典型深亚微米半导体器件的HPM失效模式与机理研究

高功率微波（High power microwave，HPM）能够造成半导体器件的失效，进而影响电子系统的正常工作。随着电子系统的受电磁环境影响以及HPM作为一种武器的应用，对典型深亚微米半导体器件的HPM失效模式与机理进行研究具有重要意义。本项目通过器件的HPM试验、失效分析、失效机理研究与仿真验证等方法，将HPM效应试验、器件失效模式与半导体器件物理理论结合，研究典型深亚微米半导体器件的HPM效应，以获得典型深亚微米半导体器件的HPM源特性（微波频率、脉冲宽度、脉冲重复频率）与典型器件的失效阈值的关系模型、典型深亚微米半导体器件的主要失效模式及其物理机理模型。研究结果将对半导体器件在高功率微波电磁环境下工作的物理基本理论做出贡献，为半导体器件与电子系统的抗HPM辐照设计方法的研究提供理论指导。

高功率微波（High power microwave，HPM）作为一种重要的电磁武器，其对电子系统干扰与损伤日益受到关注。由于电子系统核心部件为半导体器件与集成电路，本项目重点研究典型半导体器件的HPM效应以及由HPM导致的其失效的机理具有重要意义。本项目通过典型深亚微米半导体器件的高功率微波效应测试实验、器件失效分析、器件高功率微波效应建模以及失效机理分析等手段和方法，研究了高功率微波引起典型半导体器件失效的主要模式与机理。本项目首先建立了半导体器件高功率微波效应测试平台。采用该平台HPM能够直接注入器件不同引脚位置，在注入同时监测注入功率等参数，从而实现测试典型器件的失效阈值。然后，通过器件特性参数提取与比较、器件失效分析等手段获得了HPM引起器件失效主要模式；在此基础上，通过器件建模、失效机理分析、器件模拟以及实验结果对比，进一步研究了HPM引起双极型器件、场效应器件以及CMOS反相器特性退化与失效的主要机理：①针对双极型器件基极注入HPM，建立器件热电响应模型，解释了器件内部温度升高与体内参数熔丝导致器件烧毁原因；②确定了场效应器件栅极注入HPM引起热载流子效应导致器件直流特性退化（器件阈值电压漂移，跨导降低）的作用机制；③建立了nMOSFET漏极注HPM作用下的二维电热模型，获得了nMOSFET场效应器件漏极注入HPM时，器件内部温度变化规律以及器件热电损伤的物理过程；④提出了额外反型层电荷以及遂穿电流模型，建立了nMOSFET在HPM干扰下直流I-V特性等式，解释了HPM干扰对器件直流特性影响；⑤考虑CMOS寄生电容的作用与分布，研究结果表明HPM干扰下对沟道电容的充放电将诱发CMOS反相器发生闩锁效应。最后，将机理研究结论与实验对比，其结果较好吻合，验证了本项目主要结论。本项目研究解决了HPM引起深亚微米典型半导体器件的失效模式及其机理的问题，对半导体器件的高功率微波效应研究做出贡献，同时其研究结果可指导电子系统、半导体器件的抗HPM辐照技术研究。