新型抗總劑量輻照高壓LDMOS結(jié)構(gòu)


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
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)。
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)
測(cè)試項(xiàng)目 | 傳統(tǒng)LDMOS | 新型LDMOS | 改進(jìn)幅度 |
---|---|---|---|
總劑量輻照(100krad) | 閾值電壓漂移-1.8V | 閾值電壓漂移+0.2V | 提升90% |
關(guān)態(tài)漏電流 | 1.2μA | 8nA | 降低150倍 |
擊穿電壓 | 420V | 610V | 提升45% |
導(dǎo)通電阻 | 12Ω·mm2 | 9.5Ω·mm2 | 降低21% |
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
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:
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
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。
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。
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