600V LDMOS抗辐照加固技术研究

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600V LDMOS在集成电路中被广泛应用于各种功率转换的集成电路中,如开关电源电路、半桥驱动、高压栅驱动电路等。在航空航天辐射环境中,LDMOS作为电子设备的核心组成部分对辐射非常敏感,一般来说空间辐射将会产生单粒子效应(Single Event Effect,SEE)和总剂量效应(Total Ionizing Dose Effect,TID)两种失效机制。本文利用Sentaurus TCAD软件对600V LDMOS器件进行设计,模拟了器件对单粒子和总剂量的辐射响应。利用仿真数据,对LDMOS器件中单粒子和总剂量效应的基本物理机制进行了分析,并针对单粒子和总剂量对该器件的影响做出了相应的加固措施。对于单粒子效应,从不同入射位置、不同角度、不同入射深度进行了单粒子效应仿真及分析,仿真发现引起LDMOS器件失效的单粒子效应主要是单粒子烧毁(Single Event Burnout,SEB)。针对该问题进行了仿真分析烧毁机理的研究,发现由于单粒子轨迹上产生的高密度电子空穴对导致寄生BJT处于放大状态而烧毁以及碰撞电离导致漏极/N漂移区处发生雪崩击穿。针对BJT处于放大状态的问题,在不增大阈值电压的前提下优化P埋层的浓度和位置使得BJT的基区电阻减小而更难处于放大状态,最终使得器件烧毁阈值提升了76.64%。而对于发生雪崩击穿的问题,在不降低器件耐压到600 V以下的情况下,在漂移区中间引入局部埋氧使得烧毁阈值提升了20.3%。对于总剂量效应,相对于深亚微米CMOS器件,600V LDMOS的总剂量效应更加明显,主要是由于LDMOS器件的氧化层相对较厚,辐射感应产生的氧化层陷阱电荷和界面态会更加明显地导致阈值电压VT漂移,跨导Gm下降和击穿电压降低等电学特性改变,仿真分析了总剂量效应对耐压、阈值电压、漏电流的影响,通过对仿真结果的分析,提出了一种双栅LDMOS结构来减小总剂量引起的阈值电压漂移,仿真结果表明:双栅器件能够保持原有器件转移、输出、开关等电学特性,且在1 Mrad(SiO2)剂量辐射下,常规结构器件阈值电压漂移量为105.8%,而双栅新结构器件的阈值电压漂移量仅为10.2%。
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