重掺杂多晶硅栅功率VDMOSFET辐射效应研究

pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 第十届全 国抗辐 射电子 学与电磁脉 冲学术年会论文集 重掺 杂多 晶 硅 栅 功 率 段 雪 ! ?# ?

邓建 国 河北 辐 射 效应 研 究 孙 艳玲 石

童四 华 刘 英冲 田 秀伟 冯 彬

%中国 电 子 科技 集 团 公 司 第十 三 研 究 所 家庄

( ? & & ? ) 摘

验研 究 , 要 从

开展 了不 同工 艺制 作的重 掺杂多晶 硅 栅 沟增强型功 率 +

! ?# ?

电离辐 照 效应 实

型重 掺 杂多晶硅 制作工 艺引起 晶粒间 复杂结构变化的角度分析 解 释 了辐 照 实验 中出现 ,

的问 值 电压 正漂和 负漂 两 种不 同趋 势的辐 射效应 +

提 出了 利用 改变重 掺杂 多晶硅 晶粒 结 构 抑制 功率 ,

! ?# ? 问值 电压 漂移 这 种 电 离辐 射效应 的加 固思路 关 锐词

重 掺杂 多晶硅 + !? #

电离辐 射 问 值电压 功率

+

!? ? # ,

广泛应 用 于开 关电源 , 、

汽 车 电子 , 、

电机 调 速 、

不 间 断 电源 、

逆 变器 等领 域 ,

为 了减小输 入 电容 。

提高器件 开 关速 度 ,

降低 开 关损耗

普 遍采 用 以 重掺杂多 晶硅 作栅 电极的硅 栅 ,

自对准 工 艺 一 般情 况下 重掺杂 多 晶硅 被简 化为 单 晶硅 电极 或金属 电极考虑 其 对功 率 +

性 能 的影 响常常忽 略 不计 晶晶 粒组成 , 。 !? ? # 而 实 际上 , ,

多 晶硅 与单晶硅 在结构 上有 较大区别 , 。

多晶硅 是 由不同 的单 ,

各单 晶 晶粒 晶 向不 同 形状 也 不规则 ,

同一 晶粒 内部 原子排 列 呈 周 期型和 有序 性 , 晶

粒 间 结构复杂 杂化 。

存在缺 陷 在禁带 中 引入 深 能级

, ,

成为载流子 陷阱

使晶粒间能 带拖尾状态 更加复 ,

多 晶 的导 电性能 由晶粒 导 电和 晶粒 间导电两部分综 合效 果决定 ,

与温度 和掺 杂浓度有较大关 、 系 。

国外文 献借助 能带 理 论

# ) 采 用 离子场 致发射 散射模 型% ? . 和 以跃 迁 ,

扩散方 式导 电的导通 沟

道模 型研 究 了多晶硅 电阻 率与温 度和 掺杂 浓度 的关系川 2

/0 更多 的研 究关注 在 具有 薄栅氧化层 % ? 1 一 。 3

)的多晶硅 4 二 氧 化硅 硅 结构 5 .

8 7 电容 中重 掺杂多 晶硅 的量子效应 影 响6 对 于栅 氧化 层相对较 厚% 常在 几 十 : 9 ,

以上 )开态工 作时 栅压 较 高 的% ;? 左 右)功率 6 因此研 究 报道相 对较 少 。 + ?

5 .? ? # ,

一 般认 为重掺杂多晶硅

的影 响可 以忽 略 的辐 射效 应 , 功率 +

!? ? #

在 电离辐 照 下常 会发 生闽值电压 漂移 ,

8 < 国 内研 究者 9 在 通过 栅 介质 加 固来抑 制 这种辐射 效应 方面 开展 过 深入 研究 。

取得 了比

较 明 显 的效 果 但是 ,

对 于 工 作在 电离辐射 环 境 下 重 掺杂多晶硅 对功率 。 + !

# ? ? 阐 值 电压 漂移

的辐 射效应 有何 影 响 对 这 方面 的研 究 国 内外还 少有文 献报 道 本文通 过对 比 采用 不 同工 艺制作 的 重 掺杂 多 晶硅 栅 况 , , +

!? ? # ,

在 电离辐 射 下阂值电压 变化 情 。

研 究 重掺杂 多 晶硅 对 功 率 + !?# ?

电离辐 射效 应 的影响 探索其 理 论机 理 实验 过 程 ( ( ,

> 功率 + ! ?#? 样 = 制备 采用 衬底 型Α ,

(& & Β

晶向硅 外延 片制 作重 掺杂多晶硅 栅功 率 + +

!?# ? 器 件样 品 。

栅 结构

为多 晶硅 4 栅 介质4 硅 /&& , Υ>Γ Δ .Φ /

热 分解 淀积 多 晶硅

, ,

淀积温 度 2 7 & ℃Γ / 2 &℃ ,

多 晶硅 淀 积厚 度 。

人 Ζ 7 & ℃ 一 Ζ ? & ℃ 扩 磷掺 杂 多 晶硅 ( 掺 杂后 多晶 硅 的薄层 电阻 典 型值 为 7 侧 口 实验 采用两种

磁 第 十届 全 国抗辐 射电子 学与 电 脉冲学术年会 论文 集

不 同 的工 艺流程 伽 介质 制备 工 艺相同) 作 重掺杂 多晶硅 栅功 率 制 下 Η +

5 . ?# ?

样 品 具体 工 艺区 别如 ,

翻翻 尸 洲气 多晶 硅 栅介质 % Υ ) => Γ + 多 晶硅

伪 栅区 形成 ) 图 6

% ) ( & ℃ 形成 沟道 区 实验组 6 工 艺流程

% 扩磷形 成 ? 型重 掺杂栅 电极 ) Κ % Υ Γ ? + 多晶硅 ) => % 扩磷重 掺杂 多晶硅 ) Λ % 栅 区形 成 ) ?

Κ % ) (( & & ℃ 形 成沟道 区 图7

实验组 7 工 艺流程 。

实验 组 ( ,

先形成 沟道 区 , ,

再 进行多晶硅 掺杂制备 栅电极 ,

实验组 7 ( 7 ,

先形成 重掺杂多 晶硅 电极 再形成沟 道有 源 区 ,

电离辐射 实验 以 叱 。 为辐 射源 对上 述两 种不 同工 艺制 作 的多 晶硅栅 功 率 ? +

5 ! # ??

进 行动 态电离总剂 里辐 Η

射 实验 ,

Κ ?) 辐射剂量 & Γ < & 七= % ( 。 ,

剂量 率 (?

Κ = Μ 冲 %( Η ,

辐 照 过程 中器件 样品加偏 置 ? 5 . .

Ν ( ? 7 , 几 7 . Ν & +

! ?# ?

样品阂值电压 的测试条件 为 ? 5 Ν 5 ? ., . ? 9 二 ((66Ο 。

实验结果

两 种 工 艺制作 的功率 +

! ?# ?

样 品经 电离辐射阐值 电压 ,

几 均 发生 了变化 ,

但 变化 趋 势有所 不同 ,

实验 组 (

的样 品 闷值 电压发 生连续 正 向漂 移 (

而 实验组 7 的样 品 的闽值 电压发 生连 续的负向 +

漂 移 具 体实验 结果 列于表 , 中 ,

图 < 为 两组 实验样 品电离 辐射效应与 国外功率 ! ?# ? 电离

辐 射 效应 的趋势对 比情 况 △ 。 。 %) 实验组 6 样品 卜 下 (& & 卜 (

国外产 品 实验组 7 样品 ( <& 3 6 &

七 目% () 图<

与国 外产 品辐 照 实验 结果 对 比 重掺 杂多晶硅 姗功率 +

6 + ! ?# ?

辐射效应研究 表 实验

不 同工 艺制作 的功率 . # 样 品电离辐照实验结果 辐 照 后阂 值电压

辐 照 前 闷值 电压 % 码

Γ < & Π = % ( 照 过程样 品 闷值 电压 变化Θ ) % Μ Κ ?娜 ) % 尸? ( 7 , ) % 7 , , 组 ( 样品 / , / ,

组 7 样品 & 、 (! 7 ! , <

分 析 与讨论 实验组 7 ,

先制 备重 掺 杂多晶硅栅 电极的 + !死 ?

在电离总剂量辐 照下 阂值 电压发 生负向漂 + !?# ?

移 的辐射 效应

这种 闽值 电压 变化 趋势与 国外多晶硅 栅功 率 。

产 品 的辐射 效应相 吻合 ,

用 栅氧化 层 正 电荷积 累 理论 可 以很好地解 释清楚 栅氧 化层 正 电荷积 累理 论将重掺 杂 多晶硅 作 为 单 晶硅 或金属 电极考虑 产 生 电子 空穴对 而 空穴 移动较 慢

, , 认为 !

器 件 的 电离辐射 效应 主要与栅氧化层有 关 Η 电离辐 射在栅氧化层 中 , ,

电子 的迁移 率远 大于 空穴 一 部分移动 到衬底 ,

6 ) 在 正 栅 压形成 的电场作用 下会 很快% Ρ .扫 出栅介质 , ,

一部 分在移动过程 中被正 电荷陷阱俘获在栅介质 中形成 正 电 荷积累 ,

引起 器件 阂值电压负 向漂移 闽值电压漂移量△ 几 与栅氧化层 中辐 射感 生氧化物陷阱 电荷 Σ 5 ΢

化层 与衬底硅 界 面的辐射感生 界面 陷 阱 电荷 氛 有 关Η △

犷 △ 叽砂 △ ‘ %6 ) ,

式中△ ? 为辐 射感 生氧化物陷阱电荷 引起 的阂值 电压变化 量 △ 巩 为界面 陷阱电荷 ΢ , 引起 的 Σ 5 闽值 电压 变化量 。

不 同制作工 艺 形成的界 面 陷阱状态变化不 同 当 电离总剂量 较高时界 面陷 阱会 引 , ,

起 阅值 电压 正 向变化 实验 组 (

出现 阂值 电压 反弹 现 象 “ ” 。

和 实验 组 7 的栅介质 是 同时完成 的 但 是实验组 , ( 。

的样 品闽值电压在 电离辐射 实验 中 却单 调 正 向漂移 ,

( 沿 用% )式理 论模型 已 无法解释这 一辐射 效应 ,

本 文认为在辐 照实 验过 程 中

型重掺杂 的多 晶硅对 实验 组 ( 样 品 的辐射效 应 有一 定影响 , 。 型 ,

( ’ 重掺杂 的多晶硅 晶粒间结构复杂9 ,

晶粒界 间存在缺陷 这 些缺陷在晶粒界间拖 尾 能带 中引入 能级 、

这 些 能级起 到 电子 陷阱作用 的工 艺都有关系 尺 寸变 化 不 明显 。 ,

电子 陷阱的分布和密度与温 度 掺杂浓 度 以及重 掺杂多晶硅 电极制备 ,

8 ? 以往的实验 研 究表 明9 对 于 未掺杂的多晶硅 ,

经 6以Σ )℃ Γ ( & ℃ 高温过程晶粒 。 ,

但 是重 掺杂 以后 的 多晶硅 再经 (加 & ℃ Γ ( 的 ℃ 高温 过程晶粒 会 明显 变大 ,

晶粒尺 ,

寸 变大 引起 晶界减少 晶粒界 间缺 陷就 相应减少 + 。 ,

多 晶硅 中 的电子 陷阱数量随 之大幅度降低 , 这种

状 况 的多 晶硅栅 电极对 ! ?# ?

的辐射效应 影 响不大 ,

因此 实验 组 7 样 品 阂值 电压负漂 , 符合

栅 氧化 层 正 电荷积 累理 论 而 在实验组 ( 中 形 成重 掺杂多晶硅栅 电极 的工 艺过 程较好 地保 留下来

了多 晶硅 晶粒 界 间 电子陷阱 ,

在 电离辐射 过程 中有效俘获 了栅氧 化层 中 的电子 , ,

栅 结构中多晶硅 栅 。

表 面 电势 发生 变化 通 过 以上 分析 , ,

部分平 衡 了栅氧化层 中正 电荷 积 累引 入 的 电势 使样 品的 闽值 电压 正 向漂移 +

本文认 为对重 掺杂多 晶硅 栅 功率 ,

!? ? #

闽值 电压变化 的 电离辐射效应模型应 包含 多 晶硅 晶粒 间界 的影 响 即 △

△? Μ △叽 十 Δ 蕊 Η △巧 , 7 % ) 。

式 中△ Ρ。

表 示重 掺杂 多 晶硅 晶粒 间界 的 电子 陷 阱引起 的闽值 电压 变 化 第十届全 国抗辐 射 电子学 与电磁 脉冲 学术 年会 论文集 / 结论

型重 掺杂多 晶硅 晶粒间界存在 电子 陷阱 ,

电子 陷阱的数Θ 和 分 布与温 度 + 、

工 艺过程 有 关 。 多

晶硅 晶粒 间界的复杂结构 对重 掺杂多晶硅栅功率 ,

! ?# ?

在 电离辐射下 闷值 电压发 生 正 向漂移

有所 贡献 选 用 适当的 多晶硅 栅制备 工 艺 可 以更好地 控制 阅值电压 漂移 这种空间环 境下严 重 影响 , 功率 +

! ?# ? 可 靠性 的 电离辐射效 应 , 。 对于

型重 掺杂多 晶硅 ,

不 同制备 工 艺引起 的 晶粒结构

变化 程度及 晶粒 间 能带相应 变化 情 况 今考文献 (

还有待于 更深 入 的实验 研 究 。

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