一种SiCMOSFET器件总剂量效应试验方法与流程

一种sicmosfet器件总剂量效应试验方法
技术领域
1.本发明涉及一种sicmosfet器件总剂量效应试验的方法，属于空间用元器件抗辐射技术领域。


背景技术：

2.航天器运行在空间辐射环境，会受到空间辐射的影响，需要考虑空间总剂量辐照效应，航天器内的元器件需要进行总剂量效应评估。
3.第三代半导体sicmosfet和simosfet有相似之处，都有sio2栅氧化层，两者存在类似的因辐射在氧化层产生陷阱电荷而引起的总剂量辐射效应，又有不同之处，不同于simosfet是由si氧化形成sio2栅氧化层，sicmosfet是由sic氧化形成sio2栅氧化层，在这个过程中释放c或者co，形成的sio2/sic界面结构和特性和sio2/si的存在很大不同，导致其辐射效应不同，包括辐射条件下，器件失效机理不同，因此，现有的基于simosfet辐射效应机理建立的辐射试验方法不完全适用，需要针对sicmosfet辐射效应机理，建立辐射效应试验方法，来实现sicmosfet抗辐射能力评估。我们提出的一种sicmosfet器件抗总剂量辐射能力试验方法，可以解决这一问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于实现对sicmosfet器件抗总剂量辐射能力试验，可以对sicmosfet器件进行辐照前退火处理、辐照试验、辐照后退火处理；分析处理辐照前退火处理前、后，辐照后，及辐照后退火处理后的器件测试数据，可以给出sicmosfet抗辐射能力数据。
5.本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：一种sicmosfet器件总剂量效应试验方法，包括如下步骤：
6.(1)对某一批次产品中的一组电参数测试合格的被试sicmosfet器件进行辐照前退火处理试验，包括1次高温正偏处理试验，1次高温负偏处理试验，获得器件在高温偏置前后的阈值电压值，进而确定该批次产品辐照后阈值电压漂移判据；
7.(2)从同批次产品中获取新的一组电参数测试合格的被试sicmosfet器件，对其进行辐照试验，累积总剂量达到指标值，获得辐照后器件阈值电压值作为测试数据，判断该测试数据是否满足所述的辐照后阈值电压合格判据，若满足，转步骤(3)；否则，继续对步骤(2)试验后的被试sicmosfet器件进行辐照后室温退火处理试验，获得辐照后器件阈值电压值作为测试数据，判断该测试数据是否满足所述的辐照后阈值电压合格判据，若满足，转步骤(3)；若不满足，则，当前批次产品未通过总剂量效应试验；
8.(3)对步骤(2)中被试sicmosfet器件进行高温退火处理试验，获得器件阈值电压值，判断该器件阈值电压值是否满足上述辐照后阈值电压合格判据，若满足，则该批次产品通过总剂量效应试验，否则，不通过。
9.优选的，二次温度处理试验具体实现方式如下：
10.对步骤(1)中的该组被试sicmosfet器件先进行1次高温正偏处理试验，温度t取值范围，100℃＜t＜200℃，并对被试sicmosfet器件施加被试sicmosfet器件的型号规格对应的最大正栅源电压，保温24-168h，降温到室温后进行电参数测试，得到高温正栅偏置后的阈值电压值vth
高温正栅偏置
；
11.继续对该组被试sicmosfet器件再进行1次高温负偏处理试验，温度t取值范围，100℃＜t＜200℃，并对被试sicmosfet器件施加被试sicmosfet器件的型号规格对应的最大负栅源电压，保温24-168h，降温到室温后进行电参数测试，得到高温负栅偏置后的阈值电压值vth
高温负栅偏置
。
12.优选的，辐照前退火处理试验具体实现方式如下：
13.对步骤(1)中的该组被试sicmosfet器件先进行1次高温正偏处理试验，温度t取值150℃，并对被试sicmosfet器件施加被试sicmosfet器件的型号规格对应的最大正栅源电压，保温48h，降温到室温后进行电参数测试，得到高温正栅偏置后的阈值电压值vth
高温正栅偏置
；
14.继续对该组被试sicmosfet器件再进行1次高温负偏处理试验，温度t取值150℃，并对被试sicmosfet器件施加被试sicmosfet器件的型号规格对应的最大负栅源电压，保温48h，降温到室温后进行电参数测试，得到高温负栅偏置后的阈值电压值vth
高温负栅偏置
。
15.优选的，通过下述方式确定该批次产品辐照后阈值电压合格判据：
16.根据步骤(1)测试数据，计算高温正栅偏置和高温负栅偏置下阈值电压的变化值
△
vth
高温试验
：
17.△
vth
高温试验
＝vth
高温正栅偏置-vth
高温负栅偏置
18.其中，vth
高温负栅偏置
和vth
高温正栅偏置
分别为高温负栅偏置和高温正栅偏置后的阈值电压值；
19.则，辐照后阈值电压合格判据：
20.vthmin+
△
vth
高温试验
《vth《vthmax
‑△
vth
高温试验
21.其中，vthmin和vthmax分别为被试sicmosfet器件的型号规格对应的阈值电压合格判据的最小值和最大值；vth对应与判据比较的测试数据。
22.优选的，步骤(3)中的高温退火处理试验中退火温度为125-175℃。
23.步骤(3)中的高温退火处理试验中退火温度优选150℃。
24.本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
25.完全针对sicmosfet总剂量效应设计开发，可以满足总剂量效应试验的特殊要求。
26.第三代半导体sicmosfet和simosfet有相似之处，都有sio2，但研究发现，sicmosfet存在高密度的近界面态电荷(简称nits)，该近界面态电荷是器件制造过程中引起的，申请人经过大量的研究发现，该近界面态电荷在高温电压应力作用下，会引起阈值电压漂移，并且，该漂移与辐射引起的阈值电压漂移分别独立地影响器件的性能退化，在最坏情况下，器件阈值电压漂移是近界面态电荷引起阈值电压漂移和辐射引起的阈值电压漂移之和，见图2、3。
27.因此，本发明提出辐射效应试验评估方法中，除了考虑辐射引起的阈值电压漂移外，还要考虑近界面陷阱电荷引起的阈值电压漂移。我们研究发现，近界面态电荷引起的阈
值电压漂移是温度的函数，在25～150℃温度范围内，随着温度的升高，阈值电压漂移增加，随着温度继续增加，阈值电压漂移又开始减少。试验数据见下表1。一般情况下，器件工作最高结温为150℃。综合考虑，最优选择150℃为高温栅偏试验温度。
28.表1
[0029][0030]
辐射产生界面态，引起阈值电压漂移。采用高温退化试验可加速界面态的产生。现有si mosfet采用100℃高温加速退火，目的是促使界面态建立和氧化层陷阱电荷退火更彻底，以便评估阈值电压的最大向右漂移， sic禁带宽度3.26ev，是si(禁带宽度1.1ev)的3倍左右，对于宽禁带半导体sic mosfet，理论分析更高的退火温度，效果更好，申请人经过大量的研究发现，和100℃高温退火相比，150℃高温退火效果更明显。见图4。因此，本发明将高温退化温度改为150℃。
附图说明
[0031]
图1为本发明方法流程图；
[0032]
图2、图3分别为辐照和退火引起的阈值电压漂移，图中，m为辐照引起的阈值电压漂移，n为退火处理引起的阈值电压漂移
[0033]
图4为100℃和150℃高温加速退火，阈值电压漂移比较。
具体实施方式
[0034]
下面结合附图对本发明作进一步详细的描述：
[0035]
本发明针对sic mosfet器件进行总剂量效应试验的方法，如图1所示，包括辐照前被试器件测试，辐照前被试器件二次高温试验，被试器件辐照试验，被试器件辐照后退火处理和被试器件辐照后试验数据分析处理。
[0036]
(1)照前被试器件测试
[0037]
按照产品手册规定的测试条件，采用适合的测试装置对被试器件进行电参数测试，记录测试数据。只有电参数合格的器件才可以用于后续试验。
[0038]
(2)被试器件辐照前退火处理
[0039]
sic mosfet的sic/sio2界面远比si mosfet的si/sio2界面复杂，其电离总剂量效应也比si mosfet复杂，不仅辐射在栅氧化层中引入的缺陷会引起器件性能变化，器件固有缺陷在应用应力下也会发生变化，已有的基于硅器件辐射效应机理开发的辐照试验方法不能完全准确评估sic器件辐射后的性能退火情况。申请人根据sic mosfet的特有的固有缺
陷特点及辐射效应规律，设计了辐照前被试器件两次高温处理试验的条件，可以实现sic mosfet固有缺陷影响的定量测试。这是评估sic mosfet 抗辐射能力试验的关键步骤之一。
[0040]
a)将温度试验箱温度调整到150℃。把被试器件安装在试验板上。将试验板置于温度试验箱中。对试验板上器件施加产品手册规定的最大正栅源电压。进行48h高温偏置试验。48h结束后，将温度试验箱温度降到室温，去掉被试器件上的电压，将被试器件从试验板上取下，按照产品手册规定的测试条件，采用适合的测试装置对被试器件进行电参数测试，记录测试数据。b)将温度试验箱温度调整到150℃。把被试器件安装在试验板上。将试验板置于温度试验箱中。对试验板上被试器件加产品手册规定的最大负栅源电压。进行48h高温偏置试验。48h结束后，将温度试验箱温度降到室温，去掉被试器件上的电压，将器件取下，按照产品手册规定的测试条件，采用适合的测试装置对被试器件进行电参数测试，记录测试数据。
[0041]
根据(2)测试数据，计算高温正栅偏置和高温负栅偏置下阈值电压的变化值
△
vth
高温试验
：
[0042]
△
vth
高温试验
＝vth
高温正栅偏置-vth
高温负栅偏置
[0043]
其中，vth
高温负栅偏置
和vth
高温正栅偏置
分别为高温负栅偏置和高温正栅偏置后的阈值电压值。
[0044]
辐照后阈值电压合格判据：
[0045]
vth min+
△
vth
高温试验
《vth《vth max
‑△
vth
高温试验
[0046]
其中，vthmin和vthmax分别为被试sic mosfet器件的型号规格规定的阈值电压合格判据的最小值和最大值,vth代表待判断测试数据。
[0047]
(3)被试器件辐照试验
[0048]
将被试器件安装在试验板上。对试验板上器件施加辐照试验方案规定的辐照偏置。在辐照试验方案规定的辐射源和剂量率下，对被试器件辐照到试验方案规定的辐照累积剂量指标值。将器件取下，按照被试sicmosfet器件的型号规格规定的测试条件，采用适合的测试装置对被试器件进行电参数测试，记录测试数据。
[0049]
(4)被试器件辐照后退火处理
[0050]
a)如果辐照后电参数超差(即将步骤(3)中的测试数据作为vth看是否满足上面的判据，若不满足，则超差)，将温度试验箱温度调整未室温。把被试器件安装在试验板上。对试验板上器件施加被试sic mosfet器件的型号规格规定的最大正栅压偏置。进行168h室温偏置试验。168h结束后，去掉被试器件上的电压，将被试器件从试验板上取下，按照被试sicmosfet器件的型号规格规定的测试条件，采用适合的测试装置对被试器件进行电参数测试，记录测试数据。
[0051]
b)如果器件(3)辐照后测试合格，或者(4)a)室温退火处理后合格，则将被试器件安装在试验板上。对试验板上器件施加辐照试验方案规定的辐照偏置。在辐照试验方案规定的辐射源和剂量率下，按照试验方案对被试器件进行50％额外累积总剂量指标值的辐照试验。50％额外累积总剂量辐照试验结束后，维持辐照偏置，进行150℃、168h高温偏置试验。 168h高温试验结束后，将温度试验箱温度降到室温，去掉被试器件上的电压，将器件取下，按照被试sic mosfet器件的型号规格规定的测试条件，采用适合的测试装置对被试器件进行电参数测试，记录测试数据。
[0052]
(5)被试器件辐照后试验数据分析处理
[0053]
sic mosfet电离总剂量效应复杂，不仅辐射引起的缺陷会引起器件性能变化，器件固有缺陷也会发生充放电，引起器件性能变化，已有的基于硅器件辐射效应机理开发的辐照试验方法不能完全准确评估sic器件辐射后的性能退火情况。根据sic mosfet辐射效应特点，设计了辐照前退火处理、辐照试验、辐照后退火处理及被试器件测试数据分析处理方法，实现基于实验数据给出sic mosfet抗辐射能力值。
[0054]
辐照后阈值电压合格判据：
[0055]
vth min+
△
vth
高温试验
《vth《vth max
‑△
vth
高温试验
[0056]
其中，vthmin和vthmax分别为被试sic mosfet器件的型号规格规定的阈值电压合格判据的最小值和最大值。
[0057]
如果辐照后或者辐照后室温退火后，被试器件阈值电压满足辐照后阈值电压合格判据：且辐照后高温退火后，被试器件阈值电压满足辐照后阈值电压合格判据，则器件通过辐照累积总剂量指标试验。
[0058]
第三代半导体sic器件具有工作电压高、自身功率损耗低、工作温度和工作频率高等优点，是空间电源系统理想的电力电子器件。sic mosfet 呈现出类似于si mosfet的电离总剂量效应，但sic mosfet的sic/sio2界面远比si mosfet的si/sio2界面复杂，其电离总剂量效应也比simosfet复杂，因此，需要建立适用于sic mosfet的电离总剂量效应试验方法。本发明可以解决sic mosfet的总剂量试验问题，实现了对 sic mosfet复杂总剂量效应的验证，在试验过程中，对总剂量辐射诱生缺陷引起的阈值电压漂移和sic mosfet界面附近固有的近界面陷阱电荷引起的阈值电压漂移分别测量，对测试结果进行综合分析计算，可以给出 sic mosfet器件抗总剂量效应能力，给用户进行应用抗辐射加固设计和生产厂家进行器件加固起到一定的指导作用。
[0059]
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员的公知常识。