重掺杂多晶硅栅功率VDMOSFET辐射效应研究.doc

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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
+
提出了运用改变重掺杂多晶硅晶粒结构克制功率
,
!?#?问值电压漂移这种电离辐射效应的加固思绪
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
,
减少开关损耗
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+
性能的影响经常忽略不计
晶晶粒组成
,。
!??#
而事实上

,
,
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.
87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克制这种辐射效应方面开展过进一步研究
。
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
/&&
,
Χ>Δ
Ε.Φ
/
热分解淀积多晶硅
,
,
淀积温度27
&℃Γ
/2
&℃
,
多晶硅淀积厚度

。
人Η7&℃一Η?&℃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
Ι
+
5.?#?
样品具体工艺区别如
,
翻翻尸洲气
多晶硅栅介质
%Χ)=>
Δ+
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
%ΧΔ?+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
Ι
射实验
,
Κ?)辐射剂量&Γ<&七=%(
。
,
剂量率
(?
Κ=Μ
冲%(
Ι
,
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)%ΜΚ?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重要与栅氧化层有关Ι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不久%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
Τ5Σ
化层与衬底硅界面的辐射感生界面陷阱电荷氛有关Ι
△
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Σ,引起的Τ5
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的栅介质是同时完毕的但是实验组
,
(
。
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?以往的实验研究表白9
对于未掺杂的多晶硅
,
经6以Τ)℃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减少
,
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存下来
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Ε
蕊
Ι
△巧
,
7%)
。
式中△
Ρ。
表达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
有所奉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
变化限度及晶粒间能带相应变化情况
今考文献
(
尚有待于更进一步的实验研究
。
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