单粒子栅击穿的半经验模型优化为：单粒子栅击穿的半经验模型探究

对功率MOSFET器件来说，栅源电压VGS是表征单粒子栅击穿现象的最重要参数之一，栅源电压VGS对单粒子栅击穿现象的影响特征主要表现在器件栅氧化物的特性方面，如氧化物厚度、电击穿特性及其两者之间的相关性。另外，栅源电压应处于什么样的条件下，器件对重离子诱发的栅击穿现象是不敏感的，即其工作状态相对安全。为了回答这个问题，人们针对具体器件开展了大量试验研究，总结了相关结果，提出了单粒子栅击穿的一些半经验模型，为人们认识和理解其基本机理和现象，以及开展单粒子栅击穿的防护设计提供了试验与理论基础。

1994年，Wheatley等人针对DMOS晶体管的单粒子栅击穿现象，开展了详细的试验研究工作，总结出了一种描述功率MOSFET器件单粒子栅击穿现象的半经验模型。试验中，针对一定结构的400多个同批次制造的功率MOSFET器件，利用LET值处于0～80 MeV·cm2/mg的单能重离子照射，获取了发生单粒子栅击穿时，栅源电压VGS和漏源电压VDS的矩阵数据集（VGS，VDS），并对试验结果进行了总结，获得了试验数据的半经验拟合结果，图3-40给出了在不同重离子LET值下的矩阵数据集（VGS，VDS）及相关拟合曲线。从图中拟合曲线可以看出，在一定的LET值下，栅源电压VGS和漏源电压VDS呈线性关系。具体半经验表达式如下：

从表达式可以看出，拟合直线的斜率和VGS截距与给定的重离子LET值相关（参见图3-40），其分别为表达式中大括号里的第一项和第二项。这里值得注意的是，这种半经验模型只是基于特定器件的试验数据而得出的。对其他结构类型的器件而言，需要完成类似的试验测试及数据处理分析，然后得出类似于式（3.6-3）的表达式。一般地说，表达式实质上应是相同的，只是具体的数值会有所差异。

图3-40　单粒子栅击穿半经验模型表示的试验数据（符号）、模型拟合（实线）、击穿电压（虚线）及制造商建议的最大工作限（点线）

该半经验模型可以较好地解释和说明重离子诱发产生的SEGR现象。从表达式可以看出，随着入射离子LET值的增加，在较低偏置电压下，就可以诱发SEGR现象发生。对建立半经验模型的试验数据分析表明，SEGR是重离子诱发的电荷累积所诱发，即在栅、漏重叠区的Si-SiO2界面处，重离子诱发的电荷累积过程会在栅氧化层区域形成局部高电场，最终诱发SEGR产生。从半经验模型的表达式看出，一个重要的特征是，SEGR的产生也与VDS相关。通常，在分析SEGR产生机制过程中，当考虑到栅氧化区的电场时，人们主要对VGS感兴趣。显然，在分析SEGR敏感性或易发性时，VDS和VGS都需要和重离子LET值综合在一起考虑。一般来说，对功率MOSFET器件来说，SEGR对VGS的变化比对VDS的变化更加敏感，相关试验测试也表明了这一点。

下面对半经验模型进行进一步说明。首先来看第二个括号里的项，即VDS等于零时的VGS截距，VGSS=-50/（1+LET/53）。一般说来，VGS截距表达式对SiO2电容器应当是有效的，但缺乏对SiO2层厚度变化的说明。其次为表达式中第一个括号里的项，即VGS随VDS的变化率，即：δVGS/δVDS=0.84[1-exp（-LET/17.8）]。要详细说明该变化率的变化情况，就需要一个量化的重离子电离径迹结构说明。我们知道，如果考虑到入射粒子产生的电流过程的影响，仅仅将这种过程认为是一个简单的等离子体丝线连接的概念，是不能说明漏极电压变化是如何传输到栅电容电极（在离子撞击近区）的。例如，这种简单过程的说明需要给出一个栅极电压的偏移变化，用来维持临界绝缘体电场。也就是说，图3-40给出的拟合曲线的斜率将为1，而试验测试结果并非如此。我们知道，离子撞击产生的电流将流过衬底内的阻性通路，此外，当空穴在Si和SiO2界面的径向方向扩散时，将会产生欧姆电压降。更进一步，在栅击穿被诱发之前，部分离子电流流过栅氧化物并在径向通过多晶硅区域。因此，漏极电压的有效变化在Si和SiO2界面处造成了衰减，导致第一个大括号里项的系数介于0与1之间，而半经验表达式中的系数为0.84。

1995年，在Wheatley等人工作的基础上，Titus等人进一步研究了功率MOSFET器件的氧化层厚度对SEGR的影响特征。在试验测试中，采用不同的漏源偏置条件，针对每种不同氧化层厚度的器件，在不同LET值的单能重离子照射下，获取了发生单粒子栅击穿现象的栅源阈值电压。通过对试验测试数据的分析和拟合，考虑到氧化层厚度变化后，VGSS=-107tox/（1+LET/53），其中tox为氧化层厚度，另外，考虑了漏源电压在较高情况下单元结构、沟道电导等因素的影响后，提出了一个比较完善的半经验模型。Titus等人给出的栅源电压VGS、漏源电压VDS、离子LET值及氧化层厚度之间的关系如下：(www.xing528.com)

图3-41　单粒子栅击穿计算与实测的比较

（符号—实测的，直线—计算的，LET值单位为MeV·cm2/mg）

利用上述公式，结合轨道空间环境，可以计算出功率MOSFET器件的安全工作区，为保证器件在空间辐射环境中可靠工作提供设计依据。图3-41为在不同氧化层厚度下，利用Titus公式计算的功率MOSFET器件安全工作区（图中实线以下区域）与实测获得的安全工作区的比对。从图中可以看出，两者的一致性较好。最后，应当指出的是，其他有关试验研究表明，在离子束照射过程中，如果增加离子的入射角，其SEGR敏感性降低；而且对额定电压比较高（200 V以上）的功率MOSFET器件，半经验模型需要进一步改进。