一种功率VDMOS器件总剂量和单粒子栅击穿协和效应仿真方法

摘要

本发明公开了一种功率VDMOS器件总剂量和单粒子栅击穿协和效应仿真方法，基于TCAD仿真平台建立功率VDMOS器件总剂量效应和单粒子栅击穿协和效应仿真模型，在同一款功率器件上综合对总剂量效应和单粒子效应的模拟仿真，利用仿真模型分析器件在空间应用中多种辐射效应对其的影响；本发明通过对功率VDMOS器件建立电学模型、辐射总剂量模型、单粒子模型，仿真不同辐照剂量对器件的总剂量效应，并在功率VDMOS器件发生协和作用的瞬态过程中，跟踪重要电学物理参量的演变过程，做出比较分析，有效地对功率器件在综合辐射场下敏感性评估及防护设计提供理论支撑。该方法具有便捷、经济、高效的特点，为功率VDMOS器件在空间应用时的防护设计提供技术支持。

说明书

技术领域

本发明涉及功率器件空间应用的辐射防护技术，属于卫星抗辐射加固技术领域。

背景技术

功率VDMOS器件常用在电源系统中的DC/DC转换器中，作为电源系统的核心元器件，空间辐射环境中的各种高能粒子和宇宙射线对这种功率器件的正常工作影响很大，如：在空间应用中，这类器件很容易受到重离子辐照影响，从而导致器件绝缘栅氧化层电场瞬间增大超过其本身的临界击穿电场，发生单粒子栅击穿，对设备造成永久性损伤；同时，空间辐射环境也会导致器件发生总剂量效应，造成阈值电压漂移、漏电流增大等性能退化。尽管针对单粒子栅击穿和总剂量效应都分别开展了大量研究，单粒子栅击穿和总剂量效应协和研究相对较少，如2007年，由Scheick L Z等人报道发现质子辐射损伤会影响功率SiVDMOS的单粒子栅击穿；2013年，由G.Busatto等人发现功率Si VDMOS器件在γ辐照后再接受155MeV Br辐照，同样会造成单粒子栅击穿阈值电压降低。但是在第三代半导体功率器件中的报道较少，且对单粒子栅击穿和总剂量效应协和作用的影响规律与机理尚不明确，因此，研究器件协和作用的辐射规律及其防护显得尤为重要。但目前，开展地面辐照试验虽然可以较为精准地评估出器件的抗辐照能力，但总剂量试验后难以及时进行重离子辐照，两种辐照试验之间存在较长时间间隔，导致器件发生退火效应，影响总剂量和单粒子协和作用的研究，且难以掌握器件内部微观参数变化，不利于揭示损伤机理，而且所用的仪器的辐照条件、时间成本、经济成本等因素制约了相关研究。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供基于功率VDMOS器件总剂量效应和单粒子栅击穿协和仿真方法，通过对功率VDMOS器件建立电学模型、辐射总剂量模型、单粒子模型，仿真不同辐照剂量对器件的总剂量效应；之后在总剂量辐照后的模型上，固定重离子辐照条件、入射位置以及偏置条件，对功率VDMOS器件单粒子效应进行仿真。

本发明的技术方案是：一种功率VDMOS器件总剂量和单粒子栅击穿协和效应仿真方法，包括：

根据待仿真功率器件的设计和工艺参数，利用半导体器件二维建模工具对所述待仿真器件进行二维建模，得到该待仿真器件的二维模型，之后对建立的二维模型进行网格划分，生成网格化的器件结构，网格结构与器件的结构匹配；

对得到的器件结构模型进行TCAD器件仿真，得出待仿真功率器件电学仿真结果；再将待仿真功率器件电学仿真结果对比器件产品手册中的相应电学参数或曲线，优化校准器件的工艺参数，最终使待仿真功率器件电学仿真结果和器件产品手册相符，从而获得待仿真功率器件电学仿真模型；

根据得到的待仿真功率器件电学仿真模型，在TCAD中施加氧化物陷阱电荷和界面态陷阱电荷来代替总剂量效应；

设置不同的辐照剂量，分别仿真不同辐照剂量下的器件特性曲线，得到待仿真功率器件总剂量仿真模型；

根据得到的功率器件总剂量模型，固定重离子辐照条件、入射位置以及偏置条件不变，分别对待仿真功率器件进行不同总剂量情况下的单粒子效应仿真，得到器件总剂量和单粒子栅击穿协和效应仿真模型；

基于器件总剂量和单粒子栅击穿协和效应仿真模型，得到发生协和作用时栅氧化层中的最大电场随时间的变化曲线，以及得到不同剂量下器件发生单粒子栅击穿阈值电压，进而形成器件发生单粒子栅击穿阈值电压随剂量变化曲线，实现对功率器件总剂量效应和单粒子效应协和作用辐射敏感性的仿真。

所述网格划分的具体过程为：将对电学参数及辐射效应影响较大的器件栅氧化层结构区域附近以步长0.02nm甚至更低步长进行精细网格划分，其余区域按照0.1-0.5nm步长进行网格划分。

所述待仿真功率器件电学仿真结果包括的转移特性曲线、输出特性曲线和击穿电压。

所述工艺参数包括衬底、漂移区、体区以及源区尺寸、浓度。

为模拟绝缘材料中的辐射感应电荷对器件性能的影响，指定绝缘层材料为宽禁带半导体以直接再现辐照后器件的状态。

所述得到不同剂量下器件发生单粒子栅击穿阈值电压，包括：首先得到协和仿真后的VDMOS器件的栅氧化层中的最大电场E

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明创新性的提出了一种功率VDMOS器件总剂量和单粒子栅击穿协和效应仿真方法，基于TCAD仿真平台建立功率VDMOS器件总剂量效应和单粒子栅击穿协和效应仿真模型，在同一款功率器件电学模型优化结束的基础上综合开展总剂量效应和单粒子栅击穿效应的模拟仿真，利用仿真模型分析器件在空间应用中多种辐射效应对其的影响；该方法具有便捷、经济、高效的特点，为功率VDMOS器件在航天型号工程中的防护设计提供技术支持。

附图说明

图1是本发明的实施流程图；

图2是本发明的SiC MOSFET器件结构示意图；

图3是本发明的电学优化后得到的电学特性曲线图；其中3(a)为器件转移特性曲线图，3(b)为器件输出特性曲线图；

图4是本发明SiC MOSFET器件在偏置条件为V

图5是本发明SiC MOSFET器件在偏置条件为V

图6是本发明SiC MOSFET器件在偏置条件为V

图7是本发明SiC MOSFET器件在偏置条件为V

具体实施方式

如图1所示，本发明提出了一种基于SiC MOSFET器件总剂量和单粒子栅击穿协和效应仿真方法，包括如下步骤：

(1)如图2所示，为SiC MOSFET器件的结构示意图，SiC MOSFET器件工艺结构为垂直结构，其栅极和源极电极位于器件的顶部，而其漏极电极位于器件的底部。根据SiCMOSFET器件的设计和工艺参数，通过半导体器件二维建模工具对所述的SiC MOSFET器件进行二维建模，得到SiC MOSFET器件的二维模型，之后进行网格划分，将对电学参数及辐射效应影响变化较大的器件栅氧化层结构区域附近以步长0.02nm进行精细网格划分。生成网格化的器件结构，网格结构与器件的结构匹配。

(2)对步骤(1)进行TCAD器件仿真，得出SiC MOSFET器件的转移特性曲线和输出特性曲线，再对比器件产品手册中的相应电学参数或曲线，优化校准器件的衬底、漂移区、体区以及源区尺寸、浓度等工艺参数，最终使电学仿真结果和器件产品手册相符；如图3所示，电学优化后得到的电学特性曲线图，图3(a)为SiC MOSFET器件优化后电学特性仿真得到的转移特性曲线图，器件阈值电压V

(3)根据步骤(2)中优化后所得到的器件电学仿真模型，对SiC MOSFET器件建立辐射总剂量模型，对器件进行辐射总剂量模拟仿真；

(3.1)在TCAD中施加氧化物陷阱电荷和界面态陷阱电荷来代替总剂量效应效应，同时指定绝缘层材料为宽禁带半导体，模拟绝缘材料中的辐射感应电荷对器件性能的影响；

(3.2)考虑最恶劣辐照偏置，即栅-源之间施加正向偏压使器件处于开启状态，具体偏置条件为V

(3.3)如图4所示，辐照剂量率为50rad(Si)/s，分别仿真辐照剂量为0krad(Si)、200krad(Si)、500krad(Si)、800krad(Si)四个不同辐照剂量下的器件转移特性曲线。

(4)根据步骤(3)中所得到的不同辐照剂量下的器件，分别对器件进行不同总剂量情况下的单粒子效应模型，对器件进行单粒子栅击穿模拟仿真；

(4.1)如图5所示，器件偏置为V

(5)如图6所示，得到步骤(4)中经过协和仿真后的SiC MOSFET器件的栅氧化层中的最大电场E

(6)基于器件总剂量和单粒子栅击穿协和效应仿真模型，确定发生协和作用后，如图7所示，为协和效应发生后单粒子栅击穿时SiC MOSFET器件的阈值电压，对SiC MOSFET器件总剂量效应和单粒子效应协同仿真进行敏感性分析总结。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。