李洋帆 郭红霞 张鸿3) 白如雪 张凤祁 马武英 钟向丽 李济芳 卢小杰

1) (湘潭大学材料科学与工程学院,湘潭 411105)

2) (西北核技术研究所,西安 710024)

3) (工业和信息化部第五研究所,电子元器件可靠性物理及其应用技术国家重点实验室,广州 510610)

1 引言

作为第三代半导体材料,SiC 材料具有禁带宽度大、击穿电场大、饱和漂移速度快和热导率高等优异性能,可以用来制备抗辐射、大功率、高频和高温器件[1–3].相比于Si 基器件,同等性能下,SiC 基器件可以做到成本更低,尺寸更小以及寿命更长,因此SiC 基器件更能满足新一代航天器对大功率、高频等性能方面的要求,有望在空间和航天领域中扮演重要角色[4–6].然而,SiC 金属-氧化物-半导体型场效应管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor,MOSFET)在空间领域的应用处于验证阶段,由于空间环境中存在大量的高能重离子,SiC MOSFET 经重离子辐照后会发生单粒子泄漏电流(single event leakage current,SELC)、单粒子栅穿(single event gate rupture,SEGR)或单粒子烧毁(single event burnout,SEB)[7],显著影响器件的工作.

近些年,许多团队通过实验和仿真研究了重离子辐照下SiC MOSFET 的退化和烧毁机制.Martinella 等[8,9]通过重离子辐照SiC MOSFET 的实验发现在低偏置电压下,被测器件的泄漏电流路径是从漏极到栅极,涉及栅氧化层的损伤;而在高偏置电压下,泄漏电流路径主要是从漏极到源极,这是由于碳化硅晶格的改变.Witulski 等[10]通过不同LET 值的重离子实验发现器件SEB 阈值电压会随入射离子LET 值的增大而显著降低,当LET ＞ 10 MeV·cm2/mg 时,SiC MOSFET 的SEB阈值电压几乎为器件额定最大工作电压的一半.Ball 等[11]通过仿真模拟重离子入射SiC MOSFET器件,发现离子入射诱导产生高局域态能量脉冲导致器件性能退化或者烧毁;同时该团队[12]通过实验对比和仿真模拟发现,更厚的外延层、更低的掺杂浓度可以显著增大器件SEB 阈值电压.

目前商用的SiC MOSFET 分为平面栅型和沟槽型两种结构[13],在相同元胞尺寸下,双沟槽型碳化硅MOSFET (double-trench MOSFET,DTMOSFET)相比于传统平面栅型碳化硅MOSFET(vertical double-diffused MOSFET,VDMOSFET),具有更高的沟道迁移率、更低的比导通电阻以及更大的电流密度,优异的性能使得SiC DTMOSFET具有更广阔的应用前景[14–17].然而,目前大多数研究都是针对SiC VDMOSFET 的单粒子效应,关于SiC DTMOSFET 的单粒子效应研究较少.Zhou 等[18]通过TCAD 模拟了不同LET 值的重离子轰击SiC DTMOSFET 器件敏感区,研究其单粒子效应机理,该团队[19]还进行SiC DTMOSFET的2005 MeV Ta 离子重离子实验,实验结果表明其SEB 阈值电压不超过其额定电压的42%.Cheng等[20]借助TCAD 模拟仿真软件研究了3 种不同结构的槽栅型SiC MOSFET 的单粒子效应,发现DTMOSFET 结构由于较深的源极深沟槽结构,有助于快速收集离子入射后碰撞产生的载流子,从而SEB 阈值电压更高.关于SiC DTMOSFET 的单粒子效应研究缺乏更多的实验验证,因此对SiC DTMOSFET 的重离子实验有必要进一步开展和深入全面研究.

本文利用208 MeV Ge 离子对碳化硅双沟槽MOSFET 开展重离子辐照实验.在辐照实验过程中,实时监测了漏极电流和烧毁瞬间脉冲电流.并在辐照实验后,对器件进行了静态参数测试和栅特性测试.结合TCAD 工具,模拟了不同偏置电压下重离子入射器件,发现沿离子入射路径上的N–外延层和N+衬底交界处温度超过了碳化硅的熔点,这可能是导致器件发生SEB 的原因.

2 实验信息

本次实验选用的是Rohm 公司生产的第四代双沟槽型碳化硅场效应晶体管SCT4060 KR,其额定电流为26 A,导通电阻为62 mΩ.实验器件的单元结构如图1(a)所示,在每个栅极沟槽的两个侧壁上都有沟道,两侧都有一个源极沟槽,延伸到漂移区,更好地保护栅极氧化物.在重离子实验前对器件进行了去封装处理,以确保重离子能入射到器件的有源区,并进行静态参数的测试,以确保器件具有良好的电学性能.

图1 (a) SiC DTMOSFET 单胞结构图;(b) 重离子实验电路原理图Fig.1.(a) SiC MOSFET cell structure;(b) schematic diagram of heavy ion experiment.

利用中国原子能科学研究院的HI-13 串列加速器进行重离子实验,选取能量为208 MeV 的Ge 离子,其作用在器件表面的LET 值为37.3 MeV·cm2/mg.图1(b)为实验中使用的测试电路示意图,Keithley 两台数字万用表分别监测和记录漏极电流和栅极电流,示波器接入阻值为0.01 Ω 的电阻两端,用于捕获和存储器件烧毁瞬间的脉冲电流.为了研究辐照损伤与源漏偏置电压的关系,在辐照过程中,器件的栅极电压Vg设置为0 V,以确保器件处于关闭状态,漏极电压VDSirr设置为100,200,300,400 和500 V.

在重离子辐照实验中,如果器件发生烧毁或者器件漏极电流持续增大,注量累积到2×106ion/cm2时,则停止辐照.图2 为不同偏置电压下SiC DTMOSFET 的SELC 和SEB.如图2(a)所示,当VDSirr为100,200,300 V 时,漏极电流随重离子入射逐渐增大,达到2×106ion/cm2的注量时,电流未达到限制电流,重离子入射到器件后产生的损伤导致漏极电流持续增长;而在VDSirr为400 和500 V,重离子入射到器件后在注量分别达到9×104和3×104ion/cm2时,漏极电流骤增到限制电流,见图2(b),器件发生单粒子烧毁,器件源漏之间的电阻由数兆欧降到数百欧,从而导致器件电流瞬间上升,通过示波器可以捕获到这一电流的变化,如图2(c)所示,VDSirr为400 V 时,示波器捕获到的烧毁瞬间脉冲电流,脉冲电流宽度为纳秒级别,最大脉冲电流为4 A 左右,500 V 同样出现此现象.换而言之,双沟槽SiC MOSFET 的SEB 阈值电压小于其额定电压的34%.

图2 辐照过程 (a) 漏极电流监测;(b) 烧毁电流监测;(c) 脉冲电流Fig.2.During irradiation: (a) Leakage current monitoring;(b) burn-out current monitoring;(c) pulse current monitoring.

3 实验结果与分析

3.1 辐照前后SiC MOSFET 静态参数测试

器件在辐照实验中表现出不同程度的退化,这也导致其电学性能受到不同程度的损害.图3 给出了在辐照过程中的不同初始偏置电压下,器件在辐照前后的传输特性曲线和输出特性曲线.未烧毁器件以图3(a),(c)中辐照过程中初始偏置电压为100 V 为例,器件的阈值电压在辐照后出现了较小的负向偏移,漂移了0.06 V,然而,Vg=6 V 时的输出特性曲线显示漏极电流上升约77.51 mA;其余偏压下变化见表1,其退化程度与初偏压呈正相关.烧毁器件以图3(b),(d)中辐照过程中偏置电压为400 V 为例,该器件在受到辐射后完全丧失其功能.

表1 辐照前后SiC MOSFET 阈值电压偏移量和电流变化量Table 1.Threshold voltage offset and current change of SiC MOSFET before and after irradiation.

图3 辐照前后SiC MOSFET 转移特征曲线和输出特征曲线Fig.3.Transfer characteristic curve and output characteristic curve of SiC MOSFET before and after irradiation.

3.2 栅特性测试

进行辐照后栅特性测试.栅压从0 V 扫描到10 V,源-漏短接,测量栅极电流和漏极电流,用于进一步确定辐照对器件造成损伤.如图4 所示,辐照过程中初始偏置电压为100 V 的被辐照器件泄漏电流与辐照前几乎无变化,说明栅氧层并未受到损伤.辐照过程中偏置电压大于200 V 后,被辐照的器件栅极泄漏电流的增长速度随着偏压的增大而增大,说明其栅氧层的损伤也随之加深,其泄漏电流退化程度与初始偏压呈正相关.器件虽然没有发生SEB,但因为泄漏电流的增大,出于安全考虑也将不能在实际中正常使用.

图4 辐照后 (a)栅极泄漏电流特性;(b)漏极泄漏电流特性Fig.4.After irradiation: (a) Gate leakage currents characteristics;(b) drain leakage currents characteristics.

3.3 实验分析

通过双沟槽型碳化硅MOSFET 重离子辐照前后静态参数的对比发现,其阈值电压负漂,泄漏电流增长.N 沟道MOSFET 的阈值电压Vth数学模型为[21]

其中COX为氧化层特征电容,Not为氧化层陷阱电荷面密度,Nit为界面态陷阱电荷面密度,εs为SiC 的介电常,NA为P 型基区的有效掺杂浓度,ϕFp为准费米势,φMS为金属-半导体的功函数差,k为玻尔兹曼常数,T为绝对温度,ni为SiC 的本征载流子浓度.

N 沟道MOSFET 的饱和区的电流数学模型为[21]

其中µn为沟道载流子迁移率,W和L分别为沟道的宽度和长度.

本文中,阈值电压的负漂主要是由于重离子入射到器件在栅氧化层中产生电子-空穴对,在栅氧化层中电子的迁移率明显高于空穴,受到电场的作用,电子快速向漏极移动,而空穴缓慢移动,在这个过程中会被栅氧化层的本征缺陷俘获,导致栅氧化层陷阱电荷面密度Not增大,同时在SiC/SiO2界面附近由重离子入射产生的空穴也可能在电场的作用下隧穿或者跃迁到氧化层被深能级缺陷俘获形成陷阱电荷,最终阈值电压Vth降低[22].由于阈值电压的负向漂移,会导致器件SiC/SiO2界面处的P 型基区更容易形成反型层,在较低的栅压下器件就能开启,这解释了器件辐照后的输出特征曲线电流会出现了增长现象.同时空穴在SiC/SiO2界面处积累,与源-漏偏压共同作用,导致栅氧化层中的电场增大,进而导致栅氧化层出现损伤,导致栅应力测试中的栅电流增大,其与源-漏偏压呈正相关[19].

4 数值仿真

根据图1(a)扫描电子显微镜的分析结果,利用TCAD 仿真工具建立了SiC DTMOSFET 的二维模型,其栅极沟槽的深度和宽度为1 μm 和0.5 μm,源极沟槽深度和宽度为1.8 μm 和0.7 μm.在进行二维结构仿真的过程中,定性分析器件单粒子效应,在模拟中添加了基本模型(包括和掺杂、温度相关的SRH 复合模型、俄歇复合模型、迁移率模型和不完全电离模型等[23]),此外还添加了重离子入射模型和热力学模型.其中重离子入射器件产生电子-空穴对的产生率[24]可由公式(4)计算:

其中,R(w,l) 和T(t) 是描述电子-空穴对产生率的时空分布函数,GLET(l) 是与入射粒子LET 有关的LET 产生密度,w和l为入射粒子的轨迹半径和长度.

本文根据入射路径上经过不同区域为条件,选择了5 种不同入射路径,如图5 所示，入射点为路径 A 经过多晶硅栅极中心、氧化层、外延层,最终进入衬底;路径 B 经过多晶硅栅极边缘、氧化层、外延层,最终进入衬底;路径 C 经过N+源区、P–基区、外延层,最终进入衬底;路径 D 经过N+源区、P–屏蔽层、外延层,最终进入衬底;路径 E 经过源极沟槽、P+屏蔽层、P–屏蔽层、外延层,最终进入衬底.

图5 离子入射位置示意图Fig.5.Diagram of ion strike positions.

4.1 栅氧化层损伤仿真模拟

图6 为VDSirr=200 V,LET=37.3 MeV·cm2/mg 时,不同位置入射器件栅氧化层电场强度随时间的演化过程.仿真结果表明,随着入射位置远离栅极中央,栅氧化层中的电场强度逐渐变小.由图7 观察到,离子从路径 A、路径 B 和路径 C 入射,在栅氧化层拐角处都存在一个较大的电场强度,并且从路径 B 入射时,其栅氧化层拐角处电场强度最大.这是离子入射到器件中产生电子-空穴对,空穴在栅氧化层的拐角处产生严重的堆积效应所导致.较大的电场强度使器件的栅氧化层形成潜在损伤,形成泄漏电流通道,这种损伤机制解释了辐照后的器件在栅特性测试中栅极泄漏电流增大.

图6 VDSirr=200 V 时,不同位置入射器件最大栅氧化层电场强度随时间的演化过程Fig.6.Evolution of maximum oxide electricfield at different strike positions with simulation time at VDSirr=200 V.

图7 VDSirr=200 V 时,重离子入射器件栅氧化层中电场强度分布图Fig.7.The distribution of electric field in gate oxide under heavy ion strike at VDSirr=200 V.

4.2 单粒子烧毁仿真模拟

碳化硅平面栅场效应晶体管的单粒子烧毁是由于其内部晶格温度高于其材料的熔点(3000 K)所导致[25,26].因此在本文中,将仿真模拟中器件内部晶格温度超过3000 K 时所施加的源漏偏置电压定义为器件SEB 的阈值电压.

从图8 可以看到,离子从路径 A 入射到器件后不同时刻器件内部的晶格温度情况,在重离子入射到器件后的N–外延层和N+衬底处产生一个明显的高温点,该点的晶格温度随着时间增大,在t=1 ns 时,达到最大值.图9 为沿离子入射路径的碰撞电离率和电场强度随深度的变化情况,重离子入射器件后产生电子-空穴对,电子在电场作用下向漏极移动,使得该处电场强度进一步增大,引起显著的碰撞电离,在N–外延层和N+衬底处碰撞电离率高达3.25×1027cm–3·s–1,电离出更多的电子-空穴对,电子在电场作用下继续被加速移动,在局域产生大电流密度,使得瞬时关态电流大大增大,由热功率公式P=UI,局域大电流密度导致其晶格温度超过SiC 材料的熔点,发生单粒子烧毁事件.

图8 重离子入射 (a) 1 ps,(b) 10 ps,(c) 100 ps 和(d) 1 ns 后器件内部晶格温度分布图Fig.8.The distribution of lattice temperature in device after heavy ion incident of (a) 1 ps,(b) 10 ps,(c) 100 ps,and (d) 1 ns.

图9 沿离子入射路径电场强度和碰撞电离率的分布情况Fig.9.Evolutions of impact ionization and electronic indensity along the ion track.

5 结论

本文研究了不同源漏偏置电压下双沟槽型碳化硅场效应晶体管的重离子单粒子效应.实验结果表明,与平面栅结构相比,当辐照过程中偏置电压较低时,双沟槽SiC MOSFET 未出现泄漏电流通道,当辐照过程中偏置电压大于200 V 时,辐照引起的泄漏电流在漏极到栅极和漏极到源极之间分配;结合TCAD 仿真模拟,泄漏电流增大是由于栅氧化层拐角处高电场强度引起的损伤;栅氧化层拐角处是沟槽型结构的敏感区域.当LET 值为37.3 MeV·cm2/mg,双沟槽型碳化硅场效应晶体管的SEB 阈值电压在400 V 以下,重离子入射到器件后,在N–外延层和N+衬底处的局域大电场强度和大电流密度导致晶格温度超过SiC 的熔点,引发单粒子烧毁事件.这为宇航用碳化硅功率器件的辐照效应机理研究和应用提供了一定的参考和支撑.