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

摘要

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，影响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器件性能的影响，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，并采用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发展，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发展，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]。

直接选用高性能商用器件可以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。

这些损伤可能只发生在个别地方，却能影响电路板，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），严重影响航天器的可靠性和寿命[6-7]。

有计算表明，普通的VDMOS器件在近地球轨道上，最多可使用30～50年，而在远地球轨道上则最多只有半年。

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，人们逐渐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间辐射对卫星上的器件有很大影响。

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可以产生总剂量效应。

在辐射条件下射线的能量可以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，并且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，发现总剂量辐射对各种条件的随机性很大，尽管已经研究了那么多年，却始终不能形成一个定量的精确的模型和理论。

大部分都是定性的趋向性的结论，并且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基本上还是一种半经验的实验理论。

我国在20世纪60年代末，已经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，我国在这一领域中已经进入了更为深入，更为广泛的研究阶段。

国内对抗辐照产品的研制比较晚，推出的电子元器件也很有限，市场竞争能力较差，国内的抗辐照电子产品研制的工作主要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器件电学特性的影响，主要的方法是采用减薄栅氧化层厚度的办法来提高VDMOS器件的抗辐射能力。

但是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界面的抵抗能力差，容易被击穿。

还有方法采用Si3N4-SiO2双层栅介质层和自对准重掺杂浅结P+区的办法，来提高VDMOS器件的抗辐射能力，但是需要增加额外的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所在做这个工作，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很多，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；其研究内容来主要是器件的电离损伤效应和位移损伤效应如界面态效应、氧化物陷阱电荷效应。

1.3本文主要工作

本文的核心任务是针对DMOS的辐射效应，主要为VDMOS的总剂量效应进行相关的理论学习与研究，以及针对普通栅结构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，主要简单介绍了功率DMOS器件基本结构，优良性能，主要基本参数及VDMOS工艺。

第三章辐射理论和辐射的基本知识。

第四章是对普通硅栅DMOS辐射效应进行总剂量辐射情况仿真及分析，及加固了的器件进行仿真分析，再将二者进行比较。

第五章结合普通VDMOS器件的工艺流程和抗辐射加固的原则，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器件基本知识

2.1VDMOS器件基本结构和优良性能

2.1.1VDMOS基本结构

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。

采用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。

为避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器件为电压控制，具有很高的输入阻抗，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的载流子是电场控制的，开关时间基本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。

所以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、热稳定性优良

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节能力，图2-2给出漏极电流Id与温度t的关系。

此外，该器件具有均匀温度分布的能力，不会形成局部热斑，因而可以避免热电恶循环。

4．安全工作区域宽、有效避免二次击穿

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，可以从根本上避免二次击穿。

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的沟道很短，极易发生漂移速度饱和，此时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。

图中还可以看出，功率VDMOS在饱和区输出特性曲线很平，即输出阻抗很高，远大