原標(biāo)題：新型抗總劑量輻照高壓LDMOS結(jié)構(gòu)

一、問(wèn)題主體與用戶需求分析

1. 核心問(wèn)題

• 總劑量輻照失效：高壓LDMOS（橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體）在空間或核輻射環(huán)境中，總劑量輻照（TID）導(dǎo)致氧化層陷阱電荷和界面態(tài)積累，引發(fā)閾值電壓漂移（如從+2V漂移至-1V）、漏電增加（如關(guān)態(tài)漏電流從1nA增至1μA）和擊穿電壓下降（如從600V降至400V）。

• 高壓與抗輻照矛盾：傳統(tǒng)抗輻照結(jié)構(gòu)（如環(huán)柵、H型柵）通過(guò)犧牲器件面積或擊穿電壓提升抗輻照能力，難以兼顧高壓應(yīng)用需求（如功率轉(zhuǎn)換、驅(qū)動(dòng)電路）。

• 長(zhǎng)期可靠性問(wèn)題：輻照累積效應(yīng)導(dǎo)致器件性能隨時(shí)間退化，影響系統(tǒng)壽命（如衛(wèi)星電源模塊需保證15年可靠性）。

2. 用戶需求

• 抗輻照能力：總劑量輻照100krad（Si）后，閾值電壓漂移<±0.5V，漏電流<10nA。

• 高壓特性：擊穿電壓≥600V，導(dǎo)通電阻<10Ω·mm2（滿足功率器件需求）。

• 工藝兼容性：與標(biāo)準(zhǔn)CMOS/BCD工藝兼容，無(wú)需額外掩模或特殊設(shè)備。

• 溫度穩(wěn)定性：-55℃~125℃范圍內(nèi)性能波動(dòng)<10%。

二、新型抗輻照高壓LDMOS結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1. 核心創(chuàng)新點(diǎn)

• 雙層氧化層結(jié)構(gòu)：

• 頂層氧化層：采用高密度等離子體氧化（HDPO）工藝，厚度100nm，密度≥2.2g/cm3，抑制輻照陷阱電荷生成。

• 底層氧化層：保留熱氧化層（厚度50nm），利用其低界面態(tài)密度特性，減少輻照損傷。

• 分段柵極設(shè)計(jì)：

• 將柵極分為多段（如3段），每段獨(dú)立連接，通過(guò)優(yōu)化段間距（如2μm）和電場(chǎng)分布，降低局部電場(chǎng)峰值（從2MV/cm降至1.5MV/cm），抑制輻照誘發(fā)電場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)。

• 深N型埋層（DNBL）：

• 在漂移區(qū)下方引入高濃度N型埋層（摻雜濃度≥1e18cm?3），通過(guò)電荷補(bǔ)償機(jī)制穩(wěn)定閾值電壓，輻照后漂移量從±1.5V降至±0.3V。

2. 關(guān)鍵工藝優(yōu)化

• 離子注入退火：

• 采用快速熱退火（RTA，1050℃/10s）激活摻雜，減少晶格損傷，輻照后遷移率退化<15%（傳統(tǒng)工藝退化>30%）。

• 場(chǎng)板結(jié)構(gòu)：

• 引入多級(jí)場(chǎng)板（如2級(jí)），通過(guò)調(diào)整場(chǎng)板長(zhǎng)度（如主場(chǎng)板10μm、次場(chǎng)板5μm）和間距（3μm），優(yōu)化表面電場(chǎng)分布，擊穿電壓提升20%。

三、性能驗(yàn)證與對(duì)比

1. 輻照實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2. 溫度穩(wěn)定性測(cè)試

• 在-55℃~125℃范圍內(nèi)，新型LDMOS閾值電壓波動(dòng)<±0.3V，導(dǎo)通電阻波動(dòng)<8%，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)（閾值電壓波動(dòng)±1.2V，導(dǎo)通電阻波動(dòng)>20%）。

3. 工藝兼容性

• 新型結(jié)構(gòu)僅需增加2道掩模（DNBL注入和雙層氧化層沉積），與標(biāo)準(zhǔn)0.18μm BCD工藝完全兼容，成本增加<5%。

四、應(yīng)用場(chǎng)景與優(yōu)勢(shì)

1. 典型應(yīng)用場(chǎng)景

• 空間電源系統(tǒng)：

• 用于衛(wèi)星太陽(yáng)能電池陣列調(diào)節(jié)器，承受總劑量輻照>100krad（Si），壽命>15年。

• 核能監(jiān)測(cè)設(shè)備：

• 在核電站輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，耐受中子輻照和γ射線，確保傳感器信號(hào)穩(wěn)定傳輸。

• 高可靠功率驅(qū)動(dòng)：

• 應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制器，承受高溫（125℃）和輻照環(huán)境，驅(qū)動(dòng)高壓電機(jī)。

2. 對(duì)比優(yōu)勢(shì)

• 抗輻照能力：優(yōu)于傳統(tǒng)環(huán)柵LDMOS（閾值電壓漂移降低70%以上）。

• 高壓特性：擊穿電壓比SOI LDMOS高15%，導(dǎo)通電阻低10%。

• 成本效益：與抗輻照加固SOI工藝相比，成本降低40%，且無(wú)需特殊晶圓。

五、優(yōu)化方向與未來(lái)展望

1. 進(jìn)一步優(yōu)化方向

• 集成輻照傳感器和反饋電路，實(shí)時(shí)調(diào)整柵極偏置，補(bǔ)償閾值電壓漂移。

• 引入高k介質(zhì)（如HfO?）替代SiO?，提升氧化層抗輻照能力（陷阱電荷密度降低50%）。

• 三維集成：結(jié)合FinFET或GAA結(jié)構(gòu)，提升柵控能力，降低輻照敏感度。

• 新材料應(yīng)用：

• 智能補(bǔ)償電路：

2. 未來(lái)展望

• 深空探測(cè)：支持火星探測(cè)器等長(zhǎng)期在軌任務(wù)，承受總劑量輻照>1Mrad（Si）。

• 量子計(jì)算：為低溫量子芯片提供抗輻照高壓驅(qū)動(dòng)，減少環(huán)境噪聲干擾。

六、總結(jié)與推薦

1. 核心結(jié)論

• 新型抗總劑量輻照高壓LDMOS通過(guò)雙層氧化層、分段柵極和深N型埋層設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)抗輻照能力（100krad后閾值電壓漂移<±0.5V）與高壓特性（擊穿電壓>600V）的平衡，滿足空間、核能等極端環(huán)境需求。

2. 推薦方案

• 高可靠性需求：優(yōu)先采用雙層氧化層+DNBL結(jié)構(gòu)，確保15年壽命。

• 成本敏感場(chǎng)景：簡(jiǎn)化分段柵極設(shè)計(jì)，保留雙層氧化層，平衡性能與成本。

• 超高壓應(yīng)用：結(jié)合多級(jí)場(chǎng)板和SOI襯底，擊穿電壓可提升至1kV以上。

一句話總結(jié)：新型抗總劑量輻照高壓LDMOS通過(guò)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新與工藝優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)抗輻照能力提升90%、擊穿電壓突破600V，是空間電源、核能設(shè)備等高可靠系統(tǒng)的理想選擇。