一种总剂量辐照加固的双栅LDMOS器件

马红跃，方 健，雷一博，黎 明，卜 宁，张 波

（电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室，成都610054）

1 引言

LDMOS（Lateral Double-Diffused Metal-Oxide-Semiconductor）被广泛应用于各种功率转换集成电路中，如功率开关、功率集成电路等。当LDMOS器件运用在航天器的功率开关、功率集成电路上时，必然受到辐照的影响[1]。宇宙空间中存在大量的带电粒子和宇宙射线，这些带电粒子和高能射线会导致LDMOS器件的电特性参数发生退化，包括阈值电压漂移、跨导退化、泄漏电流增加、耐压下降等[2-4]。

对于N型LDMOS，总剂量辐照（Total-Ionizing-Dose，TID）引起的阈值电压漂移一般认为是由辐照在氧化层中产生了正的固定电荷以及Si和SiO2界面态所致[5]，正的固定电荷导致沟道反型，沟道提前开启，阈值电压向负方向漂移；界面态又会使阈值电压向正方向移动。阈值电压漂移主要由氧化层中产生的正的固定电荷量主导，其产生量与氧化层厚度成正比，由固定电荷引起的阈值电压漂移量与氧化层厚度成平方关系。对于阈值电压漂移，认为可以通过减薄氧化层厚度以及栅氧化层采用高K栅介质材料等手段来减少氧化层中的缺陷[6-8]。

常规600 V N型LDMOS属于高压大功率器件，常用在高压栅驱动芯片上。当芯片工作电压较高时，需要LDMOS承受高电压，这种情况下必须使用栅氧化层较厚的LDMOS晶体管，而电路的抗总剂量辐照能力主要由氧化层较厚的高压LDMOS晶体管所决定。由于总剂量辐照后，阈值电压漂移量与栅氧化层厚度成平方关系[7-8]，此时栅氧化层较厚的600 V N型LDMOS阈值电压有可能由正变为负，直接影响电路工作点，造成电路功能异常。因此本文提出一种具有薄栅氧和厚栅氧特征的双栅LDMOS新结构来解决这一矛盾。在总剂量辐照下，栅氧化层较厚的结构用来承受高压，而栅氧化层较薄的结构可以抑制总剂量辐照产生的阈值电压漂移，最后采用理论分析和仿真验证的方法对双栅新结构进行研究。

2 双栅LDMOS结构特征与工作机理

2.1 双栅结构特征

图1 为常规600 V N型LDMOS结构剖面图，图2为双栅600 V N型LDMOS结构剖面图。双栅结构与常规结构的不同之处在于，双栅结构在P阱上方N+有源区有一层很薄的栅氧化层，同时与N+注入形成NMOS结构。与原始结构的厚栅氧化层构成一薄一厚的组合，薄栅NMOS作为辐照后控制电流从漏极流向源极的开关，厚栅的LDMOS作为承受耐压的主要部分。

图1 600 V常规NLDMOS剖面结构

图2 600 V双栅NLDMOS剖面结构

2.2 双栅结构工作原理

双栅LDMOS具备薄栅氧和厚栅氧结构特征，其电流由2个栅极共同控制，为了方便运用，可以如图3所示的分压关系将厚栅氧的栅极Gate2和薄栅氧的栅极Gate1关联起来等效于一个栅极[9]，在运用的时候只需要在Gate2上输入信号即可。在辐照前，合理的分压会使得薄栅不会承受高电压，同时也使得厚栅在开启的时候，薄栅也会正常开启，不影响整个器件的开关速度以及输出电流能力。在辐照后，由于TID辐照引起的阈值电压漂移量为：

图3 双栅LDMOS运用示意图

式中△Vot为阈值电压漂移量，Not为氧化层中产生的固定电荷面密度，tox为氧化层厚度，q为单位正电荷，εox为氧化层介电系数。厚栅所需的有效开启电压Vgs′=Vgs-△Vot就会变小，薄栅的影响不大，在NMOS的漏极和LDMOS的源极VB这点在开通的时候存在电位，这就相当于给厚栅的LDMOS提供衬源偏置，厚栅上需要更大的Vgs才能开启，因此厚栅的阈值电压漂移量就不会变得那么敏感。

3 仿真结果及对比分析

3.1 辐照前电学特性对比

为了使得双栅LDMOS结构的转移、输出、开关特性与常规LDMOS相同，同时也为了在Sentaurus仿真，定义如图4所示的器件-电路方式进行混合仿真，验证双栅结构的电学特性与常规结构的一致性。

图4 双栅结构器件电路混合仿真示意图

采用电阻分压的方式来给双栅结构的Gate2和Gate1提供偏置，通过调整R1和R2阻值比例来得到Gate1和Gate2上合适的电压偏置。在仿真时只需要在Gate2上输入信号即可，固定R1的阻值，改变R2的阻值来进行扫描，其中Vds=0.5 V，Gate2上的电压与Source上的电压Vgs=5 V。

图5 给出了不同偏置电阻比例R2/R1下的转移特性曲线，当R2/R1>1的时候，随着厚栅上电压的增加，薄栅上的电压较小，造成薄栅还没开启的情况，从而导致阈值电压比常规LDMOS的阈值电压偏大；当R2/R1≤1时，由于薄栅结构的阈值电压较厚栅的阈值电压小，所以薄栅结构会在厚栅之前开启，所以不会影响厚栅的开启，若R2/R1太小，薄栅上将承受较高的电压，所以需要折中考虑。

图5 常规结构与双栅结构转移特性曲线对比

图6 ~8分别为常规结构与双栅新结构在不同偏置电阻比例R2/R1=0.5、R2/R1=1、R2/R1=2时的转移特性曲线对比图。可以看出随着电阻R2/R1比值的增大，尤其是在R2/R1=2的时候，在同等栅压条件下，双栅结构的饱和电流已经比常规结构下降得太多，这是由于R2较大的情况下，Gate1上的分压比较小，造成Gate2开启而Gate1未开启的情况。而在R2/R1=0.5的情况下，Gate1先开启，饱和电流较大，为了与后面的总剂量仿真做对比，需要确保双栅在辐照前的电学特性与常规结构一致。可以看出在R2/R1=1的时候，双栅结构的输出特性曲线与常规结构的输出特性曲线基本吻合。

图6 R2/R1=0.5时输出特性对比

图9 和表1给出了常规结构与双栅新结构在不同R2/R1比值下的开通时间(Ton)和关断时间（Toff）的对比。由于仿真在漏上串联电阻为100 kΩ，所以开通时间比较大。从仿真结果来看，当偏置电阻R2/R1>1的时候，关断时间会比较大，可以知道偏置情况下对器件的关断造成很大的影响；而当R2/R1≤1时，双栅结构的关断时间、开通时间与常规结构较接近，这也表明了双栅结构的引入并不会对器件的开关特性造成影响。

表1 常规结构与双栅结构开关时间表

图9 双栅结构开关特性

图7 R2/R1=1时输出特性对比

图8 R2/R1=2时输出特性对比

为了保证双栅结构器件与常规结构器件电学特性的一致性，从以上仿真结果可知，选择R2/R1=1来进行后续总剂量辐照的仿真。

3.2 辐照后转移特性对比

辐照模型采用Sentaurus中的Trap模型，该模型可以将固定电荷模型施加于Si和SiO2材料界面处，模型如下：

在不同剂量下不同厚度的氧化物里产生的固定电荷量有如下关系[4-5]：

其中g是电子、空穴对产生率，D是剂量率，E是氧化层中的电场，E0=0.1 V/cm,E1=2×105V/cm，fot为空穴俘获率，tox为氧化层厚度。可以看出固定电荷的密度与氧化层厚度tox成正比，因此需要分别对薄氧化层、厚氧化层以及场氧这3个区域分别定义固定电荷密度大小。

薄氧化层（Thin GOX）的厚度为10 nm，厚氧化层（ThickGOX）的厚度为56nm，场氧（FOX）厚度为480 nm,因此薄栅氧电荷量Q1的变化范围为0~1×1011cm-2，厚栅氧电荷量Q2变化范围为0~5.6×1011cm-2，场氧电荷量Q3变化范围为0~4.8×1012cm-2[7-8]，这些值所对应的TID为100 krad~1 Mrad(Si)（取决于在辐射过程中施加的氧化物制造和偏置），添加的电荷量见表2。

表2 辐照剂量与电荷密度对照表

为了更好地说明双栅新结构的抗辐照性能，增加了薄栅结构、常规600 V N型LDMOS进行转移特性曲线的对比。在仿真过程中，漏极偏置电压均为0.5 V，栅极偏置电压从-2 V扫至5 V。

图10 为薄栅NMOS器件在不同剂量下的转移特性曲线图，可以看到，薄栅结构在辐照剂量为100 krad~1 Mrad范围内的关态电流以及开态电流几乎重合，说明在1 Mrad剂量及以下时，总剂量对薄栅结构的阈值电压的影响非常小。

图10 薄栅结构辐照前后转移特性曲线

图11 为常规600 V N型LDMOS器件在不同剂量下的转移特性曲线图。可以看出，常规600 V N型LDMOS器件的关态电流随着剂量的增加而迅速增大，且在1 Mrad时，其阈值电压已经小于零，这说明，常规600 V N型LDMOS器件随着辐照剂量的增加，器件可能无法关断，从而导致失效。除此之外，在器件开态的时候，漏电流随剂量的增加而有所增加，说明TID效应对常规600 V N型LDMOS器件的影响是非常大的。

图12 为本文所提出的双栅结构器件在不同剂量下的转移特性曲线图。可以看出，双栅器件在1 Mrad辐射下的关态泄漏电流以及开态泄漏电流较辐射前有所增加，但相比于常规器件来说增加的幅值较小，且在辐照为100 krad~1 Mrad剂量范围内，双栅结构的阈值电压均大于零，说明TID效应对双栅新结构的影响很小，验证了双栅器件可以达到抗TID辐照1 Mrad辐照剂量的加固水平。

图12 双栅新结构辐照前后转移特性曲线

利用Sentaurus TCAD中的Svisual工具，可以对图10~12中3种器件在不同剂量下的阈值电压进行提取。表3和图13为3种器件在不同辐照剂量下的阈值电压漂移量，表4为3种器件辐照前后阈值电压漂移百分比。由表3可知，随着辐射剂量的增加，3种器件结构的阈值电压变化量均变大。由于薄栅厚度为10 nm，厚栅厚度为56 nm，常规LDMOS器件的阈值电压漂移量大约为薄栅结构漂移量的31.36倍，由表3和图13可得知，仿真得到的阈值电压漂移量符合式（1）所得出的阈值电压漂移量△Vot∝t2ox这一结论。由表4可知，在剂量为1 Mrad下，常规LDMOS结构的阈值电压漂移量为105.8%，表明阈值电压已经小于零，器件属于常开状态，这将会对电路造成灾难性的失效后果。而本文所提出的双栅结构器件在该剂量辐照下，阈值电压漂移量仅为10.2%，说明双栅结构具有抗TID辐照1 Mrad(Si)的能力。

表3 辐照前后阈值电压漂移量ΔVth

表4 辐照前后阈值电压漂移百分比ΔVth/%

图14 以及图15给出了常规结构和双栅结构在总剂量辐照前后的击穿特性曲线对比，可以看出，在100 krad（Si）剂量下，常规结构和双栅结构的耐压有所上升。而在100 krad(Si)剂量以上，2种器件的耐压均迅速下降。因此双栅结构并未改变器件在辐照前后的耐压特性。

图14 常规结构击穿特性曲线与剂量的关系

图15 双栅结构击穿特性曲线与剂量的关系

4 结论

本文提出了一种具有抗总剂量辐照阈值电压漂移的双栅600 V N型LDMOS新结构。在P阱的N+有源区上方增加一条薄栅氧化层并形成NMOS结构，与原LDMOS的厚栅构成所提出的双栅结构。通过一薄一厚的组合，结合了薄栅抗阈值电压漂移以及厚栅承受高耐压的优点，达到抗总剂量辐照导致的阈值电压漂移的目的。结果表明，在1 Mrad(Si)辐照剂量下，双栅结构阈值电压漂移量仅为10.2%，其关态电流、阈值电压、耐压等敏感参数的漂移都很小，具有良好的抗TID辐照能力。