民生用 ワー MOSFET の電離放射線照射後の阻止状態の漏 電流

文献名 Radiation-Induced Off-State Leakage Current in Commercial Power MOSFETs 出典 IEEE Transaction on Nuclear Science, Vol.52, No.6, pp.2378-2386, Dec.2005 著者名 J. A. Felix, M. R. Shaneyfelt, P. E. Dodd, B. L. Draper, J. R. Schwank, and S. M.

Dalton

対象 バイス 民生用 縦型 ワーMOS E

n-ch 定格電圧 20V ～ 100V 11種類 p-ch 定格電圧 －20～－100V 9種類

実験設備 －

照射線種及び エネルギーの区分

60Coγ線

ータル ー ：20krad SiO2 ／ ー レー ：139rad SiO2 /s 単発現象又

積算線量効果の区分

積算線量効果

実験又 理論の区分 実験

(1) 概要

幾 の民生用 ワーMOSFET技術品の ータル ー 耐量を評価した 本論文 評価したn

－，p－チャ ネル素子の多く 、20krad(SiO2)照 射さ た後のオフ状態の漏 電流 、実質的 2桁 6桁 増加した n－チャネル素子 、放射線照射 よ 漏 電流の増加 適度 薄い ゲー 酸化膜の標準的 挙動 あ す わち、漏 電流の増加 ン スタのゲー 電極 無 負荷状態 一部 起 大 マイ ス側への閾値電圧のシフ 支配さ い 照射中 印 加さ いたn－チャネル素子 端子間接地状態の素子よ 大 漏 電流増加を示す 一方、

p－チャネル素子の漏 電流増加 予想さ った p－チャネル素子 電気特性やシミュレ ーション よ 、放射線照射 よ 漏 電流増加 レインエ 層 ボ 層 形成さ ゲー イ オー の逆印加漏 電流特性 関係し い こ 示さ いた この ニ ム 、平均的 p－ チャネルMOS ン スタの放射線照射 よ 漏 電流 寄与し い い p－チャネル素子の漏 電流増加 、照射時のバイアス印加や無負荷の両方 ほ 同一 あ そし 、そ 故 普 段 ワーオフの素子 長期間のミッションの間 、重大 劣化や潜在的故 を生 得 いう深 刻 意味を持

(2) 序論

1975年 最初 紹介さ た、縦型二重拡散 ワーMOSFET (VDMOSFET) 宇宙船の ワ ー制御や機器の変換 広く使用さ い [1] VDMOSFET 対す 以前の放射線実験 単発 反転現象の効果や応答 焦点 当 た[2],[3], 例え シングルイベン バーンアウ やシング ルイベン ゲー プチャー そし 、ほ の少しの研究 VDMOSFETの ータル ー 効果の調

査 実施さ た[4]-[7] ワー管理 くこ 出来 い放射線環境 、低価格の民生用素子

の使用増加のため 、VDMOSFETの放射線照射後の漏 電流の理解 重要 あ こ よ 、 放射線環境 の高い信頼度を確保 、適切 耐量保証方法 品質認定 適用さ こ 確 実

VDMOSFETの基本的構造 、放射線応答 酸化膜中 放射線照射 よ 電荷の生成 よっ

決まっ い 予想さ 標準的 CMOS ン スタ 大 く変わ い し し、VDMOSFET

標準的 CMOS ン スタ 、そ の素子 のよう 放射線劣化の影響 電気的特性

あ の 確認す 必要 あ 、幾 の重要 構造的 違い あ 図5.2.4-1 、本研究 評

価したVDMOSFETの代表的断面構造図 あ こ の素子 の大電流の制御 、図5.2.4-1(a)

示す構造 並列 数百 数千接続さ こ 達成さ 高濃度 縮退レベル ープさ たソース層 ボ 層 、ソース金属電極 一緒 接続さ い VDMOSFETのそのほ の顕 著 特徴 、個々の ン スタ フ ール 分離酸化膜を持っ い い こ あ し し、こ

の素子の主要 絶縁体 相対的 薄い ～40nm ゲー 酸化膜 あ VDMOSFETの イの

エッ の回 図5.2.4-1(b) 示すよう 薄いフ ール 分離酸化膜 合体し い し し、個々の

ン スタ エッ レス あ こ 、VDMOSFETの放射線反応 そのゲー 酸化膜内 捕獲

さ た電荷 支配さ う 予想さ n－チャネル ン スタ 、放射線照射 よ 電流 経路 、ゲー 酸化膜内の実効の正電荷生成よ 、ゲー 酸化膜直 のp－型領域 反転す こ

形成さ こ 明確 っ い [8] し し、p－チャネル素子 このこ 一般的 問題 い 、ゲー 酸化膜中 生成す 実効

の 正 電 荷 ゲ ー 酸 化 膜 直 のn－ 型Si層 を 反 転 す よ し 蓄 積 す そ ゆ え 、VDMOSFET の幾何学的基本 よ 、n－チャネル素子の放射線 照射 よ 漏 電流 驚 い し し、p－チャネ ル素子の放射線照射 よ 漏 電流の観測 予想 し い

VDMOSFETの ー タ ル ー 反 応 関 す 初 期 の 研究 、幾 の驚く 結 果を 示し い

例え 、VDMOSFET 示す電離放射線 暴露さ

た後のサ スレショル 電流の“コ ”特性 あ

VDMOSFETの積算線量反応の公開さ た ータ

確 、こ の放射線照射さ た界面生成のコ

図5.2.4-1 断面構造図 (a)今回調査した一 のVDMOSFETの1セルの断面

(b)チップ外周の断面フ ール 酸化膜 シベーション膜を示す

図5.2.4-2 VDMOSFETのIV特性 [5]よ 、電離放射線 よ 効果 表面劣 化のコ を示す

の特性 大部分制限さ いた[4]-[7] Anderson [5] よ 最初 観測さ たよう 、平均的 放射線照射 よ 電流のコ をn－チャネルVDMOSFET い 図5.2.4-2 示す 照射前の

素子特性 図5.2.4-2 あ よう 電流－電圧特性 IV のゲー 電圧～－1V あ 小さ 界面コ

を示す 放射線照射後 界面コ 数桁増加し 、その ー 少 マイ スゲー 電圧 側 シフ す ゲー 電圧を－5V以 照射後の レイン電流 照射前のレベル 比 増加 し い 界面生成コ 技術[5]を使用し 、このコ 3 の成分を持 こ 示さ い 1

逆印加 イオー 電流、2 ゲー 変調生成電流、3 界面生成電流 あ そのコ 、ゲ ー プレッション ア ュムレーション 向 っ 走査さ 、界面生成電流成分の増加 その 後の減少 よっ 形成さ [5] レイン 逆バイアスの代わ 小さ 順バイアスを印加し 放射 線照射後の界面生成コ 特性を調 類似の技術 使用さ い [6],[7] 両方の技術を使っ コ の形や ー の位置の変化 界面捕獲電荷密度や酸化膜捕獲電荷密度のそ い

決定した[5]-[7]

本研究 、 々 VDMOSFETの放射線反応の多くの詳細 情報を得 ため 、幾 の定格

電圧 数社製のn－チャネル，p－チャネル民生用VDMOSFETの電離放射線線量効果を評価し

た 々 評価したVDMOSFET 過去 観測さ たよう 明瞭 界面生成のコ 見

った 、放射線照射後のオフ状態漏 電流 よ 大 い 実験やシミュレーション こ の素子 の増加した阻止状態漏 電流の ニ ムを調査した

(3) 実験の詳細

本研究 評価さ た素子 民生用のn－，p－チャネルVDMOSFET 、ON Semiconductor 社、International Rectifier (IR)社、Philips社の製造品 あ 極性や定格電圧 20－100Vの 数種類の部品 評価さ た 表5.2.4-1 本研究 評価したVDMOSFETの型式名，製造 ー ー，定格電圧そし 放射線照射前の閾値電圧 Vth をま めた n－チャネル素子 表5.2.4-1の上 半分 ま め あ 、p－チャネル素子 半分 ま めた n－チャネル素子の放射線照射前の Vth範 0.7 2.3Vを持ち一方、p－チャネル素子 －1.0 －3.5Vの幾 の値を持 そ

の型式の10個の VDMOSFET MDS Nordion製⁶⁰Coγ源を使用し

線量率～139rad(SiO2)/sの 条件 積算線量20krad(SiO2) ま 照射さ た 照射中、

VDMOSFETの5個 全端子 接地条件 あ 、他の5個 ゲ ー 端子 バイアスを印加し残 の端子 接地した 照射中 n－チャネルのゲー 3.3 5.0V 印加さ 、p－チャネル 素子 －13.0 －5V 印加 表5.2.4-1 本研究 評価した民生用VDMOSFET 一覧表

さ た こ の ワーMOSFETの電離放射線効果 標準的 サ スレショル IV電荷分離技術 [9]を使っ 分析さ た 照射前やそ の積算線量のIV特性 2回測定さ た、VDMOSFET の極性 よ 1回目 レイン電圧±0.1Vそし 2回目 レイン電圧±2.0Vの条件 した IVを測 定し い 最中のそ の端子の電流 、 レイン ソースの電流 同一 あ 、ゲー 電流の増 加 無いこ を確認す ため 測定さ た こ の素子を試験す ため 使わ たゲー 、 レイ ン電圧の範 こ の ワーMOSFETの許容電流よ 小さい、測定機器の最大電流容量(0.1A)

よ 制限さ た

(4) 実験結果

図5.2.4-3 (a) ON Semiconductor社製100V BSS123LT1 n－チャネル素子 そし (b)ON Semiconductor社製100V MTB30P06V p－チャネル ン スタ そ ゲー 印加＋5V

－13Vの条 件 20krad(SiO2)ま 放 射線照射した のサ ス レショル IV特性を示す 型式や 照射時の印 加条件 さま ま 放射線 照射後の電 圧シフ あ け 、図5.2.4-3の ータ 本研究 評価したn－，p－チャネルVDMOSFETの一般的 結果の代表 あ こ の ータ

n－，p－チャネル レン スタの両方 、酸化膜中の正の捕獲電荷の生成 よ 閾値電圧の単 調減少を示す

20krad(SiO2)ま の 積 算 線 量 後 、 図5.2.4-3(a)の 素 子 放 射線 照 射 電 圧 シ フ し 、～ － 1.9Vの酸化膜固定電荷量 ΔVot ～0.5Vの界面順位捕獲電荷 ΔVit の結果 し ～1.4Vの 閾値電圧シフ ΔVth を持 同様 図5.2.4-3(b)のΔVth ～－0.6V 酸化膜固定電荷量 主 要因 あ 図5.2.4-3(a) 示すn－チャネル素子の放射線20krad(SiO2)照射後のオフ状態漏 電流[Ileak,ゲー ソース間電圧 Vgs 0Vの時の レイン ソース間電流 Ids 定義す ] ～3pA

～100μAま 増加す このIleakの大 増加 初め 閾値電圧 負側 シフ し、Vgs=0V の時 チャネル 部分的 オンす こ を可能 す 結果 あ 界面の影響 関連す 例え Vgs=－2Vの漏 電流の変化 え 小さ 漏 電流の増加 あ この件 本論文の後 議 論す 図5.2.4-3(b)のp－チャネル素子の2桁のIleakの増加 閾値電圧の変化 負側へのシフ

図5.2.4-3 サ スレショル IV特性 (a)BSS123 n－チャネルVDMOSFET，(b)MBT30P06V p

－チャネル素子⁶⁰Coγ線線量率～139rad(SiO2)/s条件 照射さ た特性 照射中のゲー 端 子 (a)+5V、(b)－13V 印加さ 、他の端子 接地さ いた

結果 い 与え Vgs 素子をオンし い方向 実際 変わ あ その 代 わ Ileakの 増 加 、 線 量 伴 い 増 加 単 調 あ こ 寄 生 の 漏 電 流 起 因 し い 図

5.2.4-3(b)の素子 本研究の他の ータ 同様 測定したソース レイン電流 全 の線量レベ

ル 同等 ゲー 電流の増加 無 った ま 、p－チャネル素子 示さ た寄生の漏 電流 劣化やゲー 酸化膜を通し の同通電流 関係す ニ ム 起因し い い

図5.2.4-4 20krad(SiO2)照射後の(a)n－チャネル、(b)p－チャネル素子のΔVthのま め あ そ の ータポイン 5素子の平均 エ ーバー 標準偏差を示す また、高電圧定格 表5.2.4-1参 照 のVDMOSFETの ま め た 結 果 を そ の グ フ の 右 側 プ ッ し た 図 5.2.4-4(a)の素子 放射線照射中 Vgs=0V品 黒四角形 示し、Vgs=5V品 白丸 示し、他条 件 注記した 同様 図5.2.4-4(b)の素子 そ Vgs=0V品 黒四角形 示し、－5V 白丸、

－13V 白 し 形 、 ＋13V 白 角 形 示 す ON Semiconductor製 のp－ チ ャ ネ ル VDMOSFET MTB30P06V 図5.2.4-4 新旧の イン品 し 2種類 分離した ータ 示し た 図5.2.4-4(a) b を比較す 、n－，p－チャネル素子のΔVth一般的傾向 一致し い こ

取 最大のΔVth 高電圧定格の素子 観測さ た このこ 高電圧定格品の酸化 膜厚 起因し い よう 、解体し 物理的解析 確 す こ 要求さ 放射線照射 よ 電 荷 の 生 成 量 酸 化 膜 の ～ ²

toxの 増 加 よ こ 知 い [10] －5V 照 射 さ た 図 5.2.4-4(b)のp－チャネル素子のΔVthを比較す 、4種類の100V IR製素子 2種類の30V IR製 素子よ 2倍以上のシフ を示し い 更 、Vgs=－5VやVgs=－13V 照射した100V IR製素子 の ータを比 、放射線照射 よ ΔVthの増加 照射時の印加電圧 よ こ 分 この こ 、大 電界強度 電荷量 増加す こ よ [11]

図5.2.4-4 本研究 評価した(a)n－，(b)p－チャネル素子 20krad(SiO2)照射後のΔVthの結果

す わち、図5.2.4-4の ータ ΔVth 酸化膜厚や電界強度 依存し、ゲー 印加の極性 依 存 し い し い 例 え 、4.5V条 件 照 射 さ たIRLML2803 －5V条 件 照 射 さ た IRF7006 本質的 同等のΔVthを示す その上、図5.2.4-4の白菱形 白 角形の ータ 示さ たVgs=±13V条件 照射さ たIRF9540 重要 違い 無い このこ 多少の驚 、照射 中 正のゲー 印加 酸化膜捕獲電荷の生成の最悪 ース 検討さ た 印加電圧の極性条件 ΔVthの依存性 無いこ 、こ の素子の放射線照射 よ 捕獲電荷量 印加条件 強く影 響受け いこ を示唆し い このこ 、こ の素子 電離放射線照射の扱い 充分検討し く 良いほ のゲー 酸化膜中の正孔の大 捕獲断面積を持 結果 あ

図5.2.4-5 図5.2.4-4の 素 子 を20krad(SiO2)の 積 算 線 量 照 射 後 のIleakを ま め た こ の 素 子 全 照射前のIleak ～10Pa そ 以 を示し、照射後 数倍 増加した 図5.2.4-5(a) (b) を比較す 、高耐圧 ≧50V のn－チャネル素子のIleak 照射中の印加条件 強く依存し い

、p－チャネル バイスの全 のIleak 照射時の印加条件 少しし 依存し い いこ 注目

した［図5.2.4-5(b)］ このこ こ の素子の漏 電流の原因 基本的 異 っ い 結果 あ

先の議論 、n－チャネル素子のIleakの増加 Vgs=0V チャネル 部分的 オン出来 よう 閾値の負側へのシフ の結果 あった 従っ 、放射線照射 よ 劣化 関係す 印加 よ Ileak

のよ 大 増加 照射時の印加 よ 電荷量の増加 原因 あ [11] 20krad(SiO2)暴露後、

図5.2.4-5(a)の約半分のn－チャネルVDMOSFET 照射前の値の～5桁大 い、～0.1－1μAの 漏 電流を示した 図5.2.4-5(a)の低圧n－チャネル ン スタ Ileakの増加 印加条件 依存し

い い この結果 MGSF1N02ELT1を除く、その閾値電圧のシフ 印加条件 接地条件の

両方 少し あ 、 ン スタ ま プレションモー ま 到達し い い

n－チャネル 素子 対照的 、p－チャ ネル素子のIleakの増加［図5.2.4-5(b)］ ー 量 共 単調 増加す 寄生の漏 電流の結果 あ この効果 、20krad(SiO2)暴露後のVgs=0Vの漏

電流値 照射前値 比 ～2桁増加し い 図5.2.4-3(b)のIV曲線 明確 見 こ 出来

放射線照射後のIleakの増加の傾向 、今回の研究 評価した全 のp－チャネル素子 共通 あった 図5.2.4-6 全 のp－チャ ネル素子の積算線量 よ Ileakの増加を比較しま めた こ 図5.2.4-5 図5.2.4-4の(a)n－，(b)p－チャネル素子 20krad(SiO2)照射後のIleakの結果