一种研究SiCMOSFET电离总量和单粒子烧毁协同效应的方法

一种研究sic mosfet电离总量和单粒子烧毁协同效应的方法
技术领域
1.本发明涉及电子技术领域，具体而言，涉及一种研究sic mosfet电离总量和单粒子烧毁协同效应的方法。


背景技术：

2.航天器在空间轨道运行过程中，会受到多种环境因素的影响，例如，粒子辐射、微重力、及原子氧等。并且在卫星、宇宙飞船及航天飞机上，广泛应用电子器件，以实现各种功能。而对于电子器件，粒子辐射是最致命的环境因素之一，早期发射的航天器曾多次因损伤而失效。随着科学技术的发展，虽然卫星等航天器产生致命故障的事例越来越少，但仍时有发生。空间粒子辐射会使卫星的工作寿命缩短，从而造成巨大损失。即使采用封装和加保护等方法也不能保证电子器件完全避免辐射的影响。
3.sic可以被热氧化，所以可以成为制作mos结构的合适材料。随着第三代半导体技术的日渐成熟，sic mosfet(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，金属-氧化物半导体场效应晶体管)作为大功率器件开始逐渐崭露头角。然而空间辐射环境中的高能粒子和射线会导致sic mosfet产生总剂量效应和单粒子效应。其中，总剂量效应是指电离辐射在mos器件的sio2层造成累积损伤，导致氧化物电荷在sio2层中的生成与累积，从而影响器件的电性能参数。电离辐射效应则在sio2层中产生电子空穴对，产生的电子迁移率较大，大部分移出氧化层，而在其移出之前，有一部分电子与空穴复合，由于空穴的迁移率较慢，除与电子复合的空穴外，剩余的被sio2层的缺陷俘获，形成俘获正电荷，进而在界面附近引入大量的氧化物电荷。sio2层中的俘获正电荷的陷阱中心的存在会导致界面附近电势的变化，造成阈值电压的负向漂移，从而导致mos管电性能的退化，致使sic mosfet器件辐射损伤。而单粒子效应是一种瞬态电离效应，sic mosfet的单粒子效应主要有单粒子烧毁(seb)。当高能带电粒子进入mosfet内部时，会在其入射轨迹上有能量的沉积，电离出大量的电子空穴对，这些电子空穴对在电场的作用下在部分区域生成较大的电流密度和电场，导致器件的结构被破坏，进而导致功能的退化甚至失效。但是单粒子效应与总剂量效应的协同作用的相关研究相对较少。
4.这两种损伤的协同不是简单的加合，而是以一种复杂的形式相互作用。氧化物层中的陷阱中心俘获正电荷，会影响界面处的电场分布，并且对于sic/sio2来说，由于sio2在sic上生长过程中存在晶格失配和化学元素的不均匀分布，导致在sio2一侧靠近界面处存的缺陷浓度较高。而氧化层内带正电的氧化物电荷存在将导致氧化层内部以及靠近界面处的电场分布出现变化，这对单粒子烧毁将有一定的影响。但是目前尚不清楚sic mosfet中电离总剂量对单粒子效应的影响规律和作用机理，影响了sic mosfet的抗辐照机理研究。


技术实现要素：

5.本发明解决的问题是如何提供一种sic mosfet中电离总剂量与单粒子烧毁协同效应的方法。
6.为解决上述问题中的至少一个方面，本发明提供一种研究sic mosfet电离总量和单粒子烧毁协同效应的方法，包括以下步骤：
7.步骤s1、对sic mosfet在不同偏置条件下进行电离总剂量辐照试验，得到辐照sic mosfet，并对sic mosfet在不同累积剂量点下的电性能进行原位测量；
8.步骤s2、记录电离总剂量辐照试验过程中所述sic mosfet的电性能变化数据，并结合退火试验，总结其电性能退化规律，并分析提取所述sic mosfet的关键性能参数；
9.步骤s3、将所述辐照sic mosfet进行单粒子烧毁试验，并对其在试验过程中的漏极电流进行原位监测，记录试验数据，并分析单粒子烧毁试验与电离总剂量辐照之间的协同关系；
10.步骤s4、通过仿真软件构建sic mosfet模型，然后将所述步骤s2中提取到的关键性能参数输入所述sic mosfet模型，构建sic mosfet缺陷模型，再进行单粒子效应模拟，根据所述sic mosfet缺陷模型在不同条件下单粒子效应的变化规律，研究两者之间的协同作用。
11.优选地，所述步骤s1中，所述偏置条件包括v
gs
＝0v、v
gs
＝-5v和v
gs
＝ 20v。
12.优选地，使用剂量率为100rad/s的γ射线辐照所述sic mosfet，记录0k、100k、300k、500k、800k和1000k累积剂量点下的电性能。
13.优选地，所述步骤s2中，根据不同累积剂量点下所述sic mosfet的转移特性曲线，不同偏置条件和不同累积剂量点下所述sic mosfet的阈值电压位移δv
th
，通过中带电压法分离所述sic mosfet的氧化物电荷δn
ot
和界面态电荷δn
it
。
14.优选地，所述阈值电压位移δv
th
分为δv
ot
和δv
it
分量，且δv
it
＝δv
ot-δv
th
，而氧化物电荷δn
ot
和界面态电荷δn
it
可通过以下方式计算：
15.δn
ot
＝c
ox
δv
ot
/q，δn
it
＝c
ox
δv
it
/q；
16.式中，c
ox
为单位面积的栅电容，q为元电荷；
17.δv
ot
可从中带电压δv
mg
中获得，即δv
ot
＝δv
mg
，δv
mg
为id＝i
mg
时的电压，id可通过以下公式计算得到：
[0018][0019]
式中，α为常数，通过以下公式计算得到：
[0020]
d为氧化层厚度，ld为德拜长度，ε
si
和ε
sio2
分别为si和sio2的介电常数；μ为mosfet的载流子迁移率；q为元电荷的电荷量，k为玻尔兹曼常数，t为温度，w/l为mosfet的沟道宽长比，nd为沟道掺杂浓度，ni为本征载流子浓度，c
ox
是单位面积的栅电容，是sic表面势，id和v
ds
分别是源漏电流与电压，根据中带表面势能够得到中带电流i
mg
，中带电流与亚阈值曲线的交点即为中带电压v
mg
，当确定了中带电压v
mg
后，即可从i
d-vg曲线中提取相应的id和阈值电压v
th
，从而计算得到δv
mg
，而δv
it
则可根据δv
it
＝δv
ot-δv
th
公式计算得到。
[0021]
优选地，所述步骤s3中，选择let值大于20mev/(cm2/mg)高能粒子对所述sic mosfet进行单粒子烧毁试验。
[0022]
优选地，采用能量为504ev，let值为35.83mev/(cm2/mg)的kr粒子对所述sic mosfet进行单粒子烧毁试验。
[0023]
优选地，所述步骤s4中，采用silvaco tcad对所述sic mosfet进行结构建模，并对参数优化后得到具备mosfet电特性的sic mosfet模型，然后将所述步骤s2中得到的关键参数引入所述sic mosfet模型进行电离总剂量辐照仿真，再对所述sic mosfet模型进行单粒子烧毁仿真，研究两者之间的协同作用。
[0024]
本发明通过将在不同偏置条件对sic mosfet进行电离总剂量辐照试验，并监测sic mosfet在电离总剂量试验过程中的电性能变化和退火规律，从而分析sic mosfet在电离总剂量累积过程中电性能变化规律，并根据其变化规律分析得到氧化物电荷和界面态等关键参数，然后通过对不同偏置条件下进行电离总剂量辐照试验后的sic mosfet再进行单粒子烧毁试验，比较不同条件处理后sic mosfet单粒子烧毁后的性能，总结sic mosfet的电离总剂量效应与单粒子烧毁效应的影响规律，从而研究两者之间的协同效应；另外，通过分析提取sic mosfet在电离总剂量辐照试验过程中的关键参数，并通过仿真模拟方式输入sic mosfet模型中，构建sic mosfet缺陷模型，并在此基础上进行单粒子效应模拟计算，从而进一步深入研究电离总剂量辐照和单粒子烧毁之间的协同效应机理。
附图说明
[0025]
图1为本发明实施例中研究sic mosfet电离总量和单粒子烧毁协同效应的方法的流程图；
[0026]
图2为本发明实施例中不同辐照累积剂量下sic mosfet的转移特性曲线图；
[0027]
图3为本发明实施例中不同偏置条件下sic mosfet的阈值电压随辐照累积剂量的变化趋势图；
[0028]
图4为本发明实施例中通过中带电压法分离后sic mosfet的氧化物电荷与界面态随辐照累积剂量变化的趋势图；
[0029]
图5为本发明实施例中不同辐照sic mosfet在单粒子烧毁试验中原位监测电流随离子注量变化的趋势图；
[0030]
图6为本发明实施例中sic mosfet电性能退化与单粒子烧毁注量对比图；
[0031]
图7为本发明实施例中不同氧化物浓度下sic mosfet的转移特性曲线的变化趋势图；
[0032]
图8为本发明实施例中氧化物电荷对sic mosfet的漏极电流影响图。
具体实施方式
[0033]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面对本发明的具体实施例做详细的说明。
[0034]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例中的特征可以相互组合。术语“包含”、“包括”、“含有”、“具有”的含义是非限制性的，即可加入不影响结果的其它步骤和其它成分。以上术语涵盖术语“由
……
组成”和“基本上由
……
组成”。如无特殊说明的，材料、设备、试剂均为市售。
[0035]
本发明实施例提供一种研究sic mosfet电离总量和单粒子烧毁协同效应的方法，
如图1所示，包括以下步骤：
[0036]
步骤s1、对sic mosfet在不同偏置条件下进行电离总剂量辐照试验，得到辐照sic mosfet，并对sic mosfet在不同累积剂量点下的电性能进行原位测量；
[0037]
步骤s2、记录电离总剂量辐照试验过程中sic mosfet的电性能变化数据，并结合退火试验，总结其电性能退化规律，并分析提取sic mosfet的关键性能参数；
[0038]
步骤s3、将辐照sic mosfet进行单粒子烧毁试验，并对其在试验过程中的漏极电流进行原位监测，记录试验数据，并分析单粒子烧毁试验与电离总剂量辐照之间的协同关系；
[0039]
步骤s4、通过仿真软件构建sic mosfet模型，然后将步骤s2中提取到的关键性能参数输入sic mosfet模型，构建sic mosfet缺陷模型，再进行单粒子效应模拟，根据sic mosfet缺陷模型在不同条件下单粒子效应的变化规律，研究两者之间的协同作用。
[0040]
其中，步骤s1中，根据sic mosfet的特性，分别设置v
gs
＝0v、v
gs
＝-5v和v
gs
＝ 20v三种偏置条件，然后使用剂量率为100rad/s的γ射线在不同偏置条件下对sic mosfet进行辐照，记录0k、100k、300k、500k、800k和1000k累积剂量点下的电性能数据。
[0041]
步骤s2中，根据不同累积剂量点下sic mosfet的转移特性曲线，不同偏置条件和不同累积剂量点下sic mosfet的阈值电压位移δv
th
，通过中带电压法分离所述sic mosfet的的氧化物电荷δn
ot
和界面态电荷δn
it
。
[0042]
具体地，在电离总剂量辐照试验过程中，sic mosfet的栅极氧化物中能够产生电子-空穴对，由于空穴的迁移率远低于电子，所以导致其被氧化物中带额陷阱中心俘获，从而使sic mosfet的阈值电压v
th
向负电压漂移。除此之外，电离辐照还能够诱导产生界面陷阱，界面陷阱位于sic/sio2界面，由于界面陷阱电荷的存在，导致阈值电压v
th
向正电压漂移。因此，阈值电压位移δv
th
能够分为δv
ot
和δv
it
两个分量，两个分量分别代表了氧化物俘获电荷和界面俘获电荷对阈值电压的影响，且δv
it
＝δv
ot-δv
th
。
[0043]
为了分析电离辐照和退火过程中阈值电压位移的机制，可以采用中带电压法分离sic mosfet的氧化物电荷和界面态。
[0044]
sic mosfet的氧化物电荷δn
ot
和界面态电荷δn
it
的计算方式为：
[0045]
δn
ot
＝c
ox
δv
ot
/q，δn
it
＝c
ox
δv
it
/q；
[0046]
式中，c
ox
为单位面积的栅电容，q为元电荷；
[0047]
由于费米能级与中带重叠，界面态近似为中性，阈值电压位移δv
th
只受到氧化物电荷的影响，因此δv
ot
可从中带电压δv
mg
中获得，即δv
ot
＝δv
mg
，δv
mg
为id＝i
mg
时的电压，id可通过以下公式计算得到：
[0048][0049]
式中，α为常数，通过以下公式计算得到：
[0050]
d为氧化层厚度，ld为德拜长度，ε
si
和ε
sio2
分别为si和sio2的介电常数；μ为mosfet的载流子迁移率；q为元电荷的电荷量，k为玻尔兹曼常数，t为温度，w/l为mosfet的沟道宽长比，nd为沟道掺杂浓度，ni为本征载流子浓度，c
ox
是单位面积的栅电容，是sic
表面势，id和v
ds
分别是源漏电流与电压，根据中带表面势能够得到中带电流i
mg
，中带电流与亚阈值曲线的交点即为中带电压v
mg
，当确定了中带电压v
mg
后，即可从i
d-vg曲线中提取相应的id和阈值电压v
th
，从而计算得到δv
mg
，而δv
it
则可根据δv
it
＝δv
ot-δv
th
公式计算得到。
[0051]
步骤s3中，选择let值大于20mev/(cm2/mg)高能粒子对所述sic mosfet进行单粒子烧毁试验，并对其再试验过程中的漏极电流进行原位监测，记录试验数据，并分析单粒子烧毁试验与电离总剂量辐照之间的协同关系。
[0052]
具体地，采用能量为504ev，let值为35.83mev/(cm2/mg)的kr粒子对sic mosfet进行单粒子烧毁试验。
[0053]
步骤s4中，通过仿真软件构建sic mosfet模型，然后将步骤s2中提取到的关键性能参数输入sic mosfet模型，构建sic mosfet缺陷模型，再进行单粒子效应模拟，根据sic mosfet缺陷模型在不同条件下单粒子效应的变化规律，研究两者之间的协同作用。
[0054]
具体地，采用silvaco tcad对sic mosfet进行结构建模，并对参数优化后得到具备mosfet电特性的sic mosfet模型，然后将步骤s2中得到的氧化物电荷浓度等关键参数引入sic mosfet模型进行电离总剂量辐照仿真，再对sic mosfet模型进行单粒子烧毁仿真，研究两者之间的协同作用。
[0055]
下面结合具体的实施例介绍研究sic mosfet电离总量和单粒子烧毁协同效应的方法：
[0056]
实施例
[0057]
1.1、对cree公司的c2mtm sic mosfet(以下简称器件)进行研究，分别在偏置电压为v
gs
＝0v、v
gs
＝-5v和v
gs
＝ 20v的条件下，使用剂量率为100rad/s的γ射线对器件进行电离辐照，对器件在0k、100k、300k、500k、800k和1000k累积剂量点下的电性能进行原位测量，并得到辐照后的器件；
[0058]
1.2、根据不同累积剂量点下器件的转移特性曲线，不同偏置条件和不同累积剂量点下器件的阈值电压位移δv
th
，通过中带电压法分离所述器件的的氧化物电荷δn
ot
和界面态电荷δn
it
；
[0059]
具体地，sic mosfet的的氧化物电荷δnot和界面态电荷δnit的计算方式为：
[0060]
δn
ot
＝c
ox
δv
ot
/q，δn
it
＝c
ox
δv
it
/q；
[0061]
式中，c
ox
为单位面积的栅电容，q为元电荷；
[0062]
由于费米能级与中带重叠，界面态近似为中性，阈值电压位移δvth只受到氧化物电荷的影响，因此δv
ot
可从中带电压δv
mg
中获得，即δv
ot
＝δv
mg
，δv
mg
为id＝i
mg
时的电压，id可通过以下公式计算得到：
[0063][0064]
式中，α为常数，通过以下公式计算得到：α＝2ε_si/ε_ox d/l_d；
[0065]
d为氧化层厚度，ld为德拜长度，ε
si
和ε
sio2
分别为si和sio2的介电常数；μ为mosfet的载流子迁移率；q为元电荷的电荷量，k为玻尔兹曼常数，t为温度，w/l为mosfet的沟道宽长比，nd为沟道掺杂浓度，ni为本征载流子浓度，c
ox
是单位面积的栅电容，是sic
表面势，id和v
ds
分别是源漏电流与电压，根据中带表面势能够得到中带电流i
mg
，中带电流与亚阈值曲线的交点即为中带电压v
mg
，当确定了中带电压v
mg
后，即可从i
d-vg曲线中提取相应的id和阈值电压v
th
，从而计算得到δv
mg
，而δv
it
则可根据δv
it
＝δv
ot-δv
th
公式计算得到；
[0066]
1.3、采用能量为504ev，let值为35.83mev/(cm2/mg)的kr粒子对器件进行单粒子烧毁试验，并对其再试验过程中的漏极电流进行原位监测，记录试验数据，然后分析单粒子烧毁试验与电离总剂量辐照之间的协同关系；
[0067]
1.4、通过silvaco tcad仿真软件构建sic mosfet模型，并对参数优化后得到具备mosfet电特性的sic mosfet模型，然后将步骤1.2中提取到的氧化物浓度输入sic mosfet模型，进行电离总剂量辐照仿真，构建sic mosfet缺陷模型，再进行单粒子效应模拟，根据sic mosfet缺陷模型在不同条件下单粒子效应的变化规律，研究两者之间的协同作用。
[0068]
其中，图2为不同辐照累积剂量下sic mosfet的转移特性曲线图，其中，横坐标vg为栅极电压，纵坐标id为漏源电流，0k、100k、300k、500k、800k和1000k分别代表不同累积剂量点；图3为不同偏置条件下sic mosfet的阈值电压随辐照累积剂量的变化趋势图，其中，横坐标dose代表累积剂量点，纵坐标代表阈值电压位移，v
gs
＝0v、v
gs
＝-5v和v
gs
＝ 20v代表不同偏置条件；图4为通过中带电压法分离后sic mosfet的氧化物电荷与界面态随辐照累积剂量变化的趋势图，其中，dose代表累积剂量点，δv
th
、δv
ot
和δv
it
分别代表阈值电压位移、氧化物电荷分量和界面态分量；图5为不同辐照sic mosfet在单粒子烧毁试验中原位监测电流随离子注量变化的趋势图，其中，fluence代表单粒子烧毁离子注量，id代表漏源电流，origin代表未经电离辐照的器件，γray 20代表在v
gs
＝ 20v条件下进行电离辐照的器件，γray-5v代表在v
gs
＝-5v条件下进行电离辐照的器件，γray0v代表在v
gs
＝0v条件下进行电离辐照的器件；图6为sic mosfet电性能退化与单粒子烧毁注量对比图，其中，v
th
代表阈值电压，origin代表未经电离辐照的器件，γray 20代表在v
gs
＝ 20v条件下进行电离辐照的器件，γray-5v代表在v
gs
＝-5v条件下进行电离辐照的器件，γray0v代表在v
gs
＝0v条件下进行电离辐照的器件，fluence代表单粒子烧毁离子注量。
[0069]
从图2中可以看出，偏置栅极电压为 20的sic mosfet随着辐照累积量的增加，sic mosfet的转移特性曲线出现了显著的负向漂移，表明带正点的氧化物电荷改变了界面处的电场，使sic mosfet得开启电压降低。
[0070]
从图3可以看出，不同偏置条件下，阈值电压漂移存在变化，其中vgs＝0v时器件的阈值电压漂移最小，而vgs＝ 20v时，阈值电压漂移最大，而阈值电压的负向漂移说明器件中的氧化层中有带正电的氧化物电荷生成，说明vgs＝ 20v时氧化物电荷浓度更高；
[0071]
从图4中可以看出，在采用中带电压法对导致sic mosfet转移特性曲线的退化的氧化物电荷和界面态进行分离后可知，主导sic mosfet阈值电压退化的主导因素时氧化物电荷而非界面态，对分析sic mosfet的电离总量与单粒子烧毁协同效应有重要的意义。
[0072]
从图5可以看出，经过不同条件下的电离总剂量辐照器件，再进行单粒子烧毁，表现出了性能的差异，说明电离总剂量辐照与单粒子烧毁存在协同作用，影响了器件的性能；
[0073]
从图6可以看出，氧化物电荷的存在显著增加了器件的单粒子烧毁截面；其中，单粒子烧毁截面的定义为单粒子效应发生时累积注量的倒数，即：其中，σ为单粒子烧
毁截面，f为发生单粒子烧毁时的累积注量。图6中的两组数据分别为sic mosfet在不同偏置条件下累积计量达到1000krad时的阈值电压(即开启电压)，根据图4结果分析可知，sic mosfet的阈值电压与氧化物电荷浓度相关，因此可以用阈值电压的变化情况来表示氧化物电荷浓度的变化情况。综上，对图6分析可知，在不同偏置电压条件下进行电离总剂量辐照试验，在sic mosfet中生成的氧化物电荷浓度也存在差异，将进行电离总剂量辐照试验后的sic mosfet再做单粒子烧毁试验，观察到阈值电压的漂移对sic mosfet单粒子烧毁质检存在显著的相关，因此，也就表明sic mosfet的单粒子烧毁截面与氧化物电荷的浓度有着密切的相关。
[0074]
从图7可以看出，氧化物电荷的存在会导致sic mosfet转移特性曲线负向漂移，且随着氧化物电荷浓度的增加，转移特性曲线浮现漂移的程度也相应增加，阈值电压则相应下降。
[0075]
从图8可以看出，在没有氧化物电荷存在的情况下，在sic mosfet模型中引入单粒子烧毁效应，由于电荷收集作用，漏极电流迅速上升至1～10a，并且在1-1000ps时漏极电流下降至μa量级；而当在sic mosfet模型中引入浓度为1
×
10
18
cm2的氧化物电荷后，在电荷收集效应的作用下，漏极电流的变化情况在时间小于10ps时与无氧化物电荷时的情况一致，在时间大于10ps后，漏极电流不再下降，而是稳定在10-2
a～10-3
a之间。这主要时由于带正电的氧化物电荷在sic/sio2界面处的聚集，漏电流增大，而较高的漏电流加剧了单粒子效应。
[0076]
虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。