SOI高压LDMOS单粒子烧毁效应机理及脉冲激光模拟研究*

师锐鑫，周 锌,2，乔 明,2，王 卓，李燕妃

（1.电子科技大学电子科学与工程学院，成都611731；2.电子科学大学广东电子信息工程研究院，广东东莞523000；3.中科芯集成电路有限公司，江苏无锡214072）

1 引言

随着电子设备在航空航天领域应用越来越广泛，空间辐射环境中的高能质子、中子、α粒子和重离子等都能导致航天器电子系统中的功率半导体器件发生单粒子效应，严重影响航天设备的可靠性和寿命。自从1975年BINDER等人在卫星数字电路中发现单粒子效应之后，针对航天用的电子设备的抗辐射加固设计从未停止，国际半导体IR公司推出的抗辐射产品，第六代（HiRel）功率器件MOS管采用独有的CoolMOS技术，抗电离总剂量（Total Ionizing Dose，TID）能力达100 krad(Si)，采用氙离子时，线性能量传输（Linear Energy Transfer，LET）值ELET为55 MeV·cm2/mg，而铝离子作为加速粒子时ELET可达84 MeV·cm2/mg。国内李燕妃等人通过研究开发抗辐射工艺平台时发现，LDMOS器件在增加P型埋层结构后，其抗单粒子能力达到100 MeV·cm2/mg。

功率半导体器件的特点是内部电场强度大和工作电压高，使其更容易发生单粒子烧毁（Single Event Burnout，SEB）效应。脉冲激光[1]和重离子都可以引起器件内部产生大量的电子空穴对，而导致高压SOI LDMOS（Silicon-On-Insulator Lateral Double Diffusion Metal Oxide Semiconductor）内部寄生三极管开启后，器件无法正常工作而失效[2-8]。20世纪80年代，由于单粒子辐射实验复杂且昂贵，而脉冲激光模拟实验具有高效率、可控性强和便捷等优点，而被广大学者所采用。相较于VDMOS而言，SOI高压LDMOS器件的单粒子烧毁效应研究相对较少，因此本文通过TCAD仿真确定SOI高压LDMOS器件的单粒子失效敏感点并分析了失效机理，最后通过脉冲激光模拟实验验证了仿真结果[9-11]。

2 SOI高压LDMOS器件结构

图1 为研制的SOI高压LDMOS器件结构剖面示意图。器件结构总长20 μm，顶层硅厚度为1.5 μm，埋氧层厚度为1.2 μm，场氧化层厚度0.5 μm。P阱和N阱的掺杂浓度分别为1×1017cm-3和6.7×1016cm-3，离子注入后推结形成双阱结构，漂移区通过离子注入的方式形成，掺杂浓度为5×1015cm-3，承担器件的击穿电压，器件结构参数如表1所示。由于金属层较厚，脉冲激光无法穿透金属，器件设计时源极场板仅覆盖部分漂移区。通过调节源极场板长度，确保表面电场分布优化，器件击穿电压达到180 V。

图1 SOI高压LDMOS器件结构示意图

表1 SOI高压LDMOS器件参数

3 单粒子烧毁效应机理

利用Synopsy公司的TCAD软件进行SEB机理仿真研究，电学特性仿真使用复合模型和迁移率模型。复合模型包括肖克莱复合、碰撞离化模型以及重离子辐射模型（Heavy Ion Model）,参数如表2所示。重离子入射角度为90°（垂直于界面），入射深度为1.5 μm，入射宽度为0.03 μm，入射离子时间为50 ps，ELET为0.75 pc/μm。迁移率模型考虑了迁移率与掺杂浓度、电场的关系。

表2 重离子辐射模型相关参数

图2 为重离子入射后漏极电流随时间变化的典型图。当器件受到重离子轰击后，硅材料会吸收高能离子的能量，使得电子从价带跃迁至导带中，在重离子的入射轨迹附近产生大量的电子空穴对。电子空穴对通过扩散运动和漂移运动的方式消散，漂移运动为主要方式。在电场的作用下，电子被漏极抽走，空穴向源极运动，从而形成瞬态光电流。若器件未发生SEB，则瞬态电流恢复至初始状态；反之，器件瞬态电流将增大，使得器件长时间工作在大电流状态，导致器件失效。

图2 重离子入射后漏极电流随时间变化典型图

图3 为不同入射位置的瞬态光电流峰值和器件漏极电压为60 V时的表面电场分布图。仿真中，偏置条件为漏极电压VDrain接60 V、源极电压Vsource、栅极电压Vgate和衬底电位Vsub接0 V，分别对SOI高压LDMOS器件的不同位置处进行重离子轰击。根据理论分析可知，由重离子作用而产生的电子空穴对主要和ELET有关，但电子空穴对在电场作用下扩散和漂移时，会碰撞电离二次产生额外的电子空穴对，因此导致器件不同部位的瞬态光电流大小不同。从图3可以看出，离子入射处电场越强，产生的光电流峰值越大。在X=7 μm处，电场值为1.5×105V/cm，离子入射后产生的光电流达到0.26 mA。因此，研制的SOI高压LDMOS器件的敏感点位于X=7 μm处。

图3 不同入射位置的瞬态光电流峰值和VDrain=60 V时表面电场分布

图4 为不同漏极偏置下的光电流变化（入射位置为X=7 μm）图。从图4可以看出，随着器件漏极的偏置电压增加，瞬态光电流也随之增加。当VDrain=85 V时，瞬时光电流峰值达到7.96 mA，且无法恢复至初始状态，此时器件发生SEB效应。器件失效的主要原因是空穴在往P型体区漂移的过程中，导致寄生NPN三极管基区压降大于0.7 V，从而使Pwell/N+结处于正偏状态。此时Pwell/N-Drift结处于反偏，寄生三极管NPN处于放大状态，电流急剧增加，因此器件发生烧毁而失效。

图4 不同工作电压对瞬态光电流的影响

图5 和6分别对比80 V和85 V电压下器件电子电流分布随时间的变化图和器件碰撞电离率随时间的变化图，选取了3个时间点：1 ps（入射前）、50 ps（入射时）和1 μs（入射后）。如图5（a）、（d）和6（a）、（d）所示，器件未受到重离子轰击，同时器件未发生击穿，因此电子电流和碰撞电离率处于较低量级；如图5（b）、（e）和6（b）、（e）所示，器件受到重离子轰击，硅材料吸收能量后，在入射位置周围产生了大量的电子空穴对，在外加电场的作用下形成电子电流，同时大量电子空穴对扩散或漂移的过程中提高了入射位置周围的碰撞电离率；如图5（c）、（f）和6（c）、（f）所示，器件受到重离子轰击后，VDrain=80 V时器件额外产生的电子空穴对消散，器件电子电流恢复至初始状态，未发生SEB效应，但当VDrain=85 V时，由于寄生三极管NPN开启的作用，器件的电子电流并没有恢复至初始状态，且器件内部较大的碰撞电离率维持着寄生管的开启。

图5 80 V和85 V电压下器件电子电流分布随时间变化

图6 80 V和85 V电压下器件碰撞电离率随时间变化

4 脉冲激光模拟试验

重离子的ELET是对硅材料电离出电子空穴对能力的描述，但是脉冲激光对硅材料的影响是用能量大小来描述的，因此需要建立ELET和能量之间的关系。通过激光的强度I随着入射深度x的衰减关系满足Beer定律，同时根据ELET=(dE/dx)/ρ，得式（1）：

其中，ΔE为敏感体积中吸收的激光能量，Eion为重离子使材料电离的能量，ρ为材料密度，Ephoto为脉冲激光使材料电离的能量，A=1.6×10-13，h为敏感体积厚度，Re为反射率[12]。

图7 （a）为脉冲激光模拟试验的测试电路图。通过示波器检测SOI高压LDMOS器件VDS的变化，当有瞬态电流产生经过采样电阻（R=1 kΩ）后，由于电阻的分压导致VDS下降，示波器采取电压下降沿的方式捕捉瞬态电流的变化。根据式（1）计算，1.2 nJ的能量换算成ELET为1 pc/μm，试验结果如图7（b）所示，激光的圆心在X=7 μm处，位于源极场板的边缘，试验结果表明，VDrain=80 V、激光能量为2 nJ时，器件瞬态光电流可以恢复至初始状态。

图7 脉冲激光模拟试验

5 结论

本文通过TCAD仿真软件对SOI高压LDMOS器件进行SEB效应机理及脉冲激光模拟试验的研究。仿真结果表明，瞬态光电流大小与器件表面电场分布有关，因此器件单粒子敏感点位于表面电场峰值处，当漏极电压VDrain=80 V时，器件不发生SEB效应，但是随着漏极电压继续增加，器件瞬态光电流逐渐增大至不恢复状态，通过对器件内部电势及碰撞电离率的分析可知，高电场下产生额外的电子空穴对维持寄生NPN三极管开启，器件长时间工作在高压大电流状态下而发生SEB效应。采用脉冲激光对器件敏感点进行辐射试验，偏置条件为VDrain=80 V，脉冲激光能量为2 nJ时，器件瞬态电流先增加后降低至初始状态，未发生SEB效应，与仿真结果一致。