抗辐射分立功率器件：第 1 部分 — Si MOSFET

用于 5G、物联网和其他各种用途的商业天基通信出现了巨大的增长，Starlink 和 OneWeb 等星座的推出就是明证。这补充了军事和科学卫星的使用，后者也出现了大幅增长。这些应用所需的半导体功率器件，例如卫星总线电压到终端应用的DC/DC 转换，与地面商业或汽车对应器件相比，需要满足某些独特的可靠性标准，因为它们存在于敌对环境中。环境。这既意味着可预测的辐射暴露——例如来自地球周围的范艾伦带——也意味着不可预测的事件，例如太阳耀斑。

总线电压呈上升趋势，从 28 V 上升到 100 至 200 V 范围，以满足不断增长的电力需求。适合此电压范围的不同制造商提供各种 RH MOSFET。在本文中，我们将研究硅 MOSFET 中的一些辐射引起的退化机制，以及正在采取的一些方法来尽量减少这种退化。虽然这些部件中有很多是用于商业卫星应用的，但公司可以生产同样符合军用标准的 FET，因此遵循与这些相关的国防部规范。其中包括 MIL-PRF-19500-746 和 MIL-STD-750，并包含详细的设备规格和测试方法。MIL-PRF-38535 涵盖了此类两用设备可以遵循的筛选和质量保证测试。

总电离剂量 (TID) 表示部件暴露的累积剂量，以 krads 为单位表示。本质上，TID 的影响是辐射产生的电子-空穴对以及该电荷在氧化物或氧化物/半导体界面处的积累。在测试实验室中，通常使用 Co 60源来产生用于该测试的伽马射线。图 1 所示的 Si VDMOS 器件可能是用于空间应用的最常见的功率 MOSFET。NMOS 版本显示在这里。TID 会导致设备中的多个参数变化，如下所示。

从为表征 NMOS 上的 TID 进行的实验室测试中看到的最常见的参数偏移是阈值电压 (V T ) 的负偏移。

这是由于辐射产生的相对固定的空穴在栅极氧化物上积聚的正电荷引起的。然而，大多数实验室测试都是在 50–300 rads/s (Si) 的相对较高剂量率 (HDR) 下进行的。对于暴露辐射的可预测部分，太空中的剂量率要低得多，特别是对于低地球轨道路径，其剂量率可能<1毫拉德/秒。在一篇开创性的论文中，Schrimpf 等人1详细介绍了基于所用剂量率的 V T后辐射恢复的巨大差异，并表明需要进行室温退火才能看到传统 HDR TID 测试中的全部效果。

栅极氧化物中的正电荷积累导致 V T降低可以通过在正栅极偏压下产生界面陷阱来补偿，从而增加 V T，这在 HDR 条件下需要更多时间。设备规格需要认识到这一点并列出剂量率。2

对于给定的 TID 规范，降低的 TID 后 V T必须符合器件 V T规范，因此靠近上规范窗口的 TID 前的紧密分布将允许这样做。从工艺的角度来看，有充分证据表明，TID 的 V T变化大致与氧化物厚度 t ox的平方成正比(V T ≈ Q ox ÷ C ox ≈ t ox 2)。因此，与低压或逻辑 RH 器件相比，用于 RH 功率 MOSFET(例如 100 nm)的相对较厚的氧化物将显示出更高的灵敏度。使用栅极氧化物作为 TID V T的旋钮然而，移位控制在权衡涉及满足完整 V GS规格(在很多情况下为 ±20 V)和单事件栅极破裂 (SEGR) 裕度所需的栅极稳健性方面是很棘手的，这将在接下来讨论部分。

在 TID 后的结中看到的较高重组会增加器件亚阈值泄漏和 I DSS泄漏，并可能降低 BV DSS。此外，体二极管还可以在较低电流下表现出更大的非理想行为。

已经开发了几种工艺解决方案来改善 RH 设备中的 TID 特性：

· 实施一种后栅极工艺流程：不将栅极氧化物暴露在高温下有助于最大程度地减少退化，以及一开始就富含电荷的栅极氧化物。3

· 在金属/钝化层中使用吸杂层可以帮助最小化器件表面层的界面/体电荷积聚。这有助于最大限度地减少因氧化物/半导体界面受损而导致的迁移率下降导致的导通电阻 (R DS(on) ) 变化。

来自宇宙射线的重离子撞击半导体可以产生沿离子轨道形成的高电流密度等离子体鞘层，从而导致单粒子效应 (SEE)。入射离子沉积的能量以其线性能量转移 (LET) 表示，单位为 MeV-cm 2 /mg。不同的离子可以具有不同的穿透深度以及 LET。其效果是产生可能导致退化或灾难性故障的电子-空穴对。

单粒子烧毁 (SEB) 是 SEE 的一类，在图 1 中解释为寄生 NPN 双极器件在 p 体从载流子获得正向偏置时开启。这可能导致雪崩倍增和局部高温造成的不可逆故障。

SEGR 是 SEE 的另一个故障模式子集，其中器件的 JFET 区域中的离子轨道通过正电荷积聚在栅极氧化物上产生高电场。如果氧化物的结构完整性受损，这可能导致栅极泄漏增加并导致灾难性故障。

测试方法包括让零件经受不同能量的各种离子——例如，在范德格拉夫加速器中。常用的离子包括溴(LET ≈ 37 MeV-cm 2 /mg)、银(LET ≈ 50 MeV-cm 2 /mg)、氙(LET ≈ 61 MeV-cm 2 /mg)和金(LET≈ 90 MeV) -cm 2 /mg)。应使用离子的能量，使其穿透深度涵盖器件的外延区域。可以从这些测试中创建一个 SEE 安全操作区 (SOA)。

在这些测试中，对于给定的 V DS较高的负 V GS会增强氧化物上的电场，因此会导致 SEGR 失效。电压降额是降低 SEB/SEGR 风险的常用方法;即，可以使用比应用需要的电压额定值高得多的设备。这是对其他设备性能因素(例如开关速度)的潜在权衡。改进 SEE/SEGR 的方法因流程和设计而异，下面列出了一些方法：

· Epi 工程是减少靠近器件表面的电场的关键。Liu 和其他人已经表明，缓冲层或分级外延可以产生显着的改进。4这可能以器件的 R DS(on)为代价，具体取决于靠近表面的掺杂浓度，但考虑到 R DS(on)可以通过其他方式进行调整，这无疑是一个值得权衡的选择。

· 在 N 源极注入下方的高剂量 p 掺杂区域，也称为非钳位电感应力注入，与源极正确对齐，可确保垂直 NPN 寄生器件的增益较低。

· 对于 SEGR，JFET 区域较厚的栅极氧化物将有助于降低电场并改善 SOA。这同样会以 R DS(on)为代价，但也有助于降低 C GD电容和开关性能。如上所述，较厚的栅极氧化物将具有较差的 TID 性能，因此这可能是一个折衷方案。

· 布局工程以确保端接/线尾 FET 段区域不会影响 SEB/SEGR，以及减小器件的 JFET 区域宽度。

虽然这些附加测试可能既耗时又昂贵(尤其是 SEE)，但它们可以为设备制造商提供满足高增长细分市场需求的途径。在第 2 部分中，我们将讨论宽带隙抗辐射/抗辐射器件以及一些封装选项。