柵壓對ldmos在一次裂縫中靜電放電的影響

柵壓對ldmos在一次裂縫中靜電放電的影響

1ldos器件熱特性及其物理機制在所有破壞硅殼底電路的因素中，靜電放電（esd）和過度電電壓（esd）占約10%的。在大多數(shù)情況下，esd是由esd引起的。由于esd引起的高壓，儀器和ics局部發(fā)熱，導(dǎo)致絕緣層穿刺，導(dǎo)致結(jié)晶和金屬線燒毀，巖屑層破壞，二次熱損傷，設(shè)備和ics的注入，以及硅片管的芯變化。對于半功率設(shè)備，在操作過程中，能耗和自身熱之間的內(nèi)在關(guān)系受產(chǎn)品的工作量和安全操作的限制，以及由電子能耗引起的熱效應(yīng)，使設(shè)備內(nèi)部發(fā)熱并增加溫度。由于其性能好、低、易整合等優(yōu)點，lsdos在ics中被廣泛應(yīng)用。然而，隨著電子體積的減小和功率的增加，為了確保其可靠性，提高了問題。例如，在高頻開關(guān)電路中，由于低效率和低應(yīng)用，各環(huán)節(jié)的性能和壽命損失嚴(yán)重，并且電源的可靠性受到嚴(yán)重影響。例如，在高頻開關(guān)電路中，如果電源裝置的熱效應(yīng)無法得到合理控制，并且各環(huán)節(jié)的性能和長度會顯著降低，并且電源的可靠性會受到嚴(yán)重影響。在第三代（3g）無線通信的情況下，lsdos設(shè)備的熱特性影響到系統(tǒng)最重要的特征，即線性度和效率。線性度與設(shè)備的熱阻滯有關(guān)。當(dāng)設(shè)備的工作溫度增加10時，1db壓縮點（p1db）的泄漏效率降低約2%。要提高設(shè)備的外部密度，需要考慮熱偶散熱問題，以便深入研究lsdos設(shè)備的熱特性和物理機制，提供解決方案，是未來的發(fā)展趨勢。在汽車專用電網(wǎng)中，lsdos作為功率輸出級設(shè)備，其esd能力是汽車電子可靠性的重要指標(biāo)之一。除了降低比導(dǎo)通阻外，優(yōu)化熱損傷區(qū)域已成為一個極其重要的問題。正常情況下,LDMOS工作在線性區(qū)或飽和區(qū).當(dāng)異常的ESD脈沖來臨時,LDMOS工作在一次雪崩擊穿后的大電流區(qū),此時LDMOS自身有一定的靜電放電能力,故LDMOS是自保護器件.近來,關(guān)于LDMOS可靠性的論文分為兩方面:一方面,研究如何提高LDMOS的ESD能力,如柵極嵌位、幾何圖形、器件結(jié)構(gòu)等;另一方面,研究LDMOS內(nèi)部的電熱效應(yīng)及物理機制,以全面優(yōu)化其電熱安全工作區(qū).1998年,Merchant等人證明了一個廣泛用于汽車電子中的65V-LDMOS是因熱效應(yīng)而毀壞,提出其能量容量僅與功率密度有關(guān).隨后,研究LDMOS熱效應(yīng)的工作增多,開始將一個創(chuàng)新的雙極性晶體管解析模型用于LDMOS,闡述雪崩電離電流引發(fā)寄生晶體管導(dǎo)通而產(chǎn)生自熱現(xiàn)象,并明確將電和熱兩個安全工作區(qū)分開;Chung等人用熱折回(hot-snapback)擊穿機制證明了LDMOS器件熱燒毀的地方位于溫度最高點.柵極電壓也會影響器件自身的ESD能力,例如,在器件關(guān)斷的柵接地期間,或柵不接地的導(dǎo)通期間,突然有同樣的異常大電流脈沖來臨,LDMOS內(nèi)部的熱傳導(dǎo)及溫度變化等行為有何不同?這涉及到柵極電壓怎樣影響器件自身ESD能力的問題.Mergens等人首次深入研究了柵壓對LDMOS的觸發(fā)電流、觸發(fā)電壓及維持電壓的影響,指出在觸發(fā)點,較低正柵壓引起溝道下方的本征基區(qū)少子濃度的調(diào)制效應(yīng)使基區(qū)電阻增加,故一次折回的觸發(fā)電流減少;在觸發(fā)點,較高正柵壓令厚場氧下方電子積累層形成,增加雪崩電離產(chǎn)生的電子空穴對,故一次折回的觸發(fā)電壓降低;在大電流區(qū),因雪崩區(qū)距離溝道很遠(yuǎn),故正柵壓對維持電壓幾乎沒有影響.本文以和文獻(xiàn)同樣的LDMOS結(jié)構(gòu)為例,從柵壓對器件內(nèi)部電場強度、電流密度和功率密度的影響出發(fā)研究溫度的變化,進(jìn)行物理機制的分析,可以為深入研究和改善器件的熱安全性能提供參考.2nn管觸發(fā)導(dǎo)通本文以圖1所示器件為例,該器件是普通SPIC中的LDMOS,其漂移區(qū)由n-epi層構(gòu)成,表面漏極(drain)通過重?fù)诫s層n-sink和埋層n-bury連通,溝道由雙擴散形成,p-body通過p+和歐姆接觸與源n+相連;該LDMOS內(nèi)部有一個寄生npn晶體管,源極(source)是發(fā)射極,p-body是基區(qū),漏極則是集電極.當(dāng)異常的ESD脈沖來臨時,會有足夠的電流流經(jīng)p-body,使p-body和源極的n+正偏,從而npn管觸發(fā)導(dǎo)通.npn管觸發(fā)導(dǎo)通后,在負(fù)阻區(qū)發(fā)生折回,進(jìn)入一次雪崩擊穿后的ESD保護中的大電流區(qū).圖1中定義漏極為坐標(biāo)原點,從漏極到源極的水平方向為x的正方向,源極最右邊在10μm處;在從半導(dǎo)體表面到襯底的垂直方向為y的正方向.假設(shè)襯底厚度為200μm;半導(dǎo)體的背面為熱沉,其晶格溫度恒定為300K,采用2D-MEDICI電熱耦合模型進(jìn)行研究.3柵壓對ldn的影響假設(shè)注入漏極的瞬態(tài)大電流(如ESD脈沖)是1×10-3A/μm,上升和下降時間是10ns,脈寬為100ns.在脈沖結(jié)束的時刻,器件有源區(qū)內(nèi)部的最高溫度位于柵電極下方y(tǒng)=0.49μm深度的漂移區(qū)內(nèi),在該深度x從0到6μm的溫度分布和功率密度(單位體積內(nèi)的功率)如圖2所示.其中負(fù)柵壓的典型值為-3,-5,-10和-14V;正柵壓從1V依次增加1V直到14V.由圖2可知,柵壓越大,最高溫度越高,這主要是由對應(yīng)的功率密度峰值也越大引起的.功率密度隨柵壓升高而增加的原因如下.設(shè)在LDMOS內(nèi)部有源區(qū)內(nèi)每一點的無限小體積內(nèi)的功率,即功率密度是Pc,則:Pc=J?E=Jx×Ex+Jy×Ey=(Jnx+Jpx)×Ex+(Jny+Jpy)×Ey(1)Ρc=J?E=Jx×Ex+Jy×Ey=(Jnx+Jpx)×Ex+(Jny+Jpy)×Ey(1)Pc由J和E點乘所得,J和E分別代表傳導(dǎo)電流的電流密度和電場強度矢量,腳標(biāo)x和y表示x方向和y方向,腳標(biāo)n和p代表電子和空穴.在電場和熱場(即溫度場)共同作用下,電子和空穴的電流輸運方程分別如公式(2)和(3)所示:Jn=qnμnE+qDn?n+qnDTn?T(2)Jp=qpμpE?qDp?p?qpDTp?T(3)Jn=qnμnE+qDn?n+qnDnΤ?Τ(2)Jp=qpμpE-qDp?p-qpDpΤ?Τ(3)(2)和(3)式中第一項和第二項分別是電場和載流子濃度梯度引起的電流;第三項是晶格溫度梯度?T引起的熱產(chǎn)生電流.首先,分析E隨柵壓的變化.當(dāng)大電流脈沖突然注入LDMOS的漏極時,內(nèi)部寄生的npn晶體管觸發(fā)導(dǎo)通,在負(fù)阻區(qū)發(fā)生折回,發(fā)生大的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng).與柵接地時相比,柵壓為正值時,有源區(qū)的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)增強,漏極電壓會逐漸減小,E和Ex隨柵壓增加而略有減少,盡管Ey有所增加,但始終小于Ex,故總電場變化很小;當(dāng)柵壓為負(fù)值時,有源區(qū)的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)減弱,漏極電壓會增加,E和Ex增加較大,特別是在柵極下方,出現(xiàn)一個甚至超過漏極附近的大電場,這是由Ey的急劇增加造成的,分別如圖3,4和5所示.其次,分析J隨柵壓的變化情況.當(dāng)LDMOS工作在一次雪崩擊穿后的大電流區(qū)時,其傳導(dǎo)電流主要來源于4個方面:(1)npn管觸發(fā)導(dǎo)通電流;(2)本征激發(fā)產(chǎn)生的載流子電流;(3)雪崩電離電流;(4)熱產(chǎn)生電流.因正柵壓增加,溫度升高,雪崩電離率減小,故雪崩電離電流隨正柵壓增加而逐漸減少,隨著負(fù)柵壓的增加而逐漸增加.比如,與柵接地相比,雪崩電離電流在柵壓為10V時減少約7%,在柵壓為-10V時增加約3%,故雪崩電離電流對總電流的影響很小.從圖2(a)可知,溫度變化隨著柵壓的變化非常小.柵壓每變化1V,溫度變化小于2K.故溫度梯度引起的熱產(chǎn)生電流對總電流的影響也很有限.因此,隨著柵壓的變化,J的改變主要來源于(1)npn觸發(fā)導(dǎo)通電流和(2)本征激發(fā)產(chǎn)生的載流子電流的變化.圖9,10和11是不同柵壓下有源區(qū)內(nèi)溫度、功率密度和本征載流子濃度的分布圖.圖中標(biāo)示的最高溫度都位于柵極末端正下方的O點,每根等溫線(細(xì)虛線)都代表10K,距離O點越遠(yuǎn),溫度越低;每根功耗線(粗虛線)代表1×1010W/cm3;本征載流子濃度線的最小值都是5×1013W/cm3,每根線都代表2×1013W/cm3,O點的本征載流子濃度最高.一方面,與柵接地相比,正柵壓令溝道反型層形成,反型層內(nèi)大量的導(dǎo)電電子構(gòu)成電子電流經(jīng)過有源區(qū)流向漏電極,功效相當(dāng)于大大增加npn管從發(fā)射極n+到基區(qū)p-body的注入效率.使電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)增強,尤其在柵極下方形成一個新的J峰值.對比圖6和7可知,Jnx和J(主要由Jnx構(gòu)成)增加很大,遠(yuǎn)超過E的減少比率,根據(jù)(1)式,故有源區(qū)的Pc增加,O點的Pc也隨之增加,故O點溫度增加.并且,在溝道末端形成新的Pc峰值點B點,其Pc隨柵壓升高急劇增加,當(dāng)柵壓由0V增加到10V時,B點Pc由小于1×1010W/cm3增加到1×1011W/cm3,此時是原峰值點A點Pc的約兩倍;而負(fù)柵壓令柵極下方積累大量空穴,功效相當(dāng)于減少npn管從發(fā)射極n+到基區(qū)p-body的注入效率,使電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)減弱,J減少較小,對比圖6和8可知.Jnx和J變小,遠(yuǎn)超過電場的增加比率.根據(jù)(1)式,故有源區(qū)的Pc減少,O點的Pc也隨之減少,故O點溫度降低,尤其是B點Pc也明顯降低,如圖9,10和11所示.另一方面,有源區(qū)的本征載流子濃度隨溫度增加也快速增加,兩者峰值都位于O點.如圖9,10和11所示,柵壓為-10,0和10V時,O點溫度依次為481,489和509K,本征載流子濃度對應(yīng)為1.42×1013,1.8×1014和3.4×1014cm-3.同時,隨著有源區(qū)載流子數(shù)目的增加,載流子濃度梯度也在增加.令J和Pc越來越大,故溫度越來越高,溫度升高同時也使本征激發(fā)的載流子數(shù)目和梯度增加,進(jìn)一步促進(jìn)J和Pc以及溫度的增加,形成一個電流密度與溫度輾轉(zhuǎn)自激增加的過程.結(jié)果是LDMOS器件的有源區(qū)的局部越來越熱,不利于器件在ESD大電流區(qū)工作.反之,溫度降低減少本征激發(fā)產(chǎn)生的載流子數(shù)目和梯度,從而降低J和Pc,故溫度越來越低,有利于器件在ESD大電流區(qū)工作.4電流密度與溫度分布一般說來,在單個的電場或熱場作用下,當(dāng)脈沖寬度足夠長,達(dá)到溫度和功耗在空間和時間上的穩(wěn)態(tài)分布時,最高功耗處(比如漏極或柵極附近)通常有最高的溫度,也是器件容易燒毀的地方.當(dāng)LDMOS工作在異常的瞬態(tài)大電流時,與柵接地相比,柵壓的作用相當(dāng)于在原來的電場和熱場的基礎(chǔ)上又增加了一個新的電場和熱場,這兩個場共同決定著器件內(nèi)部的功率密度和溫度分布,這種情況較單個的電場或溫度場復(fù)雜得多,作者將會在以后深入研究.比如,隨著大電流作用時間的增加,傳導(dǎo)電流、電場、功率密度也隨之變化.不論柵接地與否,當(dāng)大電流作用時間為