MOS 电容器单粒子介质击穿导致GaN 功率放大器失效分析

于庆奎，张洪伟，孙 毅，梅 博，李晓亮，吕 贺，王 贺，李鹏伟，唐 民，王哲力，文 平

（1. 中国空间技术研究院； 2. 国防科技工业抗辐照应用技术创新中心：北京 100029；3. 南京电子器件研究所，南京 210016； 4. 空间电子信息技术研究院，西安 710100）

0 引言

与硅基器件相比，GaN 高电子迁移率晶体管（HEMT）在高频、大功率、高温和高压应用方面具有超强的优势，是极具潜力的空间用器件。空间应用器件须满足抗辐射要求，GaN 禁带宽度较宽，故理论上GaN 器件具有强抗辐射能力[1-2]。国内外试验验证了GaN 器件抗电离总剂量效应和位移损伤能力较强[3-4]，但GaN 高压功率器件会发生单粒子烧毁失效[5]。因此，对于空间用GaN 高压功率器件，应特别关注单粒子效应，包括单粒子烧毁、单粒子栅击穿等。GaN 功率放大器为混合电路，由有源器件GaN HEMT、无源器件电容器和电感器等构成。传统观点认为，无源器件电容器、电感器属于辐射效应不敏感的；但研究表明MOS 电容器对单粒子介质击穿敏感[6-8]。为了确保新型GaN 功率放大器满足空间辐射环境应用要求，使用前应对其进行单粒子效应评估。

本文对一款基于GaN HEMT 芯片制造的功率放大器进行了重离子辐照试验及失效分析，旨在为功率放大器及类似工艺结构的混合电路的空间应用及加固设计提供参考。

1 试验过程

1.1 样品

被试样品为基于GaN HEMT 芯片制造的功率放大器，频率范围7.7～8.5 GHz，输出功率42 dBm，输出电压24 V。采用混合电路工艺制造，由GaN HEMT 芯片、硅半导体工艺MOS 电容器、陶瓷电容器和电感器等组成。在GaN HEMT 漏极和栅极上各串联一个MOS 电容器。封装形式为金属陶瓷。

共对2 只样品进行辐照试验，样品编号115#、117#。试验前，将样品开帽，露出内部的GaN HEMT芯片、电容器和电感器。

1.2 试验装置

重离子试验在中国原子能院HI-13 串列静电加速器上进行。为了评估空间辐射环境中铁峰（最大LET 约为26 MeV·cm2/mg）的影响，辐射源选择锗离子（Ge+13），能量为205 MeV，LET 值为37.4 MeV·cm2/mg，在硅中射程为30.0 μm，注量率为1×104cm-2·s-1。离子束斑为边长5 cm 的正方形，足以覆盖样品中的所有元器件。每次辐照1 只样品。

1.3 效应检测

离子束辐照过程中，被试样品施加静态电偏置：Vgs=-8 V，按产品考核要求，电源端施加3 倍额定电压，即Vds=84 V。供电电源为Agilent N6705B。实时监测漏极和栅极的电流，如果监测电流突然跳变，则关闭束流，对被试样品进行全参数和功能检测。

2 试验结果

分别对2 只GaN 功率放大器进行试验，Ge 离子束流开启后，2 只被试样品均马上监测到漏极电流跳变。

关闭离子束流，对被试样品进行测试，发现它们均已失效。

用显微镜对功率放大器内部各元器件进行检查，发现串联在GaN HEMT 芯片漏极的MOS 电容器表面金属电极存在熔融烧毁痕迹，烧毁部位位于电容器电极边缘，如图1 所示。未发现串联在GaN HEMT 栅极的MOS 电容器以及GaN HEMT 芯片、电感器和陶瓷电容器形貌存在异常。

图 1 MOS 电容器表面有烧毁痕迹（箭头所指）Fig. 1 Damaged spots on the surface of MOS capacitor (see arrowhead)

对GaN 功率放大器内部各元器件分别进行电测试，结果显示：1）串联在GaN HEMT 漏极的MOS 电容器呈现短路状态，发生了短路击穿失效；2）GaN HEMT 芯片的电参数与辐照前数据对比没有变化，可确认GaN HEMT 芯片未失效；3）陶瓷电容器和电感器未发现异常。

测试结果表明，重离子辐照引起串联在GaN HEMT 漏极的MOS 电容器短路失效，导致GaN 功率放大器失效。

3 MOS 电容器失效原因分析

用扫描电子显微镜对失效的MOS 电容器进行形貌观察，如图2 所示，发现电容器存在局部严重烧毁，表面金属层有熔融痕迹。对烧毁部位进行能谱分析，如图3 所示，发现其主要成分为Si。综上可以判断，MOS 电容器介质层被击穿，导致电容器失效。

图 2 烧毁电容器SEM 图Fig. 2 SEM picture showing damaged spots on the surface of dielectric layer

图 3 烧毁部位的成分能谱Fig. 3 Energy spectrum for the surface of damaged dielectric layer

失效的MOS 电容器是基于硅半导体工艺生产的，如图4 所示：介质层上有Ti（厚度为100 nm）和W（厚度为300 nm）构成的金属阻挡层，表面电镀Au 层（厚度为3 μm）；介质层为SiO2和Si3N4，厚度分别为85 nm 和150 nm；衬底为硅，N 型掺杂（As），电阻率为0.006～0.009 Ω·cm2，厚度为110 μm。电容器尺寸为600 μm×600 μm×114 μm。

图 4 MOS 电容剖面结构示意Fig. 4 Cross section profile of MOS capacitor

SiO2击穿电场强度约为6×106V/cm，按此计算，介质厚度为235 nm 的电容器的击穿电压约为141 V。

取同批次MOS 电容器芯片进行击穿电压测试：金属电极加正电，以漏电流达到50 μA 时的电压为击穿电压。测试得到MOS 电容器的击穿电压为152 V 左右，与通过介质击穿电场计算的击穿电压较为接近。

梳理MOS 电容器可能的失效原因：

1）高能离子在MOS 电容器上电极积累，产生的电压超过击穿电压，引起介质击穿失效；

2）高能离子在硅衬底电离出的电荷在MOS电容器下电极积累，产生的电压超过击穿电压，引起介质击穿失效；

3）高能离子穿过MOS 电容器过程中，在介质中引入损伤，导致单粒子介质击穿失效。

对这些可能的原因分别进行讨论：

1）不可能是辐照离子在表面电极上积累引起的。试验用Ge 离子的射程为30 μm，足够穿过表面金属化层（包括厚度为3 μm 的Au、厚度为100 nm的Ti、厚度为300 nm 的W）和介质层（85 nm的SiO2和150 nm 的Si3N4）进入硅衬底，因此，辐照离子不会在表面电极上积累引起介质层过电压击穿。

2）不可能是高能离子在硅衬底电离出的电荷在MOS 电容器下电极积累造成的。衬底为N 型重搀杂，当表面电极加正电压时，在硅衬底负电极上形成的是电子（多子）积累，由辐照产生的电子-空穴分离出来的电子数量相对于多子（电子）的数量可以忽略。

3）排除前两者后，分析认为MOS 电容器发生了单粒子介质击穿失效。该种击穿类似于MOSFET器件中的单粒子栅击穿（SEGR）。Wrobel[8]针对SEGR 现象提出了等离子体通道（plasma pipe）模型，认为：高能离子穿过金属电极，进入绝缘介质层时，会通过电离产生电子-空穴对；在电场的作用下，电子向金属-介质界面运动，而空穴向介质-Si界面运动；电子-空穴在高压下加速运动，在介质内形成等离子体通道及大电流，造成等离子管道区域温度上升到1300 ℃以上，达到介质熔点，从而造成介质层出现烧毁。

单粒子介质击穿不仅与入射离子的LET 值有关，还与介质材料中的电场强度有关。辐照失效电容器的失效部位均位于电极四周边缘，边缘处电场相对集中，在同样的离子和电压下容易首先出现介质击穿失效。试验观察的失效现象支持电容器是单粒子介质击穿失效。

文献[9]给出一个计算MOS 电容击穿电压的模型。该模型中，击穿电压是介质层厚度的函数，即

式中：|Eint|是介质材料的本征击穿电场；td是氧化层厚度；α=0.164 8 MeV-b；b=0.25，是半经验参数；变量 χ（单位MeV）由给出，其中：Z是入射离子的相对原子质量；ρ是介质材料密度。

SiO2-Si3N4介质层的临界击穿电压为

文献[10]给出：SiO2和Si3N4的本征击穿电场|Eint|分别为10 MV/cm 和4.5 MV/cm。

利用上述模型计算了Ge（205 MeV）离子辐照MOS 电容器的临界击穿电压为77.2 V，与试验结果是吻合的。因此，判定MOS 电容器发生了单粒子介质击穿。

4 MOS 电容器单粒子介质击穿失效的验证

为了验证MOS 电容器为单粒子介质击穿失效，对相同型号的MOS 电容器进行了重离子辐照试验，通过试验测量出了介质击穿电压，同时，进行单粒子介质击穿电压的理论计算。对试验获得的结果和理论计算结果进行了比较。

共对10 只电容器进行了辐照试验。试验在中国原子能科学研究院串列静电加速器上进行，试验源为Ge 离子、Ti 离子、Si 离子。辐照中，样品施加的电压、辐照离子的能量和LET 值及试验结果如表1 所示。从表1 可看出：Ge 离子辐照时，84 V 电压下电容器发生短路失效，56 V 电压下电容器未发生短路失效，表明重离子引起的烧毁与施加在电容器上的电压有关；在84 V 电压下，Ge 和Ti 离子引起电容器烧毁失效，而Si 离子未引起电容器烧毁失效，表明电容器短路失效与入射离子的LET 值有关。

表 1 MOS 电容器重离子试验结果Table 1 Heavy ion test results of MOS capacitors

利用式(1)～(3)计算重离子辐照引起MOS 电容器单粒子介质击穿的临界击穿电压，结果见表2。同时与离子辐照试验结果进行对比发现二者基本吻合。因此，得出MOS 电容器失效是单粒子介质击穿。

表 2 MOS 电容器计算的临界击穿电压和重离子辐照试验测量结果Table 2 Critical breakdown voltage of MOS capacitors obtained by calculation and heavy ion test

5 结论

本文对一款基于GaN HEMT 芯片制造的功率放大器进行了重离子辐照试验，2 只样品均发生了失效。通过对失效器件的分析，可以得出如下结论：

1）重离子辐照中GaN 功率放大器失效原因是MOS 电容器单粒子介质击穿，理论计算和试验结果验证了这一点。MOS 电容器单粒子介质击穿电压的大小与介质层厚度和介质的击穿电场有关。

2）对于含有MOS 电容器的混合电路，需要评估MOS 电容器单粒子介质击穿敏感性。可通过理论计算和重离子辐照试验方法进行评估。