沟槽型VDMOS 的重离子辐射失效研究

廖聪湘，徐海铭

（中国电子科技集团公司第五十八研究所，江苏无锡 214072）

1 引言

太空环境十分复杂，包括高能中子、电子、重粒子等。重粒子可以引起瞬态、高密度的电荷，触发器件毁灭性失效和总剂量退化。粒子有较多种类和浓度，粒子运动的角度也会对器件产生不同影响，因此对器件进行辐射加固是十分困难和必要的。

1980 年以来，功率垂直双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管（VDMOS）主要衍生为平面型VDMOS和沟槽型VDMOS，VDMOS 在功率器件市场中占有重要地位，被广泛应用于DC-DC 转换、低压控制器等，在星载电力系统中也应用广泛。太空环境中至少存在两种重粒子作用下毁灭性的失效模式，即单粒子烧毁（SEB）和单粒子栅穿（SEGR），在功率VDMOS 抗单粒子领域中，已有一些对平面型VDMOS 结构的研究，但对沟槽型VDMOS 结构的研究较少。本文通过引入外延缓变层提高沟槽型VDMOS 器件的二次击穿特性，有效改善了器件的抗单粒子性能。

2 VDMOS 器件的单粒子效应及损伤模型

单粒子效应（SEE）一般来说是单个能量粒子射入半导体器件的敏感区域，引起电子元器件产生扰动甚至失效的现象。单粒子事件主要由3 个不同方面的粒子源造成：地球辐射带、太阳和银河系中射线、次级类辐射粒子（外太空射线和地球外围层流之间相互作用引发的）。SEE 可以分为破坏性单粒子事件和非破坏性单粒子事件，其中破坏性单粒子事件也称为硬错误事件，如SEB、SEGR、单粒子锁定（SEL）等。功率VDMOS 器件自第一次侦测到SEE 到现在，普遍认可的单粒子事件主要包括SEGR 和SEB。非破坏性单粒子事件称为软错误事件，如逻辑或存储电路的单粒子扰动（SED）、单粒子瞬变（SET）、单粒子翻转（SEU）等。

当宇宙射线（主要是质子、高能粒子等）辐射VDMOS 器件时，单粒子辐射导致VDMOS 器件工作性能发生部分或者全部变化的过程大致可分为3 个阶段：能量沉积、原子电离和电荷积累。当宇宙中各类重粒子入射VDMOS 器件时，重粒子会把能量传递给其入射轨迹经过的材料原子身上，与其碰撞后发生电离，从而产生大量的电子-空穴对，在外加电压情况下建立形成的电场使得新产生的电子-空穴对出现反向迁移运动。这种迁移运动会对器件产生两方面的影响：其一，因器件结构中存在PN 结势垒和绝缘SiO2介质层，在电场作用下使单粒子入射碰撞产生的空穴和电子在Si/SiO2界面处大量聚集，从而在SiO2中新生出一个额外的瞬态电场，绝缘SiO2介质层中瞬态电场和已有稳态电场在叠加后大于绝缘SiO2介质层的本征击穿时，就会把介质层SiO2击穿，导致器件功能衰减或者直接失效；其二，新产生的电子-空穴的反向迁移运动会引起半导体材料内部部分电势存在较大差异，电势差造成器件寄生的三极管结构触发，并且一般会形成正反馈，导致VDMOS 器件出现大电流或者通路发生故障，从而改变VDMOS 器件的状态。

一般情况下会把入射单粒子与原子的电离碰撞等同为离散事件，在穿过材料时，除碰撞原子核和原子核相互碰撞外，都可能因为电子激发、电离和辐射的原因导致能量损失。单位行程内的能量损失是原子或离子入射到材料晶格内能量减少的微分，根据微分的定义，∂E=-dE/dx，其中“-”表示入射的重粒子发生能量减少；或者由单位体积内的原子阻止本领S 与原子数密度N 的乘积表示。S 代表单位能量E 与距离r平方的乘积，（-dE/dx）n,e,r分别代表因弹性碰撞、电子激发和辐射电离减少的能量。由此，损失的总能量可以近似用式（1）来表示：

重粒子穿过半导体器件的轨迹可以用一个柱形结构来描述，图1 展示了一个较为简单的重粒子入射VDMOS 器件模型。其中柱体中圆环的内半径b1用来表示重粒子入射时影响到的材料晶格区域，δx 表示重粒子的入射射程，入射的重粒子把能量传递给Nδx2πb1db 个原子，但每个原子接收到的能量差异可以用T（Ei, b）表示。

图1 简易重粒子入射半导体材料模型

对圆柱体内碰撞晶格原子接收到的能量逐个进行积分计算，就可以计算出重粒子损失的全部能量：

3 沟槽型VDMOS 器件的单粒子机理

在沟槽型VDMOS 功率器件单粒子试验过程中，SEB 现象很容易观察到，在单粒子轰击下，漏端电流会突然增加，达到限流水平，但栅端漏电流保持在原始水平。另一个更为形象的观察是在Ta 粒子轰击下发生SEB 现象，其烧毁区域在有源区，Si 呈明显的熔融状态；SEGR 会在单粒子作用下栅端电流达到限流水平，虽可以通过样品分析确定失效位置，但并不能发现形貌上的差异。

图2 是具有60 V 击穿电压和3 V 阈值的沟槽型VDMOS 发生SEB 后，进行聚焦离子束（FIB）分析看到的烧毁现象，对其进行单粒子仿真研究，这些仿真都假定单粒子垂直入射到芯片。图3 是SEB 效应仿真对比结果，在VDS=60 V 时，单粒子通过多晶栅后漏端漏电流直线上升，发生SEB 效应；当降到VDS=50 V 时，漏端漏电流在单粒子通过时逐渐降低，说明沟槽型VDMOS 功能正常。ELT表示单粒子的线性能量传输值。

图2 沟槽型VDMOS Ta 粒子下发生SEB

图3 SEB 效应仿真对比结果

SEB 效应是在沟槽型VDMOS 器件中的寄生BJT 结构产生的，当漏端在高压偏置下，单粒子穿过MOSFET 器件时SEB 效应就会被触发。瞬间产生的大电流在BJT 结构中流过时产生正反馈机制，基区电流增加到二次击穿点，在低压大电流作用下沟槽型VDMOS 就会被烧毁。单粒子烧毁触发了OFF 状态下的一种失效模式，其基本机理就是入射的单粒子在外延层中产生了大量的电子-空穴对，正电荷在电场作用下向基区，也就是P-Well 位置集中，由于空穴由P 区进入N 区要越过PN 结内建电势，空穴横向移动从源极流出，P 区的空穴横向移动使得P 区与N+源区形成电势差，使得PN 结正偏，导致寄生BJT 开启，并发生了雪崩击穿效应，最终导致器件烧毁。SEB 一般只发生在N 沟道MOSFET，还未有P 沟道MOSFET 发生SEB的报道，可能的原因是P 沟道空穴受辐照影响比较小。

SEGR 效应是由栅氧化层发生击穿导致的，在一定电压偏置条件下，单粒子轰击时，衬底与SiO2界面处累积电荷，栅氧两端电场场强增加，电场增加达到了介质层临界场强（大概在6 MV/cm），电流从几纳安瞬间增加到几毫安，导致栅氧介质击穿。SEGR 是一种破坏性的效应，只要栅两端的电压达到SEGR 阈值，该效应瞬间发生，因为峰值电场发生在皮秒内。

研究发现栅氧介质发生SEGR 时临界场强与厚度相关，可以运用Wroble 经验模型来阐释ELT。2D 仿真常常对单粒子轰击和一定偏置、厚度栅氧下的峰值电场进行验证。60 V 沟槽型VDMOS 在不同源漏电压下有不同的SEGR 和SEB 能力，从图4 中可以发现SEGR 随着ELT的增加而降低。

图4 60 V 沟槽型VDMOS SEGR 和SEB 能力

在平面型VDMOS 器件中，实际烧毁的栅氧位置接近于单粒子经过产生尖峰电场的位置，但在沟槽型VDMOS 器件里，重粒子垂直入射芯片经过多晶和栅氧到槽底部，这时产生的电荷累积在槽底部。相较于SEB 失效，SEGR 最恶劣的情况或许不是粒子垂直入射芯片表面而是接近平行于芯片表面的角度时发生的。

图5 为功率沟槽型VDMOS 器件入射重粒子的过程。通常情况下，重粒子沿沟槽型VDMOS 的颈区入射后，在入射径迹周围会发生碰撞电离，从而产生大量电子-空穴对，电子被漏端电场扫出，部分空穴会在沟槽型槽底部累积，导致SEGR 效应发生，部分空穴通过源接触端被扫出，当电流持续流过基区，触发寄生三极管，从而使得SEB 效应出现。

图5 功率沟槽型VDMOS 器件的SEB 效应

4 沟槽型VDMOS 器件的单粒子效应改善

对SEB 现象进行了加固设计和仿真，在VDMOS器件工艺制造过程中使用增加外延掺杂缓变技术的外延硅片在衬底与外延层之间增加了一个缓冲层，同时增大了P+区，能有效降低SEB 发生时芯片受损的程度。这种加固技术与平面型VDMOS 相似，但采用加固结构的功率器件相比未加固结构在仿真上有明显差异。

外延掺杂缓变技术指在衬底材料上进行外延层生长，从衬底开始到外延层材料的顶部杂质浓度降低，电阻率逐渐变大。对均匀掺杂电阻率外延层的材料和缓变掺杂电阻率外延层的材料分别进行了20 V沟槽型功率器件工艺仿真和二次击穿特性仿真，得到如图6 所示的二次击穿特性仿真曲线，并完成器件的工艺集成流程制作，加固后的器件因为增加了缓变层，比导通电阻增加15%，单位二次击穿仿真位置从10V 提升到了28V，该加固使得单粒子性能有明显提升，沟槽型雪崩耐量也有明显提高；对20 V 沟槽型器件在兰州进行Ta 粒子单粒子试验验证，标定出的Ta 粒子采用垂直入射方式，粒子入射面积为2.5 cm2，对2 只器件进行了摸底实验，其ELT值为75.4 MeV·cm2·mg-1、能量为2005.5 MeV、射程为116.6 μm，最终注入剂量为3×106个粒子，试验认定该款沟槽型VDMOS 功率器件抗单粒子能力VDS耐压由10 V 提高到了20 V，充分验证了增加外延掺杂缓变技术可以有效地提升器件抗单粒子辐射能力。

图6 过度外延工艺二次击穿仿真结果

5 结论

本研究根据沟槽型VDMOS 功率器件在重粒子作用下的失效现象，进行了SEB 和SEGR 失效机理分析，通过仿真实验验证和现场试验，证明采用缓变外延掺杂技术可以改善器件的单粒子效应。