IGBT中的MOS結(jié)構(gòu)—抗輻照特性介紹

氧化硅等絕緣層是MOS器件的重要組成部分，在高能粒子的輻射下，絕緣層中激發(fā)的電子空穴對(duì)會(huì)對(duì)絕緣層的特性造成影響。

工作在高輻射環(huán)境的MOS器件，如太空、高能粒子加速系統(tǒng)等，大量的電子、中子等粒子會(huì)持續(xù)地對(duì)器件進(jìn)行輻射，不僅會(huì)影響到器件的性能，還會(huì)影響到系統(tǒng)的壽命。

下面我們簡(jiǎn)要分析一下高能粒子是如何影響絕緣層以及器件性能的，還是以IGBT中的N溝道MOS器件為例。

如圖所示，一個(gè)典型的MOS結(jié)構(gòu)，當(dāng)柵極施加正壓時(shí)，P-base與界面附近的能級(jí)獲取電子的概率增大，能級(jí)向下彎曲，當(dāng)超過閾值電壓后，界面處形成反型層，形成N溝道。當(dāng)高能粒子輻照，其能量超過的禁帶寬度，則會(huì)在中形成可自由活動(dòng)的電子空穴對(duì)。除了部分自發(fā)復(fù)合的電子空穴對(duì)以外，在外加電場(chǎng)的作用下電子向柵極漂移，空穴則向硅體方向移動(dòng)。

通常情況下，在和的界面附近的一側(cè)，因?yàn)檠醯娜笔?，?huì)存在一定濃度的“氧空位”。這些空位會(huì)在的禁帶中形成深能級(jí)陷阱，捕獲空穴而帶正電。氧空位的濃度與氧化硅制備工藝相關(guān)。這些固定的正電荷會(huì)在和的界面附近的一側(cè)感生出負(fù)電荷（能級(jí)電子占有率更高），導(dǎo)致閾值電壓下降。

需要注意的是，空穴在氧化硅中的傳輸，并不像在硅中的傳輸那樣順利，晶格碰撞、氧空位等都會(huì)大大降低空穴在氧化硅中的遷移率，因此空穴要擴(kuò)散到和 的界面通常需要很長(zhǎng)的時(shí)間。顯然這個(gè)過程跟氧化硅的質(zhì)量、厚度以及溫度有很大的關(guān)聯(lián)性

因此中的正電荷通常具有很長(zhǎng)的壽命，隨著輻射時(shí)間的增加，這個(gè)過程會(huì)不斷的積累，相應(yīng)地，閾值電壓也會(huì)持續(xù)下降。當(dāng)閾值電壓下降到一定程度后，器件誤開啟的概率也就升高了。

當(dāng)然，高能輻照除了對(duì)氧化硅造成影響外，對(duì)硅體本身也會(huì)造成影響。不過因?yàn)楣璞旧砭哂休^好的導(dǎo)電性，輻照產(chǎn)生的電子空穴對(duì)可以更順利的排除，因此影響相對(duì)來說更小一些。但是特別要注意的是，在溝道中，可能因?yàn)楦吣茌椪斩肴毕菽芗?jí)，降低溝道內(nèi)的載流子遷移率。

在理解輻照的基本影響之后，抗輻照的措施大致也就清晰了，主要在于如何提高氧化層的抗輻照特性。大致上可以分為兩大類的手段，一是盡量減少氧化硅中的氧空位等缺陷，二是中和氧化硅中的正電荷。

第一種手段有可以通過減小氧化硅中的缺陷密度以及缺陷總量?jī)蓚€(gè)角度來考慮，前者可以通過降低氧化硅的生長(zhǎng)速度、氧化過程中加入氫等方法來實(shí)現(xiàn)；后者可以通過減小氧化硅的厚度來實(shí)現(xiàn)。

第二種手段可以通過在氧化硅中注入硅元素等方法，在氧化硅中制造捕獲電子的能級(jí)陷阱，從而中和空穴能級(jí)陷阱所引起的正電荷。

這里只針對(duì)柵氧受輻照的影響進(jìn)行了描述，實(shí)際上在IGBT中除了柵氧以外，還有一個(gè)很重要的氧化硅構(gòu)成，即終端區(qū)域的場(chǎng)氧，其厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于柵氧厚度，且為提高產(chǎn)能，生長(zhǎng)工藝通常不如柵氧精細(xì)，因此其中的缺陷密度和缺陷總量都遠(yuǎn)高于柵氧，受輻照影響也就相應(yīng)更大。

因?yàn)閳?chǎng)氧的主要作用是承受高電壓，因此輻照對(duì)場(chǎng)氧的影響主要在于高電壓情況下的漏電流。在后面講到終端結(jié)構(gòu)或者生產(chǎn)工藝時(shí)，若有必要再做分析，這里不再詳述。

至此，IGBT中的MOS結(jié)構(gòu)講解告一段落。