyzed and the failure of IGBT is classified into several situations. In the case of “penetration burnout”during the forward blocking state, some common harden methods for SEB (single event burnout) are proposed theoretically and are verified by simulation, which coincide with the test results in existing literatures.

Key words:IGBT; single event burnout; 2D simulation

中圖分類號：TN386.2

文獻標識碼：A

文章編號：1681-1070（2015）05-0028-05

收稿日期：2015-03-09

*基金項目：國家自然科學(xué)基金（U1330114）

作者簡介：

王珣陽（1990—），男，四川鹽亭人，電子科技大學(xué)碩士研究生，研究方向為新型功率半導(dǎo)體器件與集成電路和系統(tǒng)。

給出了SRAM交流參數(shù)測試圖形向量優(yōu)化方法，目的是為了實現(xiàn)SRAM交流參數(shù)的測試。該方法供大家參考與開拓。

張 吉（1981—），男，四川資陽人，工程師，2004年畢業(yè)于成都信息工程學(xué)院光電技術(shù)系，主要從事元器件可靠性研究。