抗辐照大功率P沟道VDMOS工艺与器件研究.docx

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1、抗辐照大功率P沟道VDMOS工艺与器件研究随着航天技术的不断发展,航天器在轨时间越来越长。作为航天器所用电源核心的抗辐照VDMOS器件对性能和寿命的要求也随之不断提高。近年来国内外在抗辐照大功率N沟道VDMOS器件的研究上已经取得了巨大进展。但作为航天用电源中不可或缺的另一种核心器件——抗辐照大功率P沟道VDMOS器件由于其应用领域狭窄,相关研究十分匮乏。本文以抗辐照的大功率P沟道VDMOS器件为研究对象,以提高大功率P沟道VDMOS器件抗辐照等级为目的,主要研究工作集中在抗辐照工艺开发、器件结构设计

2、及抗辐照复合耐压终端结构设计三个方面。本论文以国内工艺线为基础,首先研究了通过工艺流程提高P沟道VDMOS器件抗辐照等级的方法,开发了一种完全基于国内工艺线水平的新型抗辐照P沟道VDMOS后栅工艺。通过合理优化工艺步骤及工艺参数,减少高温工艺对氧化层质量的影响,控制氧化层中电荷密度,以达到抗辐照的目的。辐照实验表明,该工艺可以将普通平面结构P沟道VDMOS抗辐照性能提高到100kRads(Si)标准,相比未作抗总剂量加固样品能将阈值电压漂移降低65.9%以上。在分析器件元胞性能参数模型的基础上,利用性

3、能优值讨论了元胞的纵向及横向参数对其性能的影响。依照所开发的工艺流程,结合工艺线实际工艺水平,通过理论模型计算和计算机仿真,本论文设计了一款击穿电压-80V的大功率抗辐照P沟道VDMOS器件,包括元胞结构参数、复合耐压终端结构设计、版图绘制及工艺参数开发。最后完成了器件的流片、封装和测试。样品测试结果证实所设计器件样品的平均击穿电压为-89.07V,平均阈值电压为-3.93V,平均导通电阻为172mΩ,完全满足指标要求,其性能优值与IR公司目前的主力产品IRH9130相比仅相差8.7‰。本论文提出了一

4、种带同质重掺杂区的新型单场限环终端结构,对其进行表面电荷仿真的结果表明,当表面电荷密度为5×1011/cm2(相当于受到100kRads(Si)的总剂量辐照)时,该场限环的击穿电压比传统结构能提高约11.7%,且相比于传统场限环能更好的抑制表面电荷对击穿电压的影响。这种新型场限环的主结击穿区主要在主结底部曲率最大处,受表面电荷影响不大。以上述场限环结构为基础,本论文提出了一种将其与深扩散结及多级场板相结合的新型抗辐照复合耐压终端,并将该结构运用在本文所开发的-80VP沟道VDMOS之中。对表面电荷的仿

5、真结果表明,当表面电荷密度为1.5×1012/cm2(相当于受到300kRads(Si)的总剂量辐照)时,该新型复合耐压终端结构的击穿电压基本保持不变,比传统结构提高了约16%。在后续的抗辐照实验中,该终端结构在受到总剂量为300kRads(Si)的辐照之后器件样品的击穿电压没有发生漂移。仿真与实验的结果都证明了该结构完全可以满足未来300kRads(Si)产品的要求。因此该终端结构也将被运用于后续耐压-200V大功率抗辐照P沟道VDMOS器件当中。另外对该结构进行工艺流程仿真的结果说明该终端结构的制

6、作工艺完全与前面开发的抗辐照工艺兼容,不需要额外增加任何步骤,具有良好的工艺兼容性。最后本文对流片的样品完成了60Co的γ射线源抗总剂量效应实验,其结果证明本论文对该器件从工艺到设计的改进基本能够满足抗总剂量100kRads(Si)的要求,测试结果及分析对前面工艺流程的开发与改进提供了实际和理论上的有力支持。