一种功率器件的单粒子硬错误鉴别方法

1.本发明涉及一种功率器件的单粒子硬错误鉴别方法。


背景技术：

2.电源系统对于卫星、空间站等航天器飞行任务的正常执行非常重要。由卫星在轨故障统计数据得知，卫星电源分系统的故障次数约为卫星总故障次数的20％，其中45％的电源故障导致了任务失败，35％的电源故障对卫星正常工作造成了影响。功率器件常用在电源系统中的dc/dc转换器中，作为电源系统的核心元器件，空间辐射环境中的各种高能粒子和宇宙射线对这种功率器件的正常工作影响很大，对其阈值电压、转移特性和击穿电压等电学特性产生持续的影响，甚至会引发电离总剂量效应、位移损伤效应、单粒子效应等致命的辐射效应，导致航天器的电源系统不能正常工作，严重影响了航天器的正常运行和使用寿命，而单粒子效应导致的故障在其中占较大比重，雄居各种故障因素的首位。
3.由单粒子效应对功率器件造成的影响，将单粒子效应分为单粒子软错误和单粒子硬错误。单粒子硬错误如单粒子烧毁(seb-single event burnout)以及单粒子栅击穿(segr-single event gate rupture)等会造成器件永久性损伤，是航天器在轨故障的主要原因之一。功率器件发生seb是由于粒子入射后在器件内造成能量沉积，产生大量的电子空穴对，形成瞬态电流，电流过大时导致器件内部寄生双极性晶体管导通，形成正反馈导致电流急剧上升，源漏极之间发生短路，致使器件烧毁；segr是指功率器件在一定的偏置电压下，重离子在器件的栅介质层产生电荷，当产生的电荷过大时则会导致栅介质层的电压过大，致使栅极击穿。基于此危害，对功率器件必须进行敏感性评价，如：地面单粒子试验可以较为精准地评估出器件的单粒子效应阈值电压；运用半导体工艺和器件仿真软件tcad进行模拟仿真等。
4.目前的鉴别方法是针对seb和segr不同的机理进行分析后，调节辐照条件、器件偏置条件等参数并结合载流子浓度、电流密度、电场强度等综合电参数分布，单独讨论seb或segr对功率器件的影响；但实际上，从离子电荷径迹产生到电荷收集是一个非常复杂的过程，与离子入射的位置、入射方向、器件内部电场的分布以及器件的其它特性有关。器件会在一定的电压和电流范围内，同时存在seb和segr。针对复杂多变的辐射环境，传统方法分别对器件seb或segr安全工作区域进行评判，过于单一，缺乏一种快速、耗时少、经济、灵活、全面的开展功率器件单粒子硬错误预测评估方法，无法有效地对功率器件的单粒子硬错误进行鉴别，存在开展单粒子效应防护设计及验证的难度较大、准确性较低和研究成本较高等问题。


技术实现要素：

5.发明目的：针对上述现有技术，提出一种功率器件的单粒子硬错误鉴别方法，实现对功率器件单粒子硬错误的有效鉴别。
6.技术方案：一种功率器件的单粒子硬错误鉴别方法，包括：
7.步骤1：根据功率器件的设计和工艺参数，通过半导体器件二维建模工具对所述功率器件进行二维建模，得到所述功率器件的二维模型，之后进行网格划分，生成网格化的器件结构，网格结构与器件的结构匹配；
8.步骤2：对网格化的器件结构进行tcad器件仿真，得出功率器件的转移特性曲线、输出特性曲线和击穿电压，再对比器件产品手册中的相应电学参数或曲线，优化校准器件的衬底、漂移区、体区以及源区的尺寸、掺杂浓度工艺参数，最终使tcad器件仿真结果和器件产品手册相符；
9.步骤3：根据步骤2优化后所得到的器件电学仿真模型，进行单粒子硬错误仿真；
10.步骤4：固定let值，将重离子入射在功率器件不同位置，根据发生seb和segr的不同判据重复执行步骤3，对所述功率器件进行多次单粒子硬错误仿真，分别寻找发生seb和segr两种情况下对应的敏感区域，然后将重离子入射位置固定在敏感区域，仿真获得seb和segr的阈值电压v
ds1
、v
ds2
和发生时间t1、t2；
11.步骤5：比较发生seb和segr的时间先后和阈值电压大小，在相应入射位置和let值下，根据功率器件的单粒子硬错误鉴别方法，鉴别功率器件发生seb或segr。
12.进一步的，所述步骤2中，优化校准的方法具体为：对器件的各区域的尺寸、掺杂浓度以变量的方式改变，通过仿真曲线变化的幅度来判断对应参数对器件特性的影响，找出影响显著的参数作为优化的首选变量，进而通过调节首选变量实现对仿真结果的优化校准。
13.进一步的，所述步骤4中，根据功率器件的瞬态电流的末端电流值来判断是否发生单粒子烧毁，确定seb对应的阈值电压v
ds1
和发生烧毁时间的t1；根据功率器件的最大电场是否大于栅氧化层材料的临界击穿电场来判断是否发生segr，确定segr的阈值电压v
ds2
和发生栅穿时间的t2。
14.进一步的，所述步骤5中，所述功率器件的单粒子硬错误鉴别方法为：
15.①
若t1《t2且v
ds1
《v
ds2
，则发生seb；
16.②
若t2《t1且v
ds2
《v
ds1
，则发生segr；
17.③
若t2《t1且v
ds1
《v
ds2
，将v
ds1
值带入segr判据重复步骤3进行单粒子硬错误仿真，若氧化层电场强度超过临界击穿场强，则发生segr，若氧化层电场强度未超过临界击穿场强，则发生seb；
18.④
若t1《t2且v
ds2
《v
ds1
，将v
ds2
值带入seb判据重复步骤3进行单粒子硬错误仿真，若漏极电流增大并维持在一个较高数值，则发生seb；若漏极电流最终会降到0，则发生segr；
19.⑤
当t1＝t2时，若v
ds1
《v
ds2
，则发生seb；若v
ds2
《v
ds1
，则发生segr；
20.⑥
当v
ds1
＝v
ds2
时，若t1《t2，则发生seb；若t2《t1，则发生segr。
21.有益效果：本发明基于tcad的仿真平台，针对功率器件建立电学模型和单粒子模型，在不同的重离子辐照条件、不同的入射位置以及不同偏置条件下，对功率器件发生的单粒子硬错误进行鉴别；并对seb和segr两种破坏性的瞬态过程通过程序跟踪某些重要电参量随时间的演变过程，更有针对性对功率器件单粒子硬错误的机理进一步研究。本发明提供了一种功率器件发生seb及segr两种单粒子硬错误的鉴别方法，能够鉴别出在固定条件下功率器件发生哪种单粒子硬错误，是一种快速、耗时少、经济的鉴别方法，能够为功率器件在航天型号工程中的防护设计提供技术支持。
附图说明
22.图1是本发明的实施流程图；
23.图2是本发明的sic mosfet器件结构示意图；
24.图3是sic mosfet结构器件仿真用的半元胞结构图；
25.图4是本发明的电学优化后得到的转移特性曲线图；
26.图5是本发明的电学优化后得到的输出特性曲线图；
27.图6是本发明sic mosfet器件在let＝75mev.cm2/mg、敏感入射位置x＝5μm时，阈值电压v
ds1
＝500v时，得到的发生seb电流_时间曲线图；
28.图7是本发明sic mosfet器件在let＝75mev.cm2/mg敏感入射位置x＝5μm时，阈值电压v
ds2
＝300v时，得到的发生segr电场_时间曲线图。
具体实施方式
29.下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
30.如图1所示，一种功率器件的单粒子硬错误鉴别方法，包括如下步骤：
31.步骤1：如图2所示为sic mosfet器件的结构示意图，sic mosfet器件工艺结构为垂直结构，其栅极和源极电极位于器件的顶部，而其漏极电极位于器件的底部。由于器件结构对称，图3为sic mosfet结构器件仿真用的半元胞结构图，结构的横向宽度为7.5μm，纵向高度为15μm，栅氧化层的厚度为0.06μm，在衬底与漂移区之间有一个缓冲层，厚度为0.1μm。根据sic mosfet器件的设计和工艺参数，通过半导体器件二维建模工具对sic mosfet器件进行二维建模，得到sic mosfet器件的二维模型，之后进行网格划分，生成网格化的器件结构，网格结构与器件的结构匹配。
32.步骤2：对网格化的器件结构进行tcad器件仿真，得出sic mosfet器件的转移特性曲线、输出特性曲线和击穿电压，再对比器件产品手册中的相应电学参数或曲线，优化校准器件的衬底、漂移区、体区以及源区尺寸、掺杂浓度工艺参数，最终使tcad器件仿真结果和器件产品手册相符。如图4所示为sic mosfet器件优化后电学特性仿真得到的转移特性曲线图，阈值电压vth大约在6v。如图5所示为sic mosfet器件优化后所得到的输出特性曲线，栅极偏压vgs分别为12v、16v、20v。具体的优化校准步骤为：对器件的各区域的尺寸、掺杂浓度以变量的方式改变，通过仿真曲线变化的幅度来判断该参数对器件特性的影响是否比较大，找出影响显著的这些参数作为优化的首选变量，进而通过调节这些变量实现对仿真结果的简便、高效的优化校准。
33.步骤3：sic mosfett器件粒子入射敏感区域一般在n 源区或者jeft区域，粒子入射深度为贯通整个器件，根据步骤2中优化后所得到的器件电学仿真模型，设置器件栅极电压为0v，使得sic mosfet处于关断状态，对sic mosfet器件进行单粒子硬错误仿真，仿真使用到的物理模型有shockley-read-hall复合模型、俄歇复合模型、极化模型以及碰撞离化模型，在仿真结果中提取器件漏源电流随时间变化曲线图，如图6所示，以及器件同一敏感位置的电场强度随时间变化图等信息，如7所示。
34.步骤4：固定线性能量传输(let)值，将重离子入射在功率器件不同位置，根据发生seb和segr的不同判据，参考步骤3得到的漏源电流随时间变化曲线图和电场强度随时间变化图，重复执行步骤3。
35.步骤5：对sic mosfett器件进行多次单粒子效应仿真，分别寻找发生seb和segr两种情况下对应的敏感区域，然后将重离子入射位置固定在敏感区域，在敏感区域仿真找到发生seb和segr分别对应的阈值电压v
ds1
、v
ds2
和时间t1、t2。其中：根据sic mosfet器件的瞬态电流的末端电流值判断是否发生单粒子烧毁，确定seb的阈值电压v
ds1
和发生烧毁时间的t1；根据sic mosfet器件的最大电场e
ox
是否大于栅氧化层材料sio2的临界击穿电场7mv/cm判断是否发生segr，确定segr的阈值电压v
ds2
和发生栅穿时间的t2。
36.步骤6：比较发生seb和segr的时间先后和阈值电压大小，在相应入射位置和let值下，根据功率器件的单粒子硬错误鉴别方法，鉴别功率器件发生seb或segr。其中，功率器件单粒子硬错误鉴别方法具体包括：
37.①
若t1《t2且v
ds1
《v
ds2
，则发生seb；
38.②
若t2《t1且v
ds2
《v
ds1
，则发生segr；
39.③
若t2《t1且v
ds1
《v
ds2
，将v
ds1
值带入segr判据重复步骤3进行单粒子硬错误仿真，若氧化层电场强度超过临界击穿场强，则发生segr，若氧化层电场强度未超过临界击穿场强，则发生seb；
40.④
若t1《t2且v
ds2
《v
ds1
，将v
ds2
值带入seb判据重复步骤3进行单粒子硬错误仿真，若漏极电流增大并维持在一个较高数值，则发生seb；若漏极电流最终会降到0，则发生segr；
41.⑤
当t1＝t2时，若v
ds1
《v
ds2
，则发生seb；若v
ds2
《v
ds1
，则发生segr；
42.⑥
当v
ds1
＝v
ds2
时，若t1《t2，则发生seb；若t2《t1，则发生segr。
43.步骤7：将得到的单粒子硬错误仿真结果进行总结分析，如图6，图7所示，若寻找到该sic mosfet器件位置在x＝5μm较为敏感，此时在敏感区域x＝5μm时，发生seb和segr分别的阈值电压v
ds1
＝500v、v
ds2
＝300v和时间t1＝100ps、t2＝10ps，根据上述步骤6提供的功率器件单粒子硬错误鉴别方法中
②
可知，在敏感位置x＝5μm时，此款sic mosfet器件对segr更加敏感。
44.之后根据综合仿真模拟分析对sic mosfet器件单粒子硬错误鉴别结果进行预测评估，如：若鉴别结果该器件更容易发生segr，则采用适当增加栅氧化层厚度、更换高k介质的栅氧化层等方法；若鉴别该器件更容易发生seb，则优化器件n 源区浓度，增加n buffer层等；更加有针对性对sic mosfet器件进行加固，优化器件结构，从而提高器件的阈值电压v
ds
、安全工作区域以及电场强度分布，提高该器件等的可靠性和使用寿命。
45.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。