Электронные приборы и системы, работающие в космическом пространстве, подвергаются непрерывному воздействию дестабилизирующих излучений (ДИ): протонов, электронов и тяжёлых ионов. Радиоактивное облучение этих систем создаёт серьёзные проблемы в бортовой электронике, составной частью которой являются мощные МОП-транзисторы с изолированным затвором (MOSFET – Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor), используемые в качестве основных ключевых элементов в электронных преобразовательных системах, включая системы бортового питания. Основными преимуществами мощных МОПтранзисторов по сравнению с другими ключевыми элементами являются высокое быстродействие, а также низкие сопротивление в открытом состоянии и потребляемая мощность в цепи управления [1].
Можно выделить два основных класса радиационных эффектов, которые могут произойти в мощных МОП-транзисторах во время или после воздействия ДИ (см. табл.):
- Эффекты накопленной дозы (TID effects).
- Эффекты, вызванные воздействием одиночных ионизирующих частиц (SEE – Single Event Effects) – высокоэнергетических тяжёлых ионов и протонов (ТЗЧ – тяжёлых заряженных частиц).
Эффекты накопленной дозы связаны с ионизацией вещества излучением, т.е. с образованием под действием ДИ свободных носителей заряда [2], захват которых на ловушках в объёме облучаемого материала может привести к накоплению заряда в различных областях приборных структур (как правило, это различные диэлектрические слои) и вызвать деградацию параметров транзисторов. Кроме того, вследствие ионизационных эффектов в активных и пассивных областях транзисторов могут возникать импульсы ионизационных токов, которые могут привести к различным эффектам как обратимого (импульсные сигналы помех на выводах транзисторов), так и необратимого характера (вторичный пробой, пробой подзатворного диэлектрика).
Воздействие одиночных ионизирующих частиц (ОИЧ) приводит как к ионизации вещества вдоль трека одиночной частицы, так и к эффектам смещения из-за прямого взаимодействия с атомом материала транзисторов и выбивания его из узла решётки при сообщении ему некоторой энергии, а также вторичного взаимодействия выбитого атома с соседними (при этом может иметь место каскад атомных соударений, сопровождающийхся вторичными смещениями атомов), что также может приводить к ионизации вещества. В результате воздействия ОИЧ на мощный МОП-транзистор может произойти катастрофический отказ, вызванный перегоранием транзистора (SEB – Single Event Burnout) или пробоем подзатворного диэлектрика (SEGR – Single Event Gate Rupture) [3]. Чтобы избежать отказов мощных МОП-транзисторов, вызванных воздействием ОИЧ, проводится оценка их устойчивости к данным воздействиям путём соответствующих испытаний, например согласно методу 1080 стандарта MIL-STD-750 [4]. При этом данная оценка может носить приблизительный характер ввиду сложного реального энергетического спектра космического пространства.
Создание современных мощных МОП-транзисторов, менее чувствительных к ДИ космического пространства, сочетает в себе как технологические, так и конструктивные методы повышения стойкости, а также моделирование влияния дестабилизирующих излучений на этапе разработки технологии производства и конструкции транзисторов с помощью модуля моделирования воздействия ТЗЧ, встроенного в программу двухмерного технологического и приборного моделирования TCAD Synopsys.
К технологическим методам относятся как разработка специализированных техпроцессов изготовления транзисторов, так и улучшение радиационных свойств слоёв и материалов, входящих в их конструкцию. В настоящее время это технология «кремний на карбиде кремния», специализированные операции создания диэлектрических слоёв и, в особенности, подзатворного ди-электрика и т.п. К конструктивным способам повышения стойкости относятся использование специальных корпусов, методов локальной защиты и т.п.
Целью данной статьи является обсуждение особенностей технологических процессов производства и конструкции мощных МОП-транзисторов космической силовой электроники, большинство из которых используется в транзисторах как 4-го, так и 5-го и 7-го поколений, разработанных компанией «СКТБ „Микроника“» совместно с ООО «Тандем Электроника» (г. Воронеж, официальный представитель СКТБ «Микроника» в РФ) [5].
Повышение стойкости к накопленной дозе
В большинстве случаев эффекты накопления заряда в мощных МОП-транзисто рах проявляются в постепенном ухудшении его электрических параметров из-за увеличения заряда в подзатворном диэлектрике, что приводит к изменению порогового напряжения и увеличению токов утечки транзистора.
Для всех типов технологий мощных МОП-транзисторов ключевыми моментами техпроцесса, увеличивающими стойкость к накопленной дозе, являются:
- уменьшение толщины подзатворного оксида tOX . Сдвиг порогового напряжения в результате накопления заряда в окисле и на границе раздела «оксид кремния – кремний» составляет tOX1,5~1,8 для оксидов, используемых в коммерческих технологиях, причём для пирогенного окисла сдвиг, обусловленный накоплением заряда в окисле, в 1,5…2 раза меньше, чем для окисла, выращенного в сухом кислороде [6];
- уменьшение температуры отжига в атмосфере азота подзатворного оксида кремния, которая должна быть не более +850…+875°С [7] с целью предотвращения создания дополнительных ловушек заряда, а также уменьшение температуры и времени высокотемпературных обработок после создания подзатворного диэлектрика;
- использование альтернативного подзатворного диэлектрика: пере-окисленного азотированного оксида (RNO – Reoxidized Nitrided Oxide) [8] или оксида гафния [9, 10].
Повышение стойкости к SEGR
Для создания мощного МОП-транзистора, устойчивого к эффекту пробоя подзатворного диэлектрика при воздействии ТЗЧ, необходимо выполнение следующего условия: падение напряжения на подзатворном ди-электрике вдоль ионизационного трека ТЗЧ должно быть меньше критического напряжения Vgs_кр (измеряется в В), определяемого по формуле Titus-Wheatley [11] для диэлектрика из SiO2, при условии воздействия ТЗЧ перпендикулярно поверхности подзатворного окисла:
где EBD – напряжённость электрического поля, В/см; tOX – толщина подзатворного окисла, см; Z – атомный номер ТЗЧ.
Зависимость критического напряжения Vgs_кр от атомного номера ТЗЧ для разной толщины подзатворного окисла, рассчитанная с использованием выражения (1), представлена на рисунке 1 [11].
Когда ТЗЧ пересекает эпитаксиальный слой в JFET-области (между областями P-базы (см. рис. 2)) планарного вертикального МОП-транзистора (VDMOS – Vertical Diffusion Metal Oxide Seniconductor), созданный ею ионизированный трек шунтирует JFET-область и тем самым подсоединяет границу раздела «подзатворный диэлектрик – эпитаксиальный слой» к более высокому напряжению стока VCOUPLED (см. рис. 3).
Электрическое поле, вызванное этим напряжением, суммируется с уже имеющимся, что при превышении предела для используемого диэлектрика приведёт к его пробою.
Эмпирическая зависимость напряжения VCOUPLED от линейной потери энергии (ЛПЭ, LET – Linear energy transfer) ТЗЧ для мощного МОП-транзистора с эпитаксиальным слоем толщиной 7 мкм и глубиной Р-базы 2 мкм (см. рис. 4) представлена в работе [12]. Утверждается, что данная зависимость будет определяться шириной (расстоянием между P-базами) и уровнем легирования JFET-области, глубиной и концентрацией примеси в базе, параметрами эпитаксиальной структуры.
Одним из первых способов увеличения стойкости мощных МОП-транзисторов к SEGR является использование полосковой структуры затвора (Strip Cell) вместо сотовой (гексагональной, квадратной и пр.) [13] и оптимизация ширины JFET-области транзистора в сторону уменьшения. Причём преимущества полосковой структуры наиболее проявляются для напряжений сток – исток выше 40 В, при которых зависимость критического напряжения на затворе от напряжения на стоке стремится к насыщению, тогда как для сотовой структуры затвора характер этой зависимости не изменяется.
Для МОП-транзисторов с большой длиной затвора уменьшить вероятность наступления SEGR-отказа позволяет удаление (вырезание) центральной части затвора, которая не участвует в работе транзистора (см. рис. 5) [14]. Причём для области подзатворного диэлектрика, над которой удалён затвор, по данным работы [14], критическое напряжение увеличивается, например с 17 до 27 В. Следует отметить, что данный способ усложняет технологический процесс, так как требует защиты открытой части подзатворного окисла от нежелательных воздействий технологического процесса.
В мощных МОП-транзисторах с канавочной структурой увеличение устойчивости к SEGR достигается за счёт использования толстого окисла на дне канавки, причём граница этого окисла должна быть как можно ближе к границе P-базы (см. рис. 6).
Существенное улучшение стойкости к SEGR достигается в горизонтальных мощных МОП-транзисторах на КНИ-подложке (SOI LNDMOS-транзисторы), в которых ионизированный трек от воздействия ТЗЧ физически не может проходить через подзатворный ди-электрик и бо¢льшую часть стока транзистора. В такой структуре (см. рис. 7) STI-изоляция (Shallow Trench Isolation, изоляция мелкими канавками) играет роль дополнительного «экрана» и прерывает ионизированный трек от ТЗЧ, летящих под углом к поверхности подзатворного диэлектрика.
Транзисторы данного типа с рабочим напряжением 150 В, изготовленные по 0,35 мкм технологии, имеют на 10–15% большее значение сопротивления канала в открытом состоянии, чем классические вертикальные МОП-транзисторы, изготовленные по радиационно стойкой технологии, но в то же время они устойчивы к SEGR во всём рабочем диапазоне напряжений стока и затвора и у них на порядок меньше заряд затвора и время восстановления [15]. Основным недостатком данной структуры является снижение пробивного напряжения сток – исток от накопленной дозы по причине накопления заряда в скрытом окисле (BOX – Buried OXide ) и STI-изоляции. В связи с тем что, по данным работы [16], основной вклад в снижение пробивного напряжения вносит накопление заряда в скрытом окисле, использование SiC-подложки N-типа вместо SOI-структуры значительно увеличивает стойкость LNDMOS-транзисторов к TID.
Повышение стойкости к SEB
Известно, что стойкость к SEB для МОП-транзисторов определяется их устойчивостью к вторичному про-бою [17], который происходит при включении паразитного NPN-транзистора (N-сток – P-база – N-исток). Когда транзистор находится в нормальном закрытом состоянии, при напряжении, превышающем напряжение вторичного пробоя, ток, образующийся вследствие рассасывания зарядов ионизированного трека после воздействия ТЗЧ, может быть достаточным для включения паразитного NPN-транзистора и тем самым перевода транзистора из нормально закрытого состояния в состояние вторичного пробоя и его выгорания. Вторичный пробой хорошо моделируется программой TCAD Synopsys, в связи с чем значительно упрощается разработка технологического процесса и конструкции МОП-транзистора, устойчивого к SEB.
К основным практическим и экспериментально подтверждённым приёмам, увеличивающим напряжение вторичного пробоя мощных вертикальных МОП-транзисторов для космической электроники, относятся:
- уменьшение паразитного сопротивления Р-базы посредством создания глубокого P+-слоя в области контакта к базе и P++-слоя под областью N+ истока (см. рис. 8);
- выращивание N+-буферного эпитаксиального слоя между низкоомной подложкой и приборным N-эпитаксиальным слоем (см. рис. 8) [17, 18];
- оптимизация топологии N+ -истоковых областей.
Если уменьшение паразитного сопротивления Р-базы широко используется для коммерческих приборов с целью увеличения их стойкости к лавинному пробою, то применение N+-буферного эпитаксиального слоя позволяет дополнительно существенно увеличить напряжение вторичного пробоя. Из рисунка 9 видно, что для ячейки 600 В планарного МОП-транзистора использование N+-буферного эпитаксиального слоя увеличивает напряжение вторичного пробоя с 320 до 550 В.
Примечание: Id – ток стока, Vd – напряжение стока
Следует отметить, что толщина и концентрация примеси в N+-буферном эпитаксиальном слое зависят от рабочего напряжения транзистора. По результатам моделирования исследованной ячейки 600 В МОП-транзистора с увеличением толщины (Т) N+-буферного эпитаксиального слоя напряжение вторичного лавинного пробоя увеличивается и стремится к насыщению (см. рис. 10): при условии T1<T2=2×T1<T3=3×T1<T4=4×T1 напряжение вторичного пробоя составляет 430, 520, 545, 555 и 565 В соответственно.
Примечание: Id – ток стока, Vd – напряжение стока
Зависимость напряжения вторичного лавинного пробоя от удельного сопротивления (R) N+-буферного эпитаксиального слоя имеет максимум, что видно из анализа данных, представленных на рисунке 11: максимальное напряжение 520 В получено для условия 1,25×R1.
Примечание: Id – ток стока, Vd – напряжение стока
Оптимизация топологии и техпроцесса формирования N+-истоковых областей также предназначена для снижения влияния паразитного NPN-транзистора за счёт уменьшения паразитного сопротивления Р-базы и эффективности коллектора паразитного транзистора. Она обычно включает в себя формирование шунтов между областями контакта с Р-базой и областью Р-базы под затвором (см. рис. 12), а также уменьшение дозы легирования N+-истоков [18].
Следует отметить, что все описанные методы, в том числе использование N+-буферного эпитаксиального слоя, увеличивают сопротивление транзистора в открытом состоянии, поэтому разработчики приборов всегда вынуждены находить компромисс между требуемым уровнем стойкости к SEB, электрическими параметрами и площадью кристалла.
Заключение
Рассмотренные ключевые приёмы, используемые в технологии изготовления и в конструкции мощных МОП-транзисторов, позволяют повысить их стойкость к воздействию ДИ космического пространства. Применение моделирования воздействия ТЗЧ на критические области транзистора на этапе его разработки с помощью специального программного модуля, встроенного в TCAD Synopsys, позволяет существенно сократить цикл разработки изделия.
Литература
- Силовые полупроводниковые приборы. / Пер. с англ. под ред. В.В. Токарева. – Воронеж: Элист, 1995.
- Schwank J. Total Dose Effects in MOS Devices // Radiation Effects – From Particles to Payloads. IEEE NSREC Short Course. 2002.
- Titus J.L., Wheatley C.F. Experimental studies of single event gate rupture and burnout in vertical power MOSFETs. IEEE Trans. Nucl. Sci. Apr. 1996. V. 43.
- Method 1080.1. Single-Event Burnout and Single-Event Gate Rupture, Defense Logistics Agency (DLA) Land and Maritime MIL-STD-750F. Jan. 3. 2012.
- Сайт ООО «Тандем Электроника»: http://te.vrn.ru/index.html
- Schwank J.R., Shaneyfelt M.R., Fleetwood D.M., Felix J.A., Dodd P.E., Paillet P., Ferlet-Cavrois V. Radiation effects in MOS oxides // IEEE Trans. Nucl. Sci. Aug. 2008. V. 55. № 4.
- Таперо К.И., Улимов В.Н., Членов А.М. Радиационные эффекты в кремниевых интегральных схемах космического применения. – М.: Лаборатория знаний, 2012.
- Lucovsky G., Fleetwood D.M., Lee S. et al. Differences between charge trapping states in irradiated nano-crystalline HfO and non-crystalline Hf silicates // IEEE Trans. Nucl. Sci. Dec. 2006, V. 53. № 6.
- Manchanda L., Weber G.R., Kim Y.O., Feldman L.C. et al. A new method to fabricate thin oxynitride/oxide gate dielectric for deep submicron devices // Microelectron. Eng., Aug. 1993. V. 22. № 1–4.
- Dunn G.L., Wyatt P.W. Reoxidized nitrided oxide for radiationhardened MOS devices // IEEE Trans. Nucl. Sci. Dec. 1989, V. 36. № 6.
- Titus J.L., Wheatley C.F., Tyne K.M. et al. Effect of ion energy upon dielectric breakdown of the capacitor response in vertical power MOSFETs // IEEE Trans. Nucl. Sci. Dec. 1998. V. 45. № 6.
- Wheatley C.F., Titus J.L., Burton D.I. Single-event gate rupture in vertical power MOSFETs: An original empirical expression // IEEE Trans. Nucl. Sci. Dec. 1994, V. 41. № 6.
- Savage M.W., Burton D.I., Wheatley C.F., Titus J.L., Gillberg J.E. An improved stripe-cell SEGR hardened power MOSFET technology // IEEE Transactions on Nuclear Science. Dec. 2001. V. 48. № 6.
- Allenspach M., Dachs C., Johnson G.H. et al. SEGR and SEB in N-Channel Power MOSFETs // IEEE Transactions on Nuclear Science. Dec. 1996. V. 43. № 6.
- Shea P.M., Shen Z.J. Numerical and Experimental Investigation of Single Event Effects in SOI Lateral Power MOSFETs // IEEE Trans. Nucl. Sci., Dec. 2011. V. 58. № 6.
- Ali K.B., Gammon P.M., Chan C.W. et al. Single event effects and total ionising dose in 600V Si-on-SiC LDMOS transistors for rad-hard space applications // Solid-State Device Research Conference (ESSDERC). 2017 47th European.
- Liu S., Boden M., Girdhar D.A., Titus J.L. Single-event burnout and avalanche characteristics of power DMOSFETs // IEEE Trans. Nucl. Sci. Dec. 2006. V. 53. № 6.
- Liu S., Titus J.L., Boden M. Effect of Buffer Layer on Single-Event Burnout of Power DMOSFETs // IEEE Trans. Nucl. Sci., Dec. 2007. V54. № 6.
Если вам понравился материал, кликните значок - вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал - не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!