高压SOI LDMOS功率器件的辐射效应研究

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SOI LDMOS功率器件的栅极、源极和漏极在同一表面,易于集成,同时具有较快的开关速度和较小的寄生效应等优点,作为电源开关,是高压电源集成电路的核心器件,在空间电源集成电路中有广阔的应用前景。本文基于典型SOI高压LDMOS功率器件,结合理论分析和TCAD物理仿真,研究了总剂量辐射、单粒子辐射对其静态和瞬态电特性的影响,揭示了总剂量辐射累积剂量致栅控电流特性和阻断特性变化规律,以及单粒子辐射致器件瞬态电流变化规律,并进行辐射试验验证。同时,从工艺和版图两方面,提出抗总剂量(TID)辐射加固方法,提升抗TID辐射能力。研究SOI LDMOS功率器件仿真和试验方法,构建仿真方法和测试系统。介绍了TID辐射和单粒子辐射试验样品的结构和电特性参数,并结合器件样品的TID辐射效应和单粒子效应,研究了器件样品TID辐射和单粒子辐射TCAD仿真和试验方法。基于Sentaurus TCAD仿真软件,构建了器件TCAD仿真方法;结合空间辐射环境参数,搭建了总剂量辐射试验测试系统和单粒子烧毁测试系统。针对总剂量辐射对SOI LDMOS功率器件栅控电流的影响,围绕器件转移和输出特性展开研究。基于搭建的SOI LDMOS功率器件转移特性和输出特性辐射测试系统,开展辐射试验研究,获得总剂量辐射对转移特性和输出特性的影响规律,并揭示其退化机理。提出了阈值电压工艺加固技术(RHBP),通过总剂量辐射试验验证,在总剂量辐射剂量累积到100krad(Si)时,与未加固的器件相比,阈值电压退化从26.3%减少到3%;采用版图设计加固技术,设计终端结构,切断电流从源端到漏端经过场区的流动路径,结合EMMI试验和总剂量辐射试验验证,终端结构设计可使总剂量辐射导致的泄漏电流减小四个数量级;揭示了TID辐射对SOI LDMOS功率器件自热效应影响的规律,总剂量辐射试验表明TID辐射可改善器件的自热效应。针对TID辐射对SOI LDMOS功率器件阻断特性的影响,开展击穿电压退化机理和加固技术研究。基于构建的仿真方法,通过引入氧化陷阱电荷模拟总剂量电离辐射损伤,预测总剂量辐射致阻断特性变化规律;基于搭建的SOI LDMOS功率器件击穿特性的辐射测试系统,获得TID辐射对击穿特性的影响规律,揭示其退化机理,即电离辐射在漂移区厚的埋氧层与场氧层产生大量正的氧化陷阱电荷,同时在体内引起同等密度的负电荷,从而调制了体内势场分布,导致了击穿电压退化。研究了试验偏置、漂移区长度、掺杂分布等条件对总剂量辐射致击穿电压变化规律的影响,获得了关态偏置条件下的击穿电压比开态偏置条件下的击穿电压多退化500%,较短漂移区长度器件击穿电压比较长漂移区器件击穿电压多退化40.2%,以及漂移区线性掺杂击穿电压比均匀掺杂多退化16.7%。通过理论、仿真和试验验证总剂量致击穿电压退化规律,提出了漂移区表面电场变化是导致击穿电压变化的主要原因;利用击穿电压变化与漂移区表面电场之间的关系,可通过优化漂移区表面电场,可使击穿电压随剂量累积发生非单调变化,从而实现器件高的抗总剂量能力。开展了针对SOI LDMOS功率器件击穿电压的抗总剂量辐射,工艺加固技术研究,通过减薄场氧化物厚度,降低场氧层中辐射,致氧化陷阱电荷密度,削弱其对体内势场分布的调制作用,实现抗辐射总剂量能力提升。总剂量试验结果表明,关态偏置条件下,薄场氧层结构在TID累积到100krad(Si)时,与未加固结构相比,击穿电压退化由32%减少到10.6%,器件击穿电压取得了很好的加固效果。针对单粒子辐射对SOI LDMOS功率器件瞬态效应的影响,开展单粒子烧毁效应和物理机制研究。通过脉冲激光试验确定SOI LDMOS功率器件发生单粒子烧毁的敏感位置,即靠近漂移区一侧的P阱区域;揭示了单粒子烧毁与偏置条件、激光能量以及脉冲激光注入位置之间的关系。提出了单粒子烧毁失效与电场之间的关系,通过解析获得体内势场分布,对单粒子烧毁敏感点进行物理解释:该区域覆盖电场峰值区,因而产生较多的电子空穴对,使得器件内部结构的寄生双极性晶体管更易开启,从而导致器件更易发生单子烧毁;定量分析了单粒子烧毁与偏置条件和激光能量之间的关系,揭示瞬时电流峰值及恢复时间变化机理,为SOI LDMOS抗单粒子烧毁加固设计提供了指导。
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