LDMOS器件靜電放電失效原理

　??? 本文首先探討了LDMOS器件在靜電放電脈沖作用下的失效機理，闡述了LDMOS在快速靜電放電脈沖作用下的電流集中和器件局部溫度過高導(dǎo)致的金屬接觸孔熔融等現(xiàn)象以及靜電放電脈沖過后的器件性能退化乃至燒毀的問題。之后通過對不同器件結(jié)構(gòu)LDMOS的靜電放電防護性能的分析對比，指出帶埋層的深漏極注入雙RESURF結(jié)構(gòu)LDMOS器件在靜電防護方面的優(yōu)勢。

1 靜電放電脈沖作用下的LDMOS器 件失效

1.1 LDMOS器件的靜電放電及其損傷的原理

　　LDMOS器件作為輸出驅(qū)動器件，尺寸較大，當(dāng)寄生npn管完全導(dǎo)通時可以承受較大的靜電放電電流，因此與常規(guī)MOS器件相比具備一定的自保護能力，標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝下的LDMOS器件典型結(jié)構(gòu)如圖l所示。圖2為LDMOS器件在靜電放電脈沖下的，-V特性曲線，當(dāng)正向靜電放電脈沖來臨，漏源電壓達到寄生npn晶體管導(dǎo)通所需的觸發(fā)電壓Vn.，時，n型外延層/p阱形成的pn結(jié)將發(fā)生雪崩擊穿，碰撞電離產(chǎn)生的空穴電流會使p阱和源之間的pn結(jié)正偏，寄生npn管導(dǎo)通，電子從源極發(fā)射進入阱區(qū)。這些電子在源漏電場的作用下加速，使得載流子碰撞電離概率增加，從而形成更多的電子空穴對，漏源電流逐漸增大。當(dāng)其超過維持電流時，器件將進入寄生npn管完全導(dǎo)通的大電流工作區(qū)，此時LDMOS器件將吸收大量的靜電放電脈沖電流[5]。隨著電流持續(xù)增加，器件溫度不斷升高以至于達到Si的熔點，LDMOS器件發(fā)生二次擊穿損壞，其中I2為二次擊穿電流。因此，只要LDMOS在靜電放電脈沖作用時能夠很快導(dǎo)通進入寄生npn管工作區(qū)，泄放靜電放電電流，就可以起到保護器件自身和內(nèi)部電路的作用。

1.2 LDMOS器件在靜電放電脈沖下的失效分析

　　LDMOS器件在理論上具備一定的抗靜電放電沖擊能力，然而實際TLP(transmission line pulse)測試結(jié)果卻并不十分理想。靜電放電脈沖引發(fā)的LDMOS器件可靠性問題主要有兩種：局部電流過大引起的軟擊穿和電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)導(dǎo)致的二次擊穿。

　　軟擊穿是指器件在發(fā)生硬擊穿也即二次擊穿前襯底漏電緩慢增加而引發(fā)器件可靠性問題的現(xiàn)象。圖3為40 V LDMOS器件在不同柵壓下的TLP測試曲線，從圖中可以看出寄生npn管的二次擊穿并沒有十分明顯的轉(zhuǎn)折點，為此本文將泄漏電流達到100 nA作為發(fā)生二次擊穿的標(biāo)志，此時的IDS作為二次擊穿電流。如圖4所示，當(dāng)泄漏電流為100 nA時，漏極電流密度為9 mA/um，在柵寬W為136 um的測試條件下約為1.2 A[7。然而當(dāng)，t2急劇增加時，襯底泄漏電流表現(xiàn)出一個緩慢增加的過程，此種跡象表明LDMOS器件在發(fā)生二次擊穿前性能已經(jīng)開始退化，泄漏電流不斷增加，即出現(xiàn)所謂的軟擊穿現(xiàn)象。分析表明，這是由LDMOS器件過早出現(xiàn)的局部范圍內(nèi)的大電流即電流絲引起的，并且這種擊穿的影響在靜電放電脈沖過后仍然存在，因此使器件的性能和可靠性降低。

　　圖5為LDMOS器件在靜電放電脈沖作用下漏極發(fā)生二次擊穿而燒毀的情形。分析得出，由于寄生npn管導(dǎo)通時會有大電流流過源漏注入?yún)^(qū)和漂移區(qū)/p防形成的耗盡區(qū)，引發(fā)局部加熱現(xiàn)象。當(dāng)該點溫度超過一定限度時將會在耗盡區(qū)內(nèi)形成電流絲或熱點，使得耗盡區(qū)中局部區(qū)域的電壓降低，從而終止其周圍區(qū)域的雪崩擊穿，此時流過該點的電流會受到從金屬接觸孔到該點的等效電阻的限制。然而，盡管電流受到了一定的限制，電流絲引起的局部過熱和耗盡區(qū)內(nèi)電壓的降低將會使該點電流持續(xù)增加，使得金屬接觸和耗盡區(qū)的溫度不斷上升，電流絲擴展到整個源漏注入?yún)^(qū)域。一旦電流擴展到金屬接觸孔，電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)會使注入?yún)^(qū)和漂移區(qū)的電阻急劇降低，從而失去對電流的限制作用。此時，流過該區(qū)域的電流就會突然增加，最終導(dǎo)致Si和金屬接觸窗燒熔。

2 LDMOS器件結(jié)構(gòu)和尺寸對其靜電放電防護性能的影響

2.1 柵寬的影響

　　對于功率器件來說，增加?xùn)艠O寬度可以提高其電流驅(qū)動能力，使得在同樣的條件下器件能流過更大的電流。然而，LDMOS器件的靜電放電防護性能并不隨著器件柵寬尺寸的增加而改善，相反卻有著惡化的趨勢，并且在多柵極條的情況下更加嚴(yán)重。圖為實際測量的LDMOS器件在不同柵壓下二次擊穿電流I隨柵寬變化關(guān)系曲線圖，Io無論在何種偏置條件下均隨W增加呈明顯的下降趨勢。圖7為柵寬為4 000 um、柵極條數(shù)為96的LDMOS器件在不同柵壓下失效曲線[13]。由圖可以看出該結(jié)構(gòu)的器件在源漏電壓到達觸發(fā)電壓Vn時就開始損壞，完全失去了LDMOS器件的抗靜電放電脈沖擊穿能力。分析表明，多晶Si柵電阻和寄生電容的存在，去使靜電放電脈沖到各個柵極條的延時不同[14]。因而，在靜電放電脈沖作用的幾十個納秒內(nèi)，各柵極條上的電壓不同，從而導(dǎo)致靜電放電泄放電流集中在最早導(dǎo)通的柵極條上，該區(qū)域內(nèi)的溫度急劇升高，在寄生npn管完全導(dǎo)通前LDMOS器件過早發(fā)生擊穿失效。上述現(xiàn)象表明，在靜電放電脈沖作用下，LDMOS器件表現(xiàn)出的電流絲效應(yīng)和各柵極條的非均勻?qū)ìF(xiàn)象在多柵極條情況下更加嚴(yán)重，會在整個器件進入大電流工作區(qū)域前將其破壞。因此，僅僅依靠增大柵寬或增加?xùn)艠O條數(shù)不能使二次擊穿電流Tn顯著增加，因而無法明顯改善LDMOS器件的靜電放電防護性能。