VDMOS是功率电子系统的重要元器件.docx

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VDMOS是功率电子系统的重要元器件

VDMOS是功率电子系统的重要元器件

VDMOS是功率电子系统的重要元器件，它为电子设备提供所需形式的电源和为电机设备提供驱动。

在辐照环境中使用的VDMOS器件的电学参数会在受到辐照后发生变化，阻碍到其在整体电路中的应用，因此对其辐照效应及抗辐照技术的研究具有重要的意义。

本文研究了功率VDMOS器件的总剂量辐照理论，借助数值仿真软件深入分析了总剂量辐照对功率VDMOS器件性能的阻碍，以及VDMOS器件的总剂量辐照加固理论和方法，重点分析了薄栅氧化层技术，后栅氧化层技术。

基于上述研究设计了一套薄栅氧化层技术结合后栅氧化层技术的功率VDMOS器件总剂量辐照加固的工艺流程，并采纳该流程制造出了一种总剂量辐照加固的功率VDMOS器件。

关键词：

功率VDMOS器件，总剂量辐射，后栅氧技术

ABSTRACT

VDMOSisanimportantcomponentofpowerelectronicsystems,whichprovidethenecessaryformsofpowersourceforelectronicdevicesandpower-driverelectricalequipment.InRadiationenvironment,theelectricalparametersofVDMOSdevicesusedinthewillbechangedafterirradiation,whichaffecttheoverallcircuit,SotheresearchoftheVDMOSradiationhardenedtechnologiesisveryimportant.

ThetotaldoseradiationofpowerVDMOSdevicesareresearchedinthisthesis.AndIusenumericalsimulationsoftware-depthanalysisofthetotaldoseofirradiationontheperformanceofpowerVDMOSdevices,aswellasthetotaldoseofVDMOSdevicesreinforcementtheoryandmethodofirradiation,focusingonanalysisofthethingateoxidetechnology,afterthegateoxidetechnology.Basedontheaboveresearch,designasetofthingateoxidetechnologyafterthegateoxidetechnologypowerVDMOSdevicetotaldoseirradiationofthestrengtheningprocessandtheprocessusedtocreateatotaldoseofirradiationpowerVDMOSdevicesreinforcement.

Keywords:

powerVDMOSdevices,atotaldoseofradiation,〝lateandthingate〞technology

第1章引言

1.1课题研究价值与意义

随着航天技术、核能等高技术领域的迅速进展，越来越多的高性能商用半导体器件需要在核辐照环境中工作。

电力电子系统是空间电子系统和核电子系统的心脏，功率电子技术是所有电力电子系统的基础。

VDMOS是功率电子系统的重要元器件，它为电子设备提供所需形式的电源和为电机设备提供驱动。

几乎一切电子设备和电机设备都需用到功率VDMOS器件[1-4]。

VDMOS器件具有不能被横向导电器件所替代的优良性能，包括高耐压、低导通电阻、大功率、可靠性等。

随着航空航天技术和核技术的快速进展，如何提高功率电子的抗辐照能力具有至关重要的作用，功率辐照技术是航空航天及核领域应用研究的重点[5]。

直截了当选用高性能商用器件能够极大地降低系统的成本，但同时也需要担当一定的风险。

因为这类器件在设计的过程中，通常并没有考虑在核辐照环境中的工作问题。

例如：

空间辐照环境使得航天器中的电子系统在极端苛刻的环境中工作，辐照能加速电子系统和材料的老化，并导致电学性能的退化，也有可能在电子系统的某些部分产生瞬态现象。

这些损害可能只发生在个别地点，却能阻碍电路板，子系统，甚至整个系统的功能丧失。

此外，空间辐射环境中的高能质子、中子、α粒子、重离子等还会导致航天器电子系统中的半导体器件发生单粒子效应（SingleEventEffect），严峻阻碍航天器的可靠性和寿命[6-7]。

有运算说明，一般的VDMOS器件在近地球轨道上，最多可使用30～50年，而在远地球轨道上那么最多只有半年。

由些可见，对VDMOS辐照的总剂量〔氧化物被俘获的电荷〕辐射效应及抗辐照能力的研究将有助于提高电子元器件的质量和可靠性。

功率电子技术是所有电力电子系统的基础，功率半导体是进行功率处理的半导体，是功率电子技术的基础。

因此，需要进行功率VDMOS器件的抗辐照研究与设计。

1.2国内外研究现状

从1962年美国和前苏联在太平洋上空进行核爆炸试验致使当时一些卫星失效开始，人们逐步重视辐射环境下电子器件的行为并进了详细的研究。

本世纪六十年代，人们开始注意到低剂量率长时刻辐射对卫星上的器件有专门大阻碍。

到70年代人们有了一定的初步共识，认为当辐射射线能量大于二氧化硅能带的禁带宽度时就能够产生总剂量效应。

在辐射条件下射线的能量能够改变硅器件氧化层中的电荷，从而改变半导体器件表面的电场分布，改变MOS晶体管的开启电压，同时还能改变半导体和绝缘体界面电荷状态，使之能随半导体表面能带电势变化而充电或放电，同时它还会对沿表面运动的载流子产生散射作用，使载流子迁移率下降，使晶体管性能变差。

后来随着研究的深入，报道的数据越来越丰富，发觉总剂量辐射对各种条件的随机性专门大，尽管差不多研究了那么多年，却始终不能形成一个定量的精确的模型和理论。

大部分差不多上定性的趋向性的结论，同时这些结论还有一些特定的条件。

到目前为止总剂量辐射的理论差不多上依旧一种半体会的实验理论。

我国在20世纪60年代末，差不多开始对半导体材料及器件的辐射效应和辐射加固进行研究，80年代以来形成了一定的研究规模，近20年取得了丰硕的研究成果。

目前，我国在这一领域中差不多进入了更为深入，更为广泛的研究时期。

国内对抗辐照产品的研制比较晚，推出的电子元器件也专门有限，市场竞争能力较差，国内的抗辐照电子产品研制的工作要紧集中在信号处理的数字和模拟电路[8-9]。

如航天某研究所研制的抗辐照的数字门电路，中电某所研制的系列抗辐照的放大器等模拟集成电路。

国内研究单位在功率单芯片电路或者器件的研究相对少得多因此功率抗辐照VDMOS的设计技术、工艺技术还有待进一步提高。

关于辐照环境对功率VDMOS器件电学特性的阻碍，要紧的方法是采纳减薄栅氧化层厚度的方法来提高VDMOS器件的抗辐射能力。

然而薄栅氧化层的缺点在于对H＋在氧化层中的移动和H2通过氧化层扩散到Si/SiO2界面的抗击能力差，容易被击穿。

还有方法采纳Si3N4-SiO2双层栅介质层和自对准重掺杂浅结P+区的方法，来提高VDMOS器件的抗辐射能力，然而需要增加额外的Si3N4栅介质层工艺步骤。

法国、美国、比利时双极器件抗总剂量水平可达2×108rad（Si）,MOS也可达1×108rad（SiO2）。

国内有航天部771所，中国科学院新疆物理所，信息产业部电子24所在做那个工作，771所和新疆物理所加固水平在1×108rad（Si）左右。

电子24所加固水平在0.2-0.5rad（Si）左右。

研究功率VDMOS器件辐照效应的论文和成果专门多，从研究基点来看大致有以下几个方面：

辐照源〔单粒子、X射线、Y射线、质子、中子、电子等〕、剂量率、器件工艺、器件尺寸等；其研究内容来要紧是器件的电离损害效应和位移损害效应如界面态效应、氧化物陷阱电荷效应。

1.3本文要紧工作

本文的核心任务是针对DMOS的辐射效应，要紧为VDMOS的总剂量效应进行相关的理论学习与研究，以及针对一般栅结构VDMOS的辐射效应进行仿真分析，再对抗辐射加固VDMOS器件仿真及分析。

第二章是概论，要紧简单介绍了功率DMOS器件差不多结构，优良性能，要紧差不多参数及VDMOS工艺。

第三章辐射理论和辐射的差不多知识。

第四章是对一般硅栅DMOS辐射效应进行总剂量辐射情形仿真及分析，及加固了的器件进行仿真分析，再将二者进行比较。

第五章结合一般VDMOS器件的工艺流程和抗辐射加固的原那么，提出抗辐射VDMOS工艺流程。

最后在第六章中对本次毕设的工作进行总结。

第2章VDMOS器件差不多知识

2.1VDMOS器件差不多结构和优良性能

2.1.1VDMOS差不多结构

图2-1功率VDMOS示意图[10]

垂直导电双扩散〔VerticalDouble-diffusedMetalOxideSemiconductor〕。

VDMOS器件结构如图2-1所示，漏极布置到与源极、栅极相反的另一表面。

采纳多元胞并联以增大导通电流。

设置了高阻厚n－外延层（以n沟道器件说明，p沟道类似），引入体PN结提高击穿电压。

为幸免高电压下的表面击穿，又引入了场板、场限环等终端结构。

栅极为零偏压时无沟道形成，漏源之间的电压加在反偏PN结上，器件处于阻断状态。

当栅极电压超过阈值电压Vth时，pbase中形成沟道，器件处于导通状态。

2.1.2VDMOS器件的优良性能

功率MOS场效应晶体管是多子器件，不存在少子注入效应，在高频应用领域明显优于双极晶体管。

此外它与双极功率器件相比具有诸多优良性能，以下分别阐述[10-12]：

1．高输入阻抗、低驱动电流

VDMOS器件为电压操纵，具有专门高的输入阻抗，驱动电流在数百纳安数量级。

输出电流可达数十或数百安，直流电流放大系数高达108-109，VDMOS管的这一优点给电路设计带来极大的方便。

2．开关速度快、高频特性好

VDMOS管是靠多数载流子导电的多子器件，没有少子贮存延时效应，VDMOS的载流子是电场操纵的，开关时刻差不多上决定于寄生电容和寄生电感，不像双极型晶体管那样，存在着有源区少子的注入和抽取现象。

因此VDMOS管的开关速度远大于双极型管。

VDMOS管的载流子运动是快速的漂移运动，因而具有良好的高频特性。

3．负电流温度系数、热稳固性优良

VDMOS管的沟道电阻具有正的温度系数，器件电流具有负的温度系数，因而VDMOS器件具有良好的电流自动调剂能力，图2-2给出漏极电流Id与温度t的关系。

此外，该器件具有平均温度分布的能力，可不能形成局部热斑，因而能够幸免热电恶循环。

4．安全工作区域宽、有效幸免二次击穿

由于VDMOS器件电流的温度系数为负值〔图2-2〕，不存在局部热点和电流集中问题，只要合理设计器件，能够从全然上幸免二次击穿。

VDMOS管的安全工作区如图2-3所示，它比双极型管的宽。

图2-2电流负温度系数

图2-3VDMOS的安全工作区

5．高度线性的跨导，输出阻抗高放大失真小

功率VDMOS的I-V特性如图2-4所示，功率VDMOS的在饱和区，Id随Vg是线性增加的，这时跨导是常数。

这是因为，功率VDMOS的沟道专门短，极易发生漂移速度饱和，现在漏极电流就与沟道两端的压降无关，但仍与反型沟道中的电荷密度成正比，从而与（VGS-Vth）成正比。

图中还能够看出，功率VDMOS在饱和区输出特性曲线专门平，即输出阻抗专门高，远大于一样MOSFET。

这是因为对有源区起有效漏电压作用的VD’本身远小于漏电压VD，当VD变化时，由于P阱对电场有一定的屏蔽作用，P区的表面的边界上电位VD’变化甚小。

再者，这时沟道区电子本身速度是饱和的，随VD’的变化又极小。

因此，电流几乎与VD值无关，即沟道长度调制效应不明显。

图2-4功率VDMOS的I-V特性

2.2VDMOS器件差不多参数

2.2.1直流漏源导通电阻Ron

导通电阻决定了功率MOSFET的最大额定电流，是最重要的参数之一。

功率MOSFET由许多单元并联而成，由于导通电阻与面积成反比，因此本节讨论的均为单位面积的导通电阻。

直流漏源导通电阻Ron如图2-5所示由七个电阻成分组成，源区电阻Rsource，反型沟道区电阻Rch，栅漏积存区电阻Ra，结型场效应管夹断区电阻Rj，轻掺杂漏区电阻Rdrift、衬底电阻Rsub和接触电阻Rcontact〔图中未画出〕。

能够表示为：

（2-1）

图2-5VDMOS器件的导通电阻构成

源电阻Rsource为：

（2-2）

式中，

为单位面积的沟道宽度（cm/cm2），

为

源区的结深，

为沟道末端到源金属接触的距离。

沟道电阻Rch要紧由

，

，

决定。

我们可通过保持

减小

得到，这就要求高的元胞密度，同时小心操纵P-body和N+源极扩散的分布，防止reach-through击穿的发生。

（2-3）

积存层RA电阻,从沟道进入JFET区的电流散射要紧由积存层电阻所致，而积存层电阻受控于积存层内的电荷和其表面的自由载流子迁移率。

（2-4）

上式K是二维效应常数，表征从沟道经积存层进入JFET区的电流。

通常情形下K=0.6，LA是积存层长度。

JFET区RJ电阻是两相邻P-body间的漂移区电阻。

假如耗尽区垂直方向的压降效应被忽略，该电阻能较容易算出。

假设积存层的电流平均流进耗尽区，那么

（2-5）

上式中Wj为P-body的结深，Wd为器件工作时漂移区内的耗尽层宽度。

高压功率VDMOS器件的漂移区一样掺杂浓度较低来承担高压，因此其耗尽层宽度Wd专门大，导致RJ迅速升高。

该问题能够通过增加多晶栅宽度来解决，但同时导致元胞密度和耐压的降低。

因此，需要在电阻和耐压之间不断折中。

漂移区电阻RD在对漂移区电阻的分析中，有专门多模型。

在此假设从JFET区流进漂移区的电流分布如图4-9所示，梯形的高度

由多晶窗口宽度、P-body结深和耗尽层宽度决定。

（2-6）

（2-7）

因此，总漂移区电阻为：

。

图2-6DMOS器件漂移区电阻模型图

衬底电阻Rsub，关于高压功率VDMOS，衬底电阻能够忽略不计。

但关于耐压低于50V的低压功率VDMOS，衬底电阻是导通电阻中的重要部分，专门是当需要衬底足够厚以坚持晶圆的强度以满足器件制造要求的情形下。

得到：

（2-8）

接触电阻Rcontact，当源金属和源区的接触面积占整个元胞面积专门小一部分时，将有限接触电阻考虑进导通电阻是专门重要的。

而由于漏区金属覆盖了整个漏区，因此漏区接触电阻较小：

。

其中

（2-9）

（2-10）

当器件按比例缩小时，源接触电阻在导通电阻中占的比例将迅速上升，由此在高密度器件的制造中常用硅化物替代铝作源接触金属。

2.2.2漏源击穿电压BVDSS

漏源击穿电压BVDSS用来表征VDMOS的耐压极限，通常它指的是PN-主结的雪崩击穿电压。

当漏极电压使反偏PN-结耗尽区电场达到临界击穿电场时，或者当那个耗尽区的载流子获得能量足以引起电离时，就发生雪崩击穿。

它取决于N-区的特性和器件表面电场的分布及结终端形式。

但当沟道专门短时，有可能先发生沟道穿通，因此实际测量得到的击穿电压是沟道穿通电压和雪崩击穿电压中的较小者。

2.2.3阈值电压

1．阈值电压（开启电压）Vth

VDMOS的阈值电压VT定义为源接地（VS=0）,使P-body沟道区表面为反型时栅上所需加的电压。

实际测试中，常将漏栅短接后（VDS=VGS），漏电流等于250μA（IDS=250μA）时的栅源电压定为阈值电压VT。

与一般DMOS器件相同为：

（2-11）

其中，

是平带电压，

是表面势，

是沟道浓度。

一样认为，由于制造P型区域是靠通过掩膜的窗口扩散受主杂质而形成的，P区表面杂质浓度不平均，按阈值电压的定义，它应使表面反型沟道处处形成，故式中的

应取最大值

。

同理，

也应取

来运算

（2-12）

2.3辐射与辐射技术简介

抗辐射电子学是是指如何使电子学技术具有抗辐射能力的科学，即它是研究电子技术如何在辐射环境中生存和应用的一门科学。

电子技术的基础是建立在对电子运动的操纵上，因此它具有灵敏度高、速度快的特点，适于自动化操纵、实时快速测量和数据处理、远距离传输和传播等。

然而，正是由于电子技术的这些特点，它就易受辐射环境的阻碍，专门是半导体和微电子学器件最易受辐射环境的阻碍。

随着科学技术的进展，，专门是核武器，核动力和空间技术的进展，辐射环境和电子技术的关系愈来愈紧密。

因此人民必须研究辐射对电子元器件和电子系统的阻碍，以及如何使电子元器件和系统提高抗辐射的能力，这是抗辐射电子学迅速发掌的历史背景。

抗辐射电子学的研究内容要紧包括：

辐射对电子元器件及系统的阻碍，即辐射效应；辐射如何对电子元器件即系统产生阻碍，即损害机制；电子元器件及系统如何对抗辐射的阻碍，即辐射加固技术。

2.3.1辐照环境

电子系统〔元器件〕的辐照效应取决于所处的辐照环境，即辐照的种类、强度、能量、瞬变或连续时刻参数[13]。

本节从电子系统〔元器件〕受辐照阻碍的角度，对可能遇到的要紧辐照环境作扼要的介绍。

空间辐照环境。

空间辐照环境包括宇宙射线、太阳风、极光辐照和范·艾伦辐照带等。

宇宙射线：

来自宇宙空间的极高能量的粒子的辐照，大部分起源于银河系或其它星系，也有小部分来自太阳。

又分为初级宇宙射线、次级宇宙射线和太阳宇宙射线等。

随着高度从50km下降，宇宙射线的强度专门快上升，在20km处为峰值，之后，随着这些次级宇宙射线被空气吸取，强度专门快下降。

到了海平面，初级宇宙射线约占5%，次级宇宙射线硬性部分约占32%，软性部分约占63%。

宇宙射线还会受到地球磁场的阻碍，即东西效应，西方的强度稍大于东方。

太阳风：

由太阳发出的一股恒定的带电粒子〔质子和电子〕流。

极光辐照：

当宇宙射线中的带电粒子被地磁场俘获投向极区，还可来回反射几次，产生极光辐照。

范·艾伦辐照带：

是被地磁场所捕捉的带电粒子的辐照区域。

范·艾伦辐照带分为两个同心环的辐照粒子区，即内、外范·艾伦辐照带。

内带要紧由质子组成，位于600～8000km高度之间。

外带要紧由电子组成，位于4800～35000km的高度之间。

核爆炸的核辐照环境。

核爆炸能够由重核〔235U，239Pu〕的裂变反应或轻核〔D，T〕的聚变反应引起。

裂变反应是通过中子引发原子核使之发生裂变；聚变反应是通过两个较轻原子核合成一个较重原子核开释能量。

核爆炸的能量要紧以热辐照、瞬发核辐照和缓发核辐照方式开释，其典型能量分配如表2-1所示。

表2-1核爆炸的典型能量分配

热辐照

瞬发核辐照

缓发核辐照

X射线

紫外、红外可见光

中子

γ射线

裂变碎片动能

中子

γ射线

β射线

70%

5%

2%

0.2-1%

18%

约0%

约2%

约3%

核电磁脉冲环境。

核爆炸时不仅产生强大核辐照，而且相伴有强大的电磁辐照，即核电磁脉冲。

核电磁脉冲的强度十分大，覆盖的面积专门大，频谱专门宽，对电子系统、电力系统、通讯系统和操纵系统等会产生严峻的阻碍和破坏。

内电磁脉冲环境。

当γ射线穿入金属壳体内的腔体内会激发产生电磁场，称为内电磁脉冲。

系统电磁脉冲环境。

当γ射线和X射线直截了当作用于系统构件，会在系统构件的外表面或内表面打出康普敦电子或光电子，使构件的局部失去电荷，引起电荷的不平稳。

假如构件的表面是金属，那么电荷赶忙重新分布引起电流流淌，即产生所谓的置换电流，亦即表面电流，并发射电磁波，称此为系统电磁脉冲。

高功率微波。

它是靠定向的电磁辐射的作用人体，专门是对电子、电气系统和设施进行干扰、破坏，失之失效、瘫痪，因此高功率微波辐射相当于对军事和社会机体的〝神经毒气〞。

除上述辐照环境外，一些实验装置也存在不同程度的辐照环境。

最广泛应用的是加速器，反应堆也是最广泛应用的中子源。

除此之外，还有其他实验室强辐射源。

2.3.2辐射的要紧机制

各种辐射如何对电子元器件和系统造成损害的要紧机制有：

位移效应，电离效应和表面效应[13]。

位移效应这指的是辐射离子与晶体原子相互作用后，使原子获得足够能量离开晶格的原有位置。

多数半导体材料中晶格原子的位移阈值为10～25eV，能量大的辐射例子与晶格原子相互作用，专门容易使原子产生位移，形成缺陷。

这些缺陷如同复合中心一样，使基区少数载流子寿命减小，从而降低了晶体管的电流增益。

缺陷中心一样有六种作用：

1）复合，载流子的寿命取决于复合中心密度，辐射后，硅内部缺陷增多，复合中心增加，因而载流子寿命变小，对BJT的直截了当阻碍是电流增益变小。

2）Temporarytrapping〔临时俘获〕，辐射阻碍了电荷耦合器件的传输系数。

3）补偿作用〔载流子去除效应〕自由电子被辐射诱生受主中和，减少了平稳多子浓度，会阻碍所有依靠载流子浓度的器件。

4）产生电子空穴对，在耗尽层中该作用专门重要，要紧阻碍漏电流，在氧化层中的电子空穴对及界面态那么对MOS器件的阈值电压产生漂移作用。

5）隧穿效应，会造成器件电流在某些位置的增加。

6）产生散射中心，其要紧阻碍是使载流子迁移率下降。

高能中子、原子和电子均可产生位移效应，由它们引起的性能变化是类似的，但不同类型的辐射产生位移效应所经历的微观过程是不一样的。

电离辐射〔质子、电子、

射线〕要紧通过库伦散射吧能量交与原子，它所造成的位移缺陷是平均分步的点缺陷。

中子是不带电的，它要紧通过弹性碰撞来交付能量。

高能中子在半导体内引起的是缺陷群。

辐射引入的缺陷可与晶体内原有的杂质，氧空位作用，形成各类形式的缺陷复合体。

在一定的温度下，缺陷、缺陷群和缺陷复合体都不稳固，能够退火或自湮灭，或构成新形式的缺陷。

电离效应即电离辐射使半导体内产生过剩的电子－空穴对，因此使电导率改变，当辐射源去除后，电导率又复原至原值。

当加上电场时，这些过剩的电子和空穴分别趋向正极和负极，形成光电流。

电离效应是产生瞬时刻电流的要紧机制，这种光电流将造成扰动，阻碍电路正常工作。

表面效应即电离辐射在半导体表面的氧化层中产生电离，其结果是使氧化层中建立正电荷并引入界面态。

氧化层中由于辐射电离产生电子－空穴对，电子的迁移远大于空穴的迁移率，

图5-7导通电阻与P-body推阱时刻和外延电阻率的关系

依照仿真结果考虑仿真结果与工艺的相差结合此前仿确实击穿电压值后暂定选用P-body推阱时刻80分钟和外延层电阻率2.0Ω·cm。

通过仿真优化后最终得到的器件的电学参数值如表5-2所示：

表5-2优化后得到的VDMOS器件电学参数

击穿电压VBR

阈值电压VT

导通电阻Ron

141V

3.500V

0.035

5.3.2抗辐照参数仿真设计

依照抗γ总剂量辐照指标，仿真只能在理想情形下给出裸芯片的阈值电压在辐照后的漂移情形，第一利用公式运算出不同剂量率对应引入的正空间电荷和界面态数量，利用MEDICI中的interfaceq.insula语句来模拟VDMOS器件中产生的空间正电荷密度，用interfacep.accept来模拟器件中的Si/SiO2界面