Обеспечение радиационной стойкости МОП-транзисторов: влияние одиночных эффектов

Введение

Силовые полевые МОП-транзисторы широко используются в бортовых системах космических аппаратов в цепях синхронного выпрямления, в качестве основных элементов преобразователей в системах электропитания и силовых ключей.

Задача разработки и серийного производства отечественной радиационно-стойкой компонентной базы в целях импортозамещения чрезвычайно актуальна в настоящее время. Так, в соответствии с постановлением Правительства Российской Федерации от 26 ноября 2007 г. №809 о федеральной целевой программе «Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники на 2008–2015 гг.», разработка и серийное производство радиационно-стойких отечественных силовых транзисторов является одним из приоритетных направлений развития российской электронной отрасли [1].

В настоящее время в РФ производятся силовые транзисторы, которые не отвечают современным требованиям, предъявляемым производителями космической техники к компонентной базе в том, что касается электрических характеристик и стойкости к ионизирующим излучениям (см. табл. 1). По­этому ЗАО «Промышленные технологии» ведёт разработку радиационно-стойких силовых МОП-транзисторов n- и p-типов с блокирующими напряжениями 200, 100 и 60 В.

В 1970-х гг. началось производство силовых планарных МОП-транзис­торов по технологии двойной диффузии. Силовые МОП-транзисторы имеют вертикальную структуру – носители заряда движутся от истока, расположенного на поверхности кристалла, вертикально к стоку на другой стороне кристалла. В структуре прибора также имеется эпитаксиальный слой кремния, толщина и уровень легирования которого определяется значением блокирующего напряжения, на которое рассчитан прибор.

В 1990-х гг. появились силовые МОП-транзисторы, произведённые по технологии «тренч», то есть канавок, полученных плазмохимическим травлением эпитаксиальных пластин кремния. По сравнению с планарной, эта технология обладает следующими преимуществами:

• радикальным снижением сопротивления открытого канала [2];
• низким значением произведения заряда затвора на сопротивление открытого канала [3];
• улучшенными динамическими характеристиками вследствие уменьшения паразитных ёмкостей [4].

На рисунке 1 показан кристалл силового транзистора, разрабатываемого ЗАО «Промышленные технологии».

Преимущества электрических характеристик МОП-транзисторов с «тренч»-затворами, по сравнению с обычными планарными транзисторами, стимулировали выпуск радиационно-стойких приборов, специально созданных для космических применений. Радиационная стойкость таких МОП-транзисторов требует дополнительных испытаний, поскольку наличие затвора в канавке и более сложная картина распределения силовых линий электрического поля (по сравнению с планарным ДМОП-транзистором), в процессе работы транзистора усложняет его реакцию на воздействие ионизирующих излучений.

Электрические характеристики МОП-транзисторов в значительной степени подвержены деградации из-за накопленной дозы радиации и одиночных радиационных эффектов (одиночного эффекта выгорания и одиночного эффекта пробоя подзатворного диэлек­трика). Рассмотрим более подробно влияние одиночных эффектов на характеристики мощных МОП-транзисторов, в частности, с «тренч»-затворами.

Одиночный эффект выгорания

Одиночные радиационные эффекты возникают из-за взаимодействия высокоэнергетических тяжёлых ионов и протонов (тяжёлых заряженных частиц, ТЗЧ) с полупроводниковым материалом транзистора. Частицы ионизируют атомы кремния на своём пути следования в толще материала. Кроме того, вторичные частицы, возникающие из-за упругих и неупругих столкновений ядер атомов материала, также приводят к его ионизации.

На рисунке 2 представлены вольтамперные характеристики МОП-транзистора на различных стадиях электрического пробоя [5]. При увеличении напряжения сток–исток до определённого значения, МОП-транзистор входит в режим нормального лавинного пробоя. С ростом напряжения на истоке данный процесс продолжается до тех пор, пока падение напряжения внутри p-области не активирует паразитный биполярный транзистор. После этого МОП-транзистор уже не может выдерживать высокие значения напряжения сток–исток. При этом ток стока продолжает увеличиваться, а напряжение на стоке – падать. Из-за обратной связи наступает вторичный пробой, который приводит к короткому замыканию между стоком и истоком, что разрушает прибор.

На рисунке 3 представлены графики изменения токов утечки стока и затвора до и после облучения ТЗЧ, которые вызывают выгорание транзистора. В момент времени t = 0 ток истока равен 10^–8 А, а ток затвора – 10^–10 А. Перед переходом транзистора в состояние выгорания вышеуказанные токи утечки определяются параметрами прибора, а также измерительной установкой. В момент времени t = 50 нс наблюдается значительное увеличение тока стока. При этом ток затвора остаётся неизменным.

Одиночный эффект пробоя подзатворного диэлектрика

При прохождении ТЗЧ в эпитаксиальном слое силового транзистора генерируются электронно-дырочные пары. В вертикальном электрическом поле происходит разделение заряда: дырки дрейфуют в сторону интерфейса Si/SiO₂, а электроны – в сторону стока. Кроме того, электроны и дырки радиально диффундируют из ионизационного следа.

На границе окисел–полупроводник накапливается избыточная концентрация дырок. Это связано с тем, что дырки дрейфуют в горизонтальном электрическом поле медленнее, чем электроны – в вертикальном. Аккумуляция дырок на границе Si/SiO₂ приводит к появлению дополнительного заряда, а значит дополнительного электрического поля, которое запускает пробой подзатворного окисла. На рисунке 4 представлены электрические характеристики транзистора (ток стока и ток затвора) до и после пробоя подзатворного ди­электрика [5]. В момент времени t = 0 нс ток стока равен 10^–8 А, а ток затвора – 10^–10 А. В момент времени t = 50 нс ток затвора значительно увеличивается. Также ведёт себя и ток стока.

Условия проявления одиночного эффекта пробоя подзатворного диэлектрика и эффекта выгорания

На рисунке 5 представлены графики пороговых напряжений, при которых наступает пробой подзатворного диэлектрика при больших значениях напряжения на затворе. При этом напряжение сток–исток может быть малым (см. область I на рис. 5) [6].

В области малых значений напряжения сток–исток не проявляет себя эффект выгорания, так как пиковая напряжённость электрических полей в эпитаксиальном слое недостаточна для поддержания лавинного пробоя. При малых напряжениях на затворе транзистора и достаточно больших значениях напряжения сток–исток возможно совместное проявление выгорания транзистора и пробоя диэлектрика. В области III напряжение на затворе слишком мало, чтобы инициировать пробой диэлектрика первым (малые значения линейных потерь энергии – ЛПЭ), однако вероятность выгорания транзистора высока из-за высокого напряжения сток–исток. Следовательно, доминирующим механизмом катастрофического отказа является одиночный эффект выгорания транзистора. В области II возможно либо выгорание транзистора, либо пробой диэлектрика под воздействием ионизирующих излучений (для одинаковых значений напряжений V_gs, V_ds и ЛПЭ).

Результаты испытаний транзисторов, изготовленных по технологии «тренч», на одиночные эффекты

В настоящее время опубликовано незначительное число результатов испытаний, описывающих влияние одиночных радиационных эффектов на электрические характеристики «тренч»-МОП-транзисторов. Далее представлены результаты испытаний воздействия ТЗЧ на МОП-транзисторы следующих производителей: International Rectifier (США) – IRHLF87Y20SCS, Vishay – SUM45N25-58, Vishay – Si7431DP. Электрические характеристики транзисторов сведены в таблицу 2.

Из анализа рисунков 6–8 следует, что только один из рассматриваемых приборов (International Rectifier) не изменяет своего значения пробивного напряжения (при приложенных напряжениях затвор–исток вплоть до ~2,5 В) под воздействием ТЗЧ (в данном случае ионов брома, йода и золота).



С ростом значений напряжения затвор–исток происходит быстрая деградация прибора. Транзистор SUM45N25-58 производства Vishay обеспечивает радиационную стойкость только для половины заявленного блокирующего напряжения (см. рис. 6). Характеристики p-канального транзистора Si7431DP (Vishay) стабильны при облучении ионами криптона до напряжений затвор–исток 5 В (см. рис. 7).

Заключение

Использование технологии изоляции канавками в производстве радиационно-стойких силовых полупроводниковых приборов – новое направление развития электроники для космических применений. Сложная физика одиночных радиационных эффектов и другая конструкция полупроводниковых приборов требуют модификации существующих конструктивно-технологических подходов обеспечения радиационной стойкости вновь разрабатываемых приборов.

Литература

1. Постановление Правительства Российской Федерации от 26 ноября 2007 г. №809 о федеральной целевой программе «Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники на 2008–2015 гг.». www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_158088.
2. Jayant Baliga B. Trends in Power Semiconductor Devices. IEEE Transactions on Electron Devices. 1996. V. 43. №10. P. 1717–1729.
3. Ma L., Amali A. et al. New Trench MOSFET Technology for DC/DC Converter Appli­cations. Power Semiconductor Devices and ICs. Proceedings. 2003. P. 354–357.
4. Lorenz L. Key Power Semiconductor Devices and Development Trends. International Workshop on Physics of Semiconductor Devices. 2007. P. 743–750.
5. Titus J. L. An Updated Perspective of Single Event Gate Rupture and Single Event Burnout in Power MOSFETs. IEEE Transactions on nuclear science. 2013. V. 60. № 3. P. 1912–1920.
6. Allenspach M. SEGR and SEB in N-Channel Power MOSFETS. IEEE Transactions on Nuclear Science. 1996. V. 43. № 6. P. 2927–2931.
7. Lauenstein J-M. et al. Recent Radiation Test Results for Power MOSFETs. Proceeding of 2013 Nuclear and Space Radiation Effects Conference. 2013.
8. Lauenstein J-M. et al. SEE Test Report, V. 2. Single Event Effects Testing of the Vishay Si7431DP P-Type Power MOSFET. 2011.
9. www.irf.com/product-info/datasheets/data/irhlf87y20.pdf.