屏蔽栅MOSFET总剂量辐射效应机理与加固研究

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屏蔽栅MOSFET(Shielded Gate Trench Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor,SGT MOSFET)作为中低压功率器件的代表,具有功率损耗低、开关速度快的优点,但其在航空航天领域的应用却受到了辐射效应的制约。然而,目前国内外关于SGT MOSFET的总剂量辐射(Total Ionizing Dose,TID)效应的研究还非常有限,因此本文通过实验和仿真的方法对SGT MOSFET的总剂量辐射效应机理做出了探究,建立了失效模型,并据此提出了抗辐射加固措施。本文的主要工作内容与成果如下:首先,通过对SGT MOSFET的总剂量辐射效应进行系统的实验研究,明确了其阈值电压、导通电阻及击穿电压在经受总剂量辐射之后的变化规律。然后,利用Sentaurus TCAD软件对SGT MOSFET的总剂量辐射退化进行了仿真分析。结果表明,SGT MOSFET受总剂量辐射影响最严重的退化行为是阈值电压和击穿电压的大幅降低。其中,阈值电压受总剂量辐射影响而线性减小,击穿电压随辐射剂量的增大出现了“慢-快-慢”的退化趋势。根据仿真结果和理论分析对器件电学参数受辐射而退化的原因做出了解释。基于二维泊松方程,建立了辐致电场再分布解析模型,为器件的击穿电压抗辐射加固提供理论指导。接着,在实验和理论研究的基础上,提出了SGT MOSFET抗总剂量辐射加固方案。从结构参数改良的角度分别提出了降低栅氧化层厚度、降低屏蔽栅氧化层厚度及降低漂移区掺杂浓度这三种加固措施。其中,降低栅氧化层厚度能抑制总剂量辐射后的阈值电压下降,而根据辐致电场再分布模型得出的后两种方法对击穿电压退化现象有改善作用。除此之外,根据理论推导提出了一种具有均匀轻掺杂的缓冲层(Buffer Layer)与线性掺杂的漂移区(Linearly Doped Drift Region)的新结构BLD(Buffer above Linear Drift)-SGT MOSFET。相比简单地降低漂移区掺杂浓度,BLD-SGT MOSFET结构不仅能更好地抑制总剂量辐射后的击穿电压退化,还在导通电阻方面具有明显的优势。与同等导通电阻的常规SGT MOSFET相比,BLD-SGT MOSFET实现了2倍的击穿电压抗辐射能力。为了探究BLD-SGT MOSFET结构加固方法的稳定性,分别研究了漂移区掺杂浓度梯度k、Buffer层厚度Ld1以及Buffer层掺杂浓度Nd1对该结构基本性能和抗辐射能力的影响。最后,从工艺优化的角度给出了后栅氧工艺及牺牲氧化法,有利于获得缺陷更少的氧化层。
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