功率MOSFET抗SEB能力的二維數值模擬

摘要：在分析了單粒子燒毀(SEB)物理機制及相應仿真模型的基礎上，研究了無(wú)緩沖層MOSFET準靜態(tài)擊穿特性曲線(xiàn)，明確了影響器件抗SEB能力的參數及決定因素。仿真研究了單緩沖層結構MOSFET，表明低摻雜緩沖層可提高器件負阻轉折臨界電流，高摻雜緩沖層可改善器件二次擊穿電壓，據此提出一種多緩沖層結構，通過(guò)優(yōu)化摻雜濃度和厚度，使器件的抗SEB能力得到了顯著(zhù)提高。仿真結果顯示，采用三緩沖層結構，二次擊穿電壓近似為無(wú)緩沖結構的3倍，負阻轉折臨界電流提高近30倍。
關(guān)鍵詞：金屬氧化物場(chǎng)效應晶體管；單粒子燒毀；二維數值模擬

1 引言
功率VDMOSFET晶體管以其開(kāi)關(guān)速度快、輸入電阻高、頻率特性好、驅動(dòng)能力高、跨導線(xiàn)性度高等特點(diǎn)，廣泛應用在空間系統的電源電路中。但它在空間輻射環(huán)境中極易被重離子誘發(fā)SEB，造成功率變換器或電源電壓的劇烈波動(dòng)，可導致衛星的電子系統發(fā)生災難性事故。國外對功率VDMOSFET的SEB效應研究較多。而我國起步較晚，在理論和實(shí)驗上存在許多問(wèn)題。
在此對功率MOSFET的SEB效應的機理進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析，并針對600 V平面柵VDMOSFET，利用半導體器件模擬軟件Medici研究了緩沖層對提高M(jìn)OSFET抗SEB能力的影響，提出利用多緩沖層結構改善MOSFET抗SEB能力的方案，最后給出一組優(yōu)化后的多緩沖層結構。

2 SEB機理以及仿真物理模型
2．1 單粒子燒毀機制
SEB效應主要發(fā)生在器件阻斷狀態(tài)，由轟擊到MOSFET發(fā)生SEB的原理如圖1所示。重離子轟擊產(chǎn)生的電子空穴對中的電子，在電場(chǎng)作用下向漏接觸區(Drain Contact)移動(dòng)，而空穴則在漏電場(chǎng)作用下沿跡線(xiàn)向p體區(p-body)運動(dòng)，進(jìn)入p-body區之后，橫向運動(dòng)，最后經(jīng)p-body接觸區流出。由于橫向空穴流產(chǎn)生壓降，致使遠離電極接觸區的p-body部分電位升高，造成p體區／n源極(p-body／n-source)結正偏，觸發(fā)寄生npn晶體管的發(fā)射極向漂移區注入電子。由于此時(shí)MOSFET處于高壓阻斷態(tài)，電子的注入會(huì )改變空間電荷分布，造成電子在n漂移區／n+襯底(n-drift／n+-sub)高低結的積累，空間電荷區收縮，n-drift／n+-sub高低結處電場(chǎng)強度增加。隨著(zhù)重離子轟擊強度增加，等離子體絲流增大，寄生npn晶體管發(fā)射結正偏程度增強，n-drift／n+-sub高低結處電場(chǎng)強度越來(lái)越高。當該電場(chǎng)增加到一定程度時(shí)，會(huì )激發(fā)雪崩倍增效應，漂移區電流增大，進(jìn)而使寄生晶體管的發(fā)射結進(jìn)一步正偏，此正反饋效應反復進(jìn)行，最終可導致器件因電流過(guò)大、溫度過(guò)高而燒毀。

從SEB的失效機理可見(jiàn)，抑制SEB效應可從兩方面入手：①降低寄生晶體管的電流增益，削弱晶體管作用，主要包括背柵短路、進(jìn)行p+注入，增強源區下半導體導電能力、采用源區挖槽工藝，縮短源區寬度、減小寄生晶體管面積等：②優(yōu)化電場(chǎng)分布，提高n-drift／n+-sub高低結處雪崩倍增效應發(fā)生的臨界電流。由于這方面的研究相對較少，且主要采用單緩沖層結構，故這里在單緩沖層仿真結果的基礎上，提出多緩沖層結構，并給出一組三緩沖層結構的優(yōu)化結果。