CN116093137A - 一种抗单粒子辐照的高压ldmos器件结构 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体功率器件技术领域，具体地说是涉及一种抗单粒子辐照的高压LDMOS器件结构。该器件包括P型衬底、P型埋层、N型漂移区、P型阱区、局部埋氧层、源区P+注入、源区N+注入、栅氧化层、源区Ptop注入、局部场氧化层、漏极N+注入、N型缓冲层、多晶硅，本发明提出的结构，在不改变固有尺寸的情况下，引入了N型缓冲层和局部埋氧层，N型缓冲层改变了器件内部电场分布，重建峰值电场的位置，局部埋氧层重建电子电流和空穴电流的路径，降低寄生双极型晶体管(BJT)的风险，提高了抗单粒子瞬态效应的能力。
Description
技术领域
本发明属于半导体功率器件技术领域，具体地说是涉及一种抗单粒子辐照的高压LDMOS器件结构。
背景技术
随着航天器在军用和民用航天事业的普遍运用，越来越多的电子器件被应用于空间环境,如星载北斗***、卫星通信***、遥感***等。当航天器在宇宙空间中工作时,辐射环境中的辐射粒子对航天器上的电子元器件产生不利的辐射效应，因此对航天器的可靠性提出了更高的要求。
当LDMOS器件运用在航天器的开关电源、LDO、充电电路上时，必然受扰辐照的影响。宇宙空间中存在大量的带电粒子和宇宙射线，当空间中的高能粒子束对器件进行“轰击”，高密度非平衡的电子空穴对沿着重离子轨道产生，并且在强电场作用下进行漂移，一旦寄生双极晶体管被打开，其正反馈将导致大电流和低电压。如果瞬态电流通过数字电路的组合逻辑传播并锁存在存储器元件中，则单粒子电流可能导致单粒子扰动。
单粒子效应可以分为可恢复的和不可恢复的。其中单粒子翻转、单粒子瞬变脉冲、单粒子功能中断等属于可恢复的效应，一般发生在CMOS器件上，这些软错误不足以使器件损伤，可以通过限流电阻、电源复位等手段来恢复正常工作。而不可恢复的是指单粒子对器件造成物理损伤或永久的功能性损伤，比如单粒子闩锁，单粒子烧毁和单粒子栅穿就是两种发生在功率MOSFET上不可恢复的效应。
如图1所示为常规LDMOS器件的剖面图。包括位于底部的P型衬底1；位于P衬底1右上方的N型缓冲层2；位于P衬底1左上方的P型埋层3；位于P型埋层3右侧的N型漂移区4；位于P型埋层3左上方的P型阱区5；位于P型埋层3右上方的局部埋氧层6；位于P型阱区5左上方的源区P+注入7；位于源区P+注入7右侧的源区N+注入8；位于P型阱区5右上方的栅氧化层9；位于局部埋氧层6上方的源区Ptop注入10；位于Ptop注入10上方的局部场氧化层11；位于局部埋氧层6右上方的漏极N+注入12；位于栅氧化层9上方的多晶硅13。
如图2所示为单粒子打入器件内部示意图，当粒子打入器件内部时，由于漏端和衬底电压的存在，在该电压形成的电场作用下，粒子入射轨迹上的电子空穴对发生扩散漂移运动，最终汇集到漏极处形成较大的瞬态电流。对于单粒子瞬态脉冲，值得关注的是，在驱动电路中会由前一级驱动的输出传播到后一级的输入上，产生所谓的“毛刺”，当这个“毛刺”的脉冲宽度足够宽的时候，就会使得电路功能异常。
如图3所示为单粒子烧毁示意图，当器件处于关断状态时，粒子从漏极打入器件，在粒子轨迹内产生大量的电子空穴对，根据“漏斗效应”理论，一开始电子向高电位电极的方向移动，空穴向低电位方向移动，形成漏斗。随着时间的推移，电子空穴对在漏端电压的作用下向粒子轨迹两侧扩散，电流会流向P阱区域，使得P阱与N+源之间产生电位，当电位足够高的时候，会使得P阱/N+源这一PN结正向偏置，同时由于漏极高电位，使得N漂移区、P阱、N+源所形成的NPN寄生晶体管处于放大状态，最终随着漏电流的增大，使得LDMOS器件发生烧毁。还有一种可能的解释是粒子轨迹上的电子空穴对在耗尽区中发生碰撞电离，使得器件发生雪崩击穿，最终过大的电流流过器件，最终导致器件发生热烧毁。
如图4所示为全SOI(FSOI)的LDMOS器件的剖面图。包括位于底部的P型衬底1；位于P衬底1右上方的深N型阱区2；位于P衬底1左上方的P型埋层3；位于P型埋层3右侧的N型漂移区4；位于P型埋层3左上方的P型阱区5；位于P型埋层3右上方的全部埋氧层6；位于P型阱区5左上方的源区P+注入7；位于源区P+注入7右侧的源区N+注入8；位于P型阱区5右上方的栅氧化层9；位于局部埋氧层6上方的源区Ptop注入10；位于Ptop注入10上方的局部场氧化层11；位于局部埋氧层6右上方的漏极N+注入12；位于栅氧化层9上方的多晶硅13。与传统器件相比，SOI器件具有更强的抗辐照能力和更快的工作速度、更好的绝缘、更高的集成度、无SCR寄生效应等优点。然而，用于抗辐照的SOI LDMOS通常是全SOI技术，其击穿电压受到埋氧层厚度和硅膜的限制。因此，降低瞬态响应时间对LDMOS晶体管和电路的影响是极其关键的。
如图5所示为传统LDMOS器件VDS为196V和197V时漏源电流的比较，当漏极偏置电压(VDS)为196V及以下时，常规LDMOS不会触发单粒子烧毁(SEB)，可以认为这是一个安全工作区(SOA)。当VDS达到197V时，在重离子的D轨道上首次发生SEB，而在其他三个轨道上仍然安全。因此，触发烧毁的最低VDS为197V，即在LET为0.2pC/μm，范围为30μm的重离子事件下，常规LDMOS的SEB触发电压(VSEB)为197V。SEB发生时,虽然在重离子事件发生后的几纳秒内，源极的空穴电流大于电子电流，由于寄生NPN开启，电子电流很快超过空穴电流，当电子电流比空穴电流大几个数量级时最终烧毁。
发明内容
本发明的目的，是针对单粒子辐照后，在重离子轨道上产生高密度的非平衡电子-空穴对，发生剧烈的碰撞电离，导致漏极处雪崩击穿，并在源端开启寄生NPN双极型晶体管(BJT)的问题，提出了一种可行的可改变电流分布的抗单粒子辐照的高压LDMOS结构，拥有更高的单粒子烧毁触发电压情况下，具有高抗单粒子瞬态效应的能力的新结构。
本发明的技术方案是：
一种抗单粒子辐照的高压LDMOS器件结构，其特征在于，包括P型衬底1，位于P衬底1上表面的N型缓冲层2、N型漂移区4和P型埋层3，其中N型漂移区4位于N型缓冲层2和P型埋层3之间；所述P型埋层3上表面具有P型阱区5，P型阱区5的侧面与N型漂移区4接触，在P型阱区5上层远离N型缓冲层2的一端具有并列设置的源区P+注入7和源区N+注入8，其中源区P+注入7位于远离N型缓冲层2的一端；所述N型缓冲层2上层远离P型阱区5的一端具有漏极N+注入12；所述N型漂移区4中具有局部埋氧层6，局部埋氧层6的一端与N型缓冲层2之间有间隙，另一端延伸入P型阱区5中并且端面位于源区N+注入8的下方；在源区N+注入8与N型漂移区4之间的P型阱区5上表面具有栅氧化层9，并且栅氧化层9的两端分别延伸至部分源区N+注入8的上表面和N型漂移区4的上表面；栅氧化层9与漏极N+注入12之间的N型漂移区4上表面和N型缓冲层2上表面覆盖有局部场氧化层11，栅氧化层9上表面具有多晶硅13，并且多晶硅13延伸至部分局部场氧化层11上表面；在局部场氧化层11的底部，具有源区Ptop注入10，源区Ptop注入10呈间断分布，源区Ptop注入10的底部与局部埋氧层6的顶部具有间隙。
进一步的，所述局部场氧化层11的材料为二氧化硅或K≤2.8的低K材料。
本发明的有益效果为：如图6所示，本发明提出的结构，在不改变固有尺寸的情况下，引入了N型缓冲层和局部埋氧层，VSEB可达396V，比常规LDMOS高出约200V，比只有缓冲层的LDMOS高出约90V。同时，Vth不受影响，均为1.75V，提高了抗单粒子瞬态效应的能力。
附图说明
图1为常规LDMOS器件的剖面图；
图2为单粒子打入器件内部示意图；
图3为单粒子烧毁示意图；
图4为全SOI的LDMOS器件的剖面图；
图5为传统LDMOS器件VDS为196V和197V时漏源电流的比较；
图6为最佳单粒子加固LDMOS漏源电流的比较；
图7为本发明可改变电流分布的抗单粒子辐照的高压LDMOS器件的剖面图。
其中，1为P型衬底，2为N型缓冲层，3为P型埋层，4为N型漂移区，5为P型阱区，6为局部埋氧层，7为源区P+注入，8为源区N+注入，9为栅氧化层，10为源区Ptop注入，11为局部场氧化层，12为漏极N+注入，13为多晶硅。
具体实施方式
下面结合附图描述本发明的技术方案：
如图7所示，一种可改变电流分布的抗单粒子辐照的高压LDMOS器件结构，包括位于底部的P型衬底1；位于P衬底1右上方的N型缓冲层2；位于P衬底1左上方的P型埋层3；位于P型埋层3右侧的N型漂移区4；位于P型埋层3左上方的P型阱区5；位于P型埋层3右上方的局部埋氧层6；位于P型阱区5左上方的源区P+注入7；位于源区P+注入7右侧的源区N+注入8；位于P型阱区5右上方的栅氧化层9；位于局部埋氧层6上方的源区Ptop注入10；位于Ptop注入10上方的局部场氧化层11；位于局部埋氧层6右上方的漏极N+注入12；位于栅氧化层9上方的多晶硅13。
本发明和图1所示常规结构的LDMOS相比，在不改变固有尺寸的情况下，引入了N型缓冲层和局部埋氧层，N型缓冲层改变了器件内部电场分布，重建峰值电场的位置，局部埋氧层重建电子电流和空穴电流的路径，降低寄生双极型晶体管(BJT)的风险，提高了抗单粒子瞬态效应的能力。
所述局部场氧化层11的材料为二氧化硅或K≤2.8的低K材料。
Claims (2)
1.一种抗单粒子辐照的高压LDMOS器件结构，其特征在于，包括P型衬底(1)，位于P衬底(1)上表面的N型缓冲层(2)、N型漂移区(4)和P型埋层(3)，其中N型漂移区(4)位于N型缓冲层(2)和P型埋层(3)之间；所述P型埋层(3)上表面具有P型阱区(5)，P型阱区(5)的侧面与N型漂移区(4)接触，在P型阱区(5)上层远离N型缓冲层(2)的一端具有并列设置的源区P+注入(7)和源区N+注入(8)，其中源区P+注入(7)位于远离N型缓冲层(2)的一端；所述N型缓冲层(2)上层远离P型阱区(5)的一端具有漏极N+注入(12)；所述N型漂移区(4)中具有局部埋氧层(6)，局部埋氧层(6)的一端与N型缓冲层(2)之间有间隙，另一端延伸入P型阱区(5)中并且端面位于源区N+注入(8)的下方；在源区N+注入(8)与N型漂移区(4)之间的P型阱区(5)上表面具有栅氧化层(9)，并且栅氧化层(9)的两端分别延伸至部分源区N+注入(8)的上表面和N型漂移区(4)的上表面；栅氧化层(9)与漏极N+注入(12)之间的N型漂移区(4)上表面和N型缓冲层(2)上表面覆盖有局部场氧化层(11)，栅氧化层(9)上表面具有多晶硅(13)，并且多晶硅(13)延伸至部分局部场氧化层(11)上表面；在局部场氧化层(11)的底部，具有源区Ptop注入(10)，源区Ptop注入(10)呈间断分布，源区Ptop注入(10)的底部与局部埋氧层(6)的顶部具有间隙。
2.根据权利要求1所述的一种抗单粒子辐照的高压LDMOS器件结构，其特征在于，所述局部场氧化层(11)的材料为二氧化硅或K≤2.8的低K材料。
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