一种SOI LDMOS器件辐射效应仿真研究*

余洋，乔明

(电子科技大学,成都 610054)

1 引言

半导体器件在恶劣的辐射环境下工作时必须具有一定的抗辐射能力。在生产实验之前，对半导体器件进行辐射效应仿真验证，有利于缩短设计周期，节约工艺成本。Sentaurus是Synopsys公司推出的新一代TCAD(Technology Computer Aided Design,半导体工艺模拟及器件模拟工具)软件，其功能强大，模型众多。然而Sentaurus提供的辐射仿真模型仅有γ粒子辐射模型 (Gamma Radiation Model)、α粒子辐射模型(Alpha Particle Model)和重粒子辐射模型 (Heavy Ion Model)，且其无法在氧化层激活。这使得辐射效应的仿真，尤其是总剂量辐射和中子辐射仿真变得困难[1]。

本文根据辐射损伤机理，结合Sentaurus TCAD软件提供的模型，对一种薄硅层SOI(Silicon on Insulator,绝缘衬底上硅)LDMOS(Lateral Double Diffused Metal Oxide Semiconductor,横向双扩散金属氧化物半导体)器件进行辐射效应仿真研究。对其分别进行总剂量辐射、中子辐射和剂量率辐射仿真，通过其电学特性变化，揭示辐射效应损伤机理，为抗辐射的SOI LDMOS器件提供设计指导。

2 总剂量辐射效应仿真

2.1 总剂量辐射损伤机理与仿真模型

电离辐射在二氧化硅中会激发出电子空穴对，这些电子空穴在外加电场的作用下，迁移率较高的电子很快离开介质，而迁移率较低的空穴则一部分离开介质，一部分被二氧化硅中的深空穴陷阱俘获，形成正空间电荷ΔQot。该电荷与二氧化硅中的空穴陷阱面密度相关，而空穴陷阱面密度与工艺相关。由于迁移到界面处的空穴数量与介质中电场方向和大小密切相关，在正向偏压作用下，空穴向界面移动，使得界面附近被俘获的空穴增多，正空间电荷更大，辐射效应更加严重[2-3]，所以正空间电荷ΔQot也与电场相关。电离辐射产生的界面态电荷ΔQot可用式（1）求出[4]：

式（1）中：tox为氧化层厚度，N为单位体积上氧化层吸收1 Gy剂量产生的空穴密度，F(E,ζ)为与电场E和辐射粒子能量ζ相关的空穴产生率，D为辐射剂量（单位Gy），ft为经验参数，其与器件制备时的实际工艺步骤密切相关，即使详细了解所有的工艺也不可能预估，只有通过实验来确定。

SiO2-Si界面处大约有1 nm的Si-O键应变层，这些Si-O键在辐射的作用下很容易断裂，形成与氧空位相关的Si缺陷，这些缺陷大量俘获空穴，形成一个界面态电荷ΔQit。实验表明，对于N沟道MOS，界面态电荷ΔQit表现为负电荷；对于P沟道MOS，界面态电荷ΔQit表现为正电荷。界面态电荷ΔQit主要取决于工艺制备过程，与栅的材料、栅氧层材料、厚度、含氢量和界面应力等关键工艺有关。电离辐射产生的界面态电荷 ΔQit可用式（2）求出[5]:

式（2）中：ΔNit为电离辐射产生的单位面积界面态电荷数，K为经验比例系数。

从（1）式和（2）式可知，在总剂量辐射影响下，N沟道MOS器件阈值电压的漂移为：

然而在应用上述模型的时候，K可取经验值1.077×10-7，fot却并没有常用的经验值[6]。

通过求解连续性方程解得[7]：

式中：ΔNot为氧化层电荷面密度，Nt为氧化层空穴陷阱密度，σ为空穴俘获截面，go为单位剂量电离辐射在氧化层单位体积内产生的空穴电子对数目，fy为氧化层电场E和辐射粒子能量相关的空穴产生率，E越大，fy越大，最终趋近于1。

2.2 总剂量辐射效应损伤仿真

通过（2）式、（4）式和（5）式，将一定总剂量辐射换算成氧化层电荷和界面电荷，然后利用Sentaurus TCAD自带的陷阱与电荷模型（Traps and Fixed Charges）将两个电荷直接加到相应的区域，便可进行总剂量辐射效应损伤仿真。

图1 仿真SOI LDMOS器件结构仿真图

图2为仿真得出的tox=20 nm的SOI LDMOS管不同辐射剂量下转移特性曲线图。由图2可以看出，随着辐射剂量的增大，器件阈值电压越来越小。阈值电压的改变会影响器件的开态电流能力，对开态安全工作区、开态电流等关键参数影响较大。

图2 不同辐射剂量转移特性曲线图

3 中子辐射仿真

3.1 中子辐射损伤机理与仿真模型

中子不带电，所以穿透能力极强，它可以充分地靠近被辐射材料晶格原子的原子核，与原子核产生弹性碰撞。晶格原子在碰撞过程中得到能量，从而离开它正常的点阵位置，成为晶格中的间隙原子，它原来位置留下了一个空位。单个原子的位移形成简单缺陷，称为弗伦克尔缺陷[8]。

中子辐射形成的缺陷可在半导体材料原子的禁带内引入新的能级，这就增加了载流子之间复合的机会，降低了少子寿命。另外这些缺陷可以作为陷阱俘获载流子，使其无法参与导电，相当于降低了器件的掺杂浓度，也就是载流子去除效应。与此同时，这些缺陷也可作为载流子的散射中心，进而降低载流子的迁移率。已知中子辐射造成的位移损伤可以等效于在硅间隙中加入了3个能带[9]，见表1、表2。

表1、表2中，Level代表3个不同位置能带，σn,p为电子与空穴俘获截面，σn为电子俘获截面，σp为空穴俘获截面。η为中子注量引入率，反映某一中子注量下每个能带受到的中子注量影响。

表1 P型硅中子辐射等效模型

表2 N型硅中子辐射等效模型

3.2 中子辐射效应损伤仿真

将一定中子注量按照上述模型转换为3个能带，考虑到对于SOI器件来说，衬底不会影响电流能力，所以可直接利用Sentaurus TCAD自带的陷阱与电荷模型（Traps and Fixed Charges）将3个能带引入SOI层，然后进行器件电学特性仿真，得到器件转移特性曲线如图3、输出特性曲线如图4所示。

从图3、图4可以看出，中子辐射对器件阈值电压基本没有影响，随着中子注量的增大，器件开态电流能力有一定下降，但由于LDMOS为多子器件，开态电流下降有限，只有在很大的中子注量下才大幅下滑，这一现象符合理论。

图3 不同中子辐射转移特性曲线图

图4 不同中子辐射输出特性曲线图

4 瞬时剂量率辐射仿真

4.1 瞬时剂量率辐射损伤机理与仿真模型

瞬时剂量率辐射主要表现为扩散光电流。瞬时辐射在硅中引发的电子空穴对，在一定偏压的作用下，会形成感生电流。当该电流流过LDMOS本身就存在着的寄生三极管时，由于基区电阻的存在，会在基区产生一个压降。当基区压降超过0.7 V时，寄生三极管就会开启，电流迅速增大。当该光电流产生的功率超过器件承受能力时，器件就会因为过热而烧毁[10]。仿真所用超薄硅层SOI LDMOS结构中，在P well区的下方加入了高浓度掺杂的PBL区，该区域可以有效降低寄生NPN管的基区电阻，提高器件抗瞬时辐射能力。

4.2 瞬时剂量率辐射效应损伤仿真

Sentaurus TCAD软件自带的γ粒子辐射模型主要变量为辐射剂量率，所以使用该模型进行器件瞬态仿真，验证该模型适用性。仿真时，器件处于关态固定漏压40 V下，在500 ns处给器件施加时长20 ns的瞬时辐射，得到瞬态漏电流曲线如图5所示。

图5 不同瞬时剂量率瞬态特性曲线图

可以看出，在添加辐射的一瞬间，器件产生一个大电流，这是由于辐射产生的电子空穴对在漏压作用下进行运动。在去掉辐射后，电流瞬间减小，然而如果瞬态辐射过大，产生的光电流就可能难以恢复，最终导致器件烧毁。这一结果符合瞬时剂量率辐射效应。

5 结论

本文通过Sentaurus TCAD对SOI LDMOS的总剂量辐射、瞬时剂量率辐射和中子辐射特性进行辐射损伤模拟仿真。Sentaurus自带的辐射仿真模型只能有效地进行瞬时剂量率辐射仿真，对于总剂量辐射和中子辐射则需要将辐射定量地换算成电荷或能带，结合Sentaurus自带的陷阱与电荷模型，才能够进行有效仿真。然而使用的换算模型仍有大量近似，目前对辐射损伤机理也有很多问题等待解决，因此，对SOI高压器件辐射损伤的预估还有待进一步仿真和实验研究。