（电路与系统专业论文）基于ldmosfet热载流子效应的可靠性研究.pdf

摘要 舢 12 摘要 l d m o s f e t ( l a t e r a l l yd i f f u s e dm e t a l o x i d e - s e m i c o n d u c t o rf i e l d e f f e c tt r a n s i s t o r ，横向扩散金属氧化物半导体场效应管) 是高压功率器件，在通信、雷达 等高科技领域极具优势，它可以在较高的漏源电压以及高频率、高温度的条件 下表现优异。在这些领域中，周围环境恶劣，高压功率器件的设计是集成电路 中不可或缺的组成部分，甚至是整个设计的重点和难点。 普通m o s 的典型结构是两个有源区中间直接是一个反型层沟道，从而形 成简单的电流回路，在高功率器件领域，由于对高增益、大电流的不断需求， 器件的耐压能力以及驱动能力也在逐渐增强，使得这种简单结构的m o s 变得 无法使用，l d m o s 的漂移区( d r i t = 【r e g i o n ) 结构很好的解决了这一问题，甚 至使得沟道长度变短时产生的各种短沟道效应明显减弱。l d m o s 器件一直向 着向高增益、高效率的方向发展，随着栅氧厚度、结深、沟道长度的减小， 器 件在高压环境下，必然会产生高电场区域，m o s f e t 沟道中电场场强增加，载 流子在这种强电场的作用下将获得很高的能量，这些高能载流子称为“热载流 子”。热载流子撞击品格原子，发生碰撞电离现象，产生次级电子空穴对，其中， 部分空穴成为了衬底电流，而部分热载流子可以越过s i s i o ：势垒，形成栅极i 乜 流，在s i s i 0 2 处产生界面态和栅氧内产生陷阱，使得器件阈值电压、跨导等各 种性能退化，从而影响了器件的使用寿命。 根据l d m o s 的碰撞电离机理，衬底电流和部分的栅极电流都是由碰撞电 离产生，而衬底电流比栅极电流高了几个数量级，衬底电流表征了器件的碰撞 电离程度，因此衬底电流在一定程度上反映了器件的热载流子效应的程度。在 本文中首先讨论了l d m o s 的基本电学特性，如i v 特性，亚阈值特性，击穿 特性等等；然后，根据l d m o s 的结构特点及其电学特性，结合m e d i c i 仿真 软件，在普通m o s 衬底电流模型的基础上，本文建立了一个适合长沟道 l d m o s 的衬底电流模型。为了尽可能准确的预测热载流子效应引起的器件退 化特性，需要给l d m o s 施加最坏应力条件，由于l d m o s 与普通m o s 结构 的不同，本文分析了l d m o s 的最坏热载流子应力条件，并详细讨论了器件在 不同结构下器件的热载流子效应。 随着器件尺寸的缩小，l d m o s 的强场效应直接影响到了器件的可靠性， 基于l d m o s f e t 热载流子效应的可靠性研究 高能量载流子除了可以产生热载流子效应外，还可以从其他途径和方式威胁到 器件的正常工作，如寄生b j t 效应和k i r k 效应等，本文的最后从安全工作区域 的角度分析影响l d m o s 可靠性的其中4 种主要负面效应。 关键词：l d m o s ；漂移区；热载流子效应；衬底电流；热载流子；器件可靠性； a bs t r a c t l d m o s f e t ( l a t c r a l l yd i f f u s e dm e t a l o x i d e s e m i c o n d u c t o rf i e l d 。e f f e c tt | a n s i s t o r ) i sak i n do fh i g h v o l t a g ep o w e rd e v i c e ，w h i c hi so fas t r o n gc o m p e t i t i v e a d v a n t a g ei n t h ef i e l do fc o m m u n i c a t i o n s ，r a d a ra n do t h e rf i e l do f h i g h t e c h l d m o sc a np e r f o r mw e l li nt h e h i g h e rd r a i n s o u r c ev o l t a g ea n dh i g hf r e q u e n c y ， h i g ht e m p e r a t u r ec o n d i t i o n s i nt h e s ea r e a s ，s u r r o u n d e db ya p o o re n v i r o n m e n t t h e d e s i g no fh i g hv o l t a g ep o w e rd e v i c ei sa ni n t e g r a lp a r to fa ni n t e g r a t e dc i r c u i t o r e v e nt h ek e ya n dd i f f i c u l tp o i n t so f t h ee n t i r ed e s i g n t h et y p i c a ls t r u c t u r eo ft h eo r d i n a r ym o si so n l ya ni n v e r s i o n1 a v e rc h a n n e l b e t w e e nt w oa c t i v er e g i o n s ，t h u sf o r m i n ga s i m p l ec u r r e n tl o o p ，b u ti nt h ef i e l do f h i g h 。p o w e rd e v i c e s ，r e q u i r e m e n t s ( h i g hg a i n ，h i g hc u r r e n t ) m a k e st h i s s i m p l e s t r u c t u r eo ft h em o su n u s a b l e t h ed r i f tr e g i o ns t r u c t u r eo f t h el d m o ss o l v e dt h i s p r o b l e ma n de v e nm a k et h ee f f e c to fs h o r t t e r mc h a n n e ls i g n i f i c a n t l yw e a k e n e d l d m o sd e v i c e sh a sb e e nt o w a r dt h ed i r e c t i o no ft h eh i g h g a i n ，h i g h e f f i c i e n c y w i t ht h eg a t eo x i d et h i c k n e s s ，j u n c t i o nd e p t h ，t h ec h a n n e ll e n g t h d e c r e a s i n g ，t h e m o s f e tc h a n n e le l e c t r i ct i e l d i n t e n s i t yi n c r e a s e s ，t h ec a r r i e r s w i l lg e th i g h e r c n c r g ymt h es t r o n ge l e c t r i cf i e l db e c a u s eo ft h eh o p eo fh i g h g a i na n dh i g h e f f i c i e n c yo ft h ed e v i c e ，w h i c hc a l l e dh o tc a r d e r s ab i gp a r to fh i g h e n e r g y c l c c t r o n sd i r e c t l yb e c o m eap a r to fd r a i nc u r r e n t ，w h i l eas m a ll p a r to fh i g he n e r g y e l e c t r o n sw i l lg oa c r o s st h es i s i 0 2b a r r i e rt ob e c o m ea p a r to ft h eg a t ec u n - e n t w h i c hm a yb e c o m et h ef o r m a t i o no fe l e c t r o t r a p sw h i c hs e r i o u s l yt h r e a tt h e r e l i a b i l i t yo fd e v i c e sb ym a k i n gt h ed e v i c et h r e s h o l dv o l t a g e ，t r a n s c o n d u c t a n c e d e g r a d a t i o n a c c o r d i n gt ol d m o si m p a c ti o n i z a t i o nm e c h a n i s m ，t h es u b s t r a t ec u r r e n ta n d p a r to ft h eg a t ec u r r e n ti sg e n e r a t e db e c a u s eo ft h ec o l l i s i o ni o n i z a t i o n t h es u b s t r a t e c u r r e n ti s h i g h e rt h a nt h eg a t ec u r r e n t c h a r a c t e r i z a t i o nr e t l e c t st h ed e g r e eo f b y s e v e r a lo r d e r so fm a g n i t u d e ，w h o s e i m p a c ti o n i z a t i o no ft h ed e v i c e ，s ot h e s u b s t r a t ec u r r e n t1 0ac c r t a i ne x t c n tc a nr e f l e c tt h ec x t e n to ft h cd e v i c eb o t c a r r i e r e f f e c t s i nt h i sp a p e r ：l i r s t l yi ti s d i s c u s s e dt h eb a s i ce l e c t r i c a l p r o p e r t i e so ft h e 川 幕于l d m o s f e t 热载流子效应的可靠性研究 l d m o s ，s u c ha s i vc h a r a c t e r i s t i c s ，s u b t h r e s h o l dc h a r a c t e r i s t i c s b r e a k d o w n c h a r a c t e r i s t i c s ，e t c ：t h e n ，c o m b i n i n gw i t hm e d i c is i m u l a t i o ns o f t w a r e ，a c c o r d i n g t ot h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c sa n de l e c t r i c a lp r o p e r t i e so ft h el d m o s ，o nt h eb a s i s o ft h es u b s t r a t ec u r r e n tm o d e lo fo r d i n a r ym o s ，t h i sp a p e re s t a b li s h e sas u b s t r a t e c u r r e n tm o d e lf o rl o n g c h a n n e ll d m o s t op r e d i c tt h el d m o sd e v i c ed e g r a d a t i o n c h a r a c t e r i s t i c sa sa c c u r a t e l ya sp o s s i b l ec a u s e db yh o t c a r r i e re f f e c t s w es h o u l d a p p l yt h ew o r s ts t r e s sc o n d i t i o n st ol d m o sd e v i c e d u et ot h ed i f f e r e n c eb e t w e e n l d m o sa n do r d i n a r ym o ss t r u c t u r e ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h el d m o sw o r s th o t c a r r i e rs t r e s sc o n d i t i o n s ，a n dd e t a i l e dd i s c u s s e st h eh o tc a r r i e re f f e c t si nd i f f e r e n t s t r u c t u r e s a sd e v i c ed i m e n s i o n ss h r i n k ，t h es t r o n ge l e c t r i cf i e l d e f f e c to fl d m o sd i r e c t l y a f f e c tt h ed e v i c er e l i a b i l i t y h i g h - e n e r g yc a r r i e r sm a yn o to n l yl e a dt oh o tc a r r i e r e f l 奄c t s ，b u ta l s of r o mo t h e rw a y st ot h r e a tt ot h en o r m a lw o r ko ft h ed e v i c e ，s u c ha s p a r a s i t i cb j t e f f e c ta n dk i r ke f f e c t ，e t c i nt h ee n d ，o nt h ev i e wo fs a f e t yo fa r e a ，w e m a d ea n a l y s i so ff o u rk i n d so fn e g a t i v ee f f e c t sw h i c hm a yt h r e a tt h er e l i a b i l i t yo f l d m o sd e v i c e k e y w o r d s ：l d m o s ；d r i f tr e g i o n ：s u b s t r a t ec u r r e n t ；h o tc a r r i e r s ；d e v i c e r e l i a b i l i t y ； 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 高压功率器件l d m o s 发展史及其研究意义 半导体器件是利用半导体材料的的某些方面的特殊性能，1 再经过特定的加 工程序制备成符合特殊领域应用要求的电子元器件，在电路设计、通信网络、 信号与系统等领域意义非浅，特别是集成电路的主要承载体1 1 1 。今天，大部分 的半导体器件在硅面或硅体上做成的，因此，硅集成电路占据了主导地位。在 高速和功率应用领域，双极性晶体管( b j t ) 一直遥遥领先于其他半导体器件； 但m o s 场效应管拥有小型化和功耗小的特点，在集成度方面具有了不可替代 的优势，因此功率半导体器件的研究得到了很大的重视。功率半导体器件是半 导体器件应用的重要而特殊的一个分支，他伴随着主流器件的发展而的得到改 善和优化。表1 1 是功率晶体管的发展历程 表1 1 ：功率晶体管的发展历程 t a b l el - 1 ：t h eh i s t o r yo ft h ep o w e rd e v i c e s 1 9 5 0 1 9 5 9 晶闸管( t h y r i s t o r ) 19 6 0 - 1 9 6 9 功率双极型晶体管( p o w e rb j t l 1 9 7 0 1 9 7 9场控器件( p o w e rm o s f e t 、s i t 、f c t ) 1 9 8 0 1 9 8 9 绝缘栅双极型晶体管( i g b t ) 、m o s 晶体管( m g t ) 、静 电感应晶闸管( s i t h ) 、m o s 晶闸管( m c t ) 等 上个世纪七十年代末，第三代功率m o s 器件制备成功，它具有高增益 ( g a i n ) 、大功率、高击穿电压等多种优点，同时，其他如频率等性能也相当突 出，从此，集成电路的研究得到了进一步的突破，八十年代末，半导体器件的应 用推广到较小的功率应用领域，即进入了第四代功率晶体管时期，如绝缘栅双极 型晶体管( i g b t ) 有着取代晶体闸流管( t h y r i s t o r ) 、功率双极型晶体管( b i p o l a r j u n c t i o nt r a n s i s t o r ) 的趋势，而i g b t 在此特殊领域有着明显的优势。 功率m o s 场效应管是电压控制( v o l t a g ec o n t r 0 1 ) 类半导体器件，其本身 特有的优势使得其在集成电路的设计与优化等领域中已跻身为最重要的半导体 基于l d m o s f e t 热载流子效应的可靠性研究 器件之j 3 1 ，它主要有两个发展方向：一是以i g b t 、m c t 等为代表的追求高耐 压和低导通电阻的功率双极型晶体管( p o w e rb i p o l a rt r a n s i s t o r ) ；另一个是以 l d m o s 、v d m o s 等为代表的追求对工艺和性能等方面的改进等目标的d m o s 晶体管2 ”。对于l d m o s 和v d m o s 器件各自的优势和局限性，表1 2 给出了 简单的比较。 表1 2l d m o s 和v d m o s 比较 t a b l e1 - 2t h ec o m p a r i s o nb e t w e e nl d m o sa n dv d m o sd e v i c e l d m o sv d m o s 电极位置在芯片表面在器件表面和衬底底部 电流方向横向流动纵向流动 兼容性易于和大规模集成电路兼容不易和低压c m o s 电路兼 容 应用领域射频功率电路、产大规模集成电机调速、逆变器、不间 电路设计等断电源、电子开关等 优点易于集成、驱动方便、工艺简开关特性好、导通电阻正 单、易于实现、性能稳定等 温度系数、跨导近似常数 局限性导通电阻与耐压设计是矛盾导通电阻小、占有版图面 的、版图面积大、芯片成本上积小、成本高、工艺复杂 升 l d m o s 初期只要应用在r f 功率放大器领域，也可以应用于h f 、v h f 与u h f 广播传输器等领域。侧面扩散m o s ( l d m o s ，l a t e r a l l y d i f f u s e dm e t a l o x i d es e m i c o n d u c t o r ) 晶体管技术优先于其他r f 功率技术，为基站放大器提 供了较高的功率峰均比( p a r ，p e a k t o a e r a g e ) 、更高增益和线性度7 1 。 1 2 l d m o s 的研究进展 l d m o s 是功率领域内常用的一类高压器件。图l l 是普通l d m o s 的结 构示意图。在l d m o s 的源区和漏区之间有一个被称为漂移区的高阻区域，高 阻漂移区具有很高的分压能力，它的存在提高了l d m o s 的击穿电压，并减小 了漏源之问的寄生电容。由于漂移区位于沟道与漏极之间，使得漏压的绝大部 2 第1 章绪论 分分配在高阻上，起到了缓冲的作用，从而减小了m o s 器件的短沟效应。 l d m o s 在射频应用方面有许多优点：由于在大电流范围的跨导较大且基 本为常数，因此线性放大的动态范围较大，并在较大输出功率时能有较大的线 性增益。l d m o s 是多子器件，没有少子存储效应，使得其开关速度很快，并 且可并联工作。作为场控器件一种，其输入阻抗极高，电流具有负的温度系数， 因此在实现多单元并联工作时，可以实现过压、过流、过热保护等功能【引，这 些都拓展了l d m o s 的应用领域。领域的拓展伴随着器件结构的不断优化，复 合栅结构( d m g l d m o s ) 、s o l 结构等优化策略效果明显【9 】，下面就以这 两种具有一定代表性的结构简单分析一下l d m o s 的结构及其工作原理。 1 1 1 d m g l d m o s 结构 目前国际和国内对r fl d m o s 器件的研究，主要是沟道、衬底材料和漂移 区的结构设计，根据相应的理论基础与经验总结，罗列出沟道载流子的速度和 导通电阻的影响因素，在具有一定驱动能力的同时，提高器件的跨导和截止频 率 1 2 i 4 。复合多晶硅栅l d m o s ( d m g l d m o s ) 是重要的研究成果之一， 它的思想是利用场极板技术和r e s u r f 技术来保证了l d m o s 的高压特性，同 时，通过改变l d m o s f e t 栅材料和结构的方法来提高跨导、截止频率，其结 构示意图如图1 1 所示： l r , 1 嵫 l f l 一卜号 i 图1 1 d m g l d m o s 的结构示意图 f i g 1 - 1s c h e m a t i cs t r u c t u r eo fd m g l d m o s 如图中所示，栅电极由s - g a t e 和d g a t e ( 近源和近漏) 两块组成，其中s - g a t e 为高功函数材料，d g a t e 为低功函数材料，高功函数材料使得源端有较高的电 场，可以使电子在源端得到了加速，提高了载流子速度，同时漏端电场比普通 基于l d m o s f e t 热载流子效应的可靠性研究 l d m o s 低了许多，l d m o s 的热电子效应得到了改掣5 1 。 1 1 2s 0 1 技术 针对体硅器件的不足之处，吸取普通m o s 的优化经验， s 0 1 ( s i l i c o no n i n s u l a t o r ) l d m o s 应运而生并且正逐渐成为主流 1 7 1 9 。 图1 2 s o i 结构示意图 f i g 1 - 2 s c h e m a t i cs t r u c t u r eo fs o ll d m o s s o l ( s i l i c o no ni n s u l a t o r ) 技术的具体过程是：在项层硅( s i ) 和背衬底 ( s u b s t r a t e ) 之间通过高能、大量的注氧形成硅中的埋氧化层。由于新增埋氧 层的存在，使得l d m o s 具有许多新的优点：隔离工艺得到了简化，克服了体 硅c m o s 电流回落中的的闩锁效应，极大的提高了器件的可靠性：另外， l d m o s 在工艺上更易实现，其他性能参数得到明显提升；导通电阻相对不高， 更耐高压，稳定性增强【2 眦3 1 。学术界提出，通过相关理论分析和仿真研究，图 形化的s o il d m o s 的埋氧化层为非连续分布，自热效应和浮体效应( f b e ) 也得到了有效抑制并且有优良的电学特性和高温特性【2 5 1 。鉴于上述优点s o l l d m o s 应用于移动通信基站中的放大器是个很好选择 2 6 1 。 j u r c z a km 等人提出了s o n ( s i l i c o n o n n o t h i n g ) 技术，与s o l 技术不同 的是用真空来取代s o l 中的埋氧化层，真空中的极低诱电率( p e r m i t t i v i t y ) 能够使 器件在竖直方向的耐压得到明显改善，缓解了沟道长度缩短带来的各种负面影 响如，自热效应等，因此s o n 也具有了更大的发展空间1 2 。 1 3 本文的研究工作 随着栅氧厚度、结深、沟道长度的减小，m o s f e t 沟道中的载流子在漏端高 4 第1 章绪论 电场区获得了更多的能量，这种高能载流子即称为“热载流子”。热载流子分为 热空穴和热电子，其中热空穴增加了衬底电流，而有的热电子则通过声子发射 越过s i s i 0 2 界面势垒，进入二氧化硅氧化层，在界面处产生了界面陷阱，在 氧化层中产生了氧化层陷阱，从而使得器件的许多电性参数退化，如阈值电压 漂移，导通电阻漂移等，这就是热载流子效应。热载流子效应是影响l d m o s f e t 可靠性的重要因素，l d m o s f e t 热载流子效应的程度受器件漂移区杂质分布、 沟道区杂质分布、漂移区结构、场板结构、氧化工艺、掺杂工艺以及器件工作 状态等多种因素影响。因此，本文将研究重点放在研究热载流子效应的产生、 分布以及对器件的损伤程度上。 以下是本文内容的具体安排： 第一章，绪论。首先简要概述了高压功率器件的发展史以及其研究意义， 指出l d m o s 对功率集成电路迅速发展做出的贡献，然后选取了两种当前 。l d m o s 的主流结构进行了l d m o s 的特点介绍，这两种结构都能够有效地降 低热载流子效应。 第二章，较为详细地介绍了普通l d m o s 的结构特点及其工艺流程，然后 详细分析了l d m o s 的主要电学特性，为以下两章做了很好的铺垫，其中与普 通m o s 做出了比较，总结了l d m o s 在各个性能方面的独特优势。 第三章，本文的研究重点。在本章中首先介绍了热载流子效应的形成机 理及其影响因素，然后根据研究热载流子效应的常见方法建立了一种l d m o s 的衬底电流模型，从衬底电流的角度反映了热载流子效应对器件的影响。最后， 则是在最坏热载流子应力条件下分析了器件的热载流子效应。 第四章，承接并且拓展了第三章的内容，分析了影响器件稳定性和可靠性 的的其他因素和形成机理。 第五章，对本文的工作进行了总结和展望，指出了在热载流子效应方面的 下一步研究方向。 5 基于l d m o s f e t 热载流子效应的可靠性研究 第2 章l d m o s 的结构模型及其基本特性 通常情况下，理想的l d m o s 场效应管静态特征是：导通的情况下，电流 密度高、导通的压降比较低；关断的情况下能够负载较高的电压；动态特征是 开关的状态发生变化的频率非常快，能够负担较高的d i d t 和d v d t t 2 札3 0 1 ，即能 够承受很高的电压和电流。本章首先描述了l d m o s 的结构特点，接着对 l d m o s 的基本特性进行了详细讨论。 2 1l d m o s 的结构模型 通过以下几节的分析可以看出，器件场极板长度，沟道浓度，漂移区的长 度以及漂移区结深都有一个最优的取值，但是最优取值并不能简单把所有数据 叠加，因为他们之间各个因素是互相制约的，所以在实际的工艺操作中对这些 参数应该折中考虑，取得最优的组合值。 在对液晶显示面板p d p ( p l a s m ad i s p l a yp a n e l ) 选择驱动芯片的过程中，通 常选择能够承受高电压大电流的m o s 管支撑显示面板的显示效果，人们对显示 效果的高要求，也加快了显示技术的改朝换代，对驱动芯片的选择也提出了更高 的要求，特别是芯片的驱动电压有原来的1 5 0 v 、1 2 0 v 降低到现在的8 0 v 或者更 低f 3 。所以液晶显示面板显示性能的好坏很大程度上依赖于高压m o s 管的设计， 本章以高压器件l d m o s 管为例。 2 1 1 栅极及沟道 1 沟道浓度 l d m o s 器件的阈值电压是由器件的沟道浓度决定的，因为在l d m o s 中 沟道是非均匀掺杂的，在其扩散过程中源端附近的浓度最大，这里用n a o 表示， 所以此类器件阈值电压可以表示为： = b + 2 i 口l - fx 4 q e ，n a 。l 爹s 1 ( 2 1 ) 公式中，b 为体电势，v r s 是平带电压，其中， 第2 章l d m o s 的结构模型及其基本特性 2 沟道长度 九= l _ r q n nk， l d m o s 的沟道长度主要由导通电压决定如下所示，n 的掺杂浓度峰 值为n d ，l d m o s 的漏源穿通电压【辨3 9 1 为： 矿：上i 监+ 监i 氏t fl 6 8 n o j ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) 通过上面的公式( 2 2 ) ，得到器件沟道中的最大浓度n a o ，再由公式( 2 3 ) 得到器件的最小沟道长度，随着小尺寸器件的发展，当沟道长度变小时，对制版 和光刻技术的要求也越高，理论仿真能完成设计的器件，现实的工艺水平不一定 能够允许，所以文中提出的最小沟道长度还应该满足现在工艺水平能达到的范围 之内。 3 栅氧厚度 栅氧厚度对l d m o s 使至关重要的，对l d m o s 器件的耐压性能和传输电流的 大小有着明显的控制能力，直接影响着器件的阈值电压以及栅电极对半导体表面 状态的控制度4 0 1 。栅氧单位面积的电容如下式所示： = 兰霉 ( 2 4 ) f “ 其中t o x 为栅氧厚度，通常情况下c o x 越大越好，因为c o x 直接影响着栅极对 漏极电流的控制能力，c o x 越大栅极的控制灵敏度也越高，一般地，加大栅氧电 容方法有两种：一是减小氧化层的厚度，一是使用大介电常数材料，栅氧厚度取 值由栅源击穿电压决定。 铲磐 ( 2 - 5 ) e o x 在仿真实验中栅氧材料是二氧化硅，击穿电场e o x 为8 1 0 6 v c m ，假设 l d m o s 栅极电压为6 v ，通过计算可以知道它的栅氧厚度至少为6 2 5 n m 。因为在 氧化层中缺陷，所以应该稍微增大栅氧化层厚度。 基于l d m o s f e t 热载流子效应的可靠性研究 2 1 2l d m o s 的特征结构 从上节可知，l d m o s 结构设计的关键之处在于怎么在提升击穿电压的同 时降低导通电阻。因此，从结构上，漂移区和场极板的结构参数对l d m o s 的 性能有着重要的影响。 1 漂移区 在功率器件l d m o s 中，源区和漏区之间有一高阻漂移区。漂移区的设计 对整个器件的设计起着至关重要的作用，因为它直接关系着器件的耐压特性， 电阻特性和器件功耗的大小4 3 1 。器件的耐压和导通电阻是衡量l d m o s 器件的 重要指标，但是导通电阻和器件的耐压特性对漂移区的长度，漂移区的结深以 及漂移区的掺杂浓度的要求又是相互矛盾的，所以我们在设计的过程中对他们 要进行折中的选择，达到最优的设计目的【州5 1 。在实际的操作中，我们往往通 过增加漂移区的长度来实现器件耐高压的目的，但是漂移区长度的增加往往会 增加器件的尺寸大小以及器件的导通电阻，所以这也不是最佳的选择。影响漂 移区特性的工艺参数主要有漂移区长度l d ，场极板长度l p ，漂移区浓度n “n ， 漂移区结深t , l ，i a 。 1 ) 漂移区长度 在用m e d i c i 模拟仿真的过程中，在保证其它参数不变的情况下，通过改 变漂移区的长度来观察器件的击穿电压和导通电阻的变化特性。 图2 1漂移区长度对击穿电压和导通电阻的影响 f i g2 一lb r e a k d o w nv o l t a g ea n do n r e s i s t a n c ev e r s u sd r i f tl e n g t hl d 从图2 1 中可以明显的看出，随着漂移区长度的增加，器件的导通电阻也在 增大，而且漂移区长度与导通电阻是成线性关系的增大，在功率器件的实际设计 8 第2 章l d m o s 的结构模型及其基本特性 中通常是采用的都是跑道型结构的，所以导通电阻的增加是依据晶体管所占用的 实际面积增大的f 4 5 1 。 如图2 1 所示，当漂移区长度有o m 增加到5 0 m 时，此时的纵向耐压大于横 向耐压，这个时候的击穿主要发生在器件的表面，当器件的漂移区长度继续增大 时，横向耐压大于纵向耐压，耐压范围由原来的表面深入到器件的内部，这就形 成了图2 2 的结果f 4 7 4 8 1 。从图中不难看出，关态下的击穿电压的峰值小于开启状 态下的击穿电压的峰值，在关闭状态下，栅极所加的栅压v g = o v ，然而漏极加的 电压很高，这就增加了栅漏之间的电场强度，使得漏区表面体内还没有达到击穿 之前已经发生了击穿现象【4 9 】。 2 ) 漂移区浓度和结深 根据降低表面电场原理r e s u r f ( r e d u c e ds u r f a c ef i e l d ) ，要想设计出耐高压 的晶体管器件，l d m o s 管的漂移区的浓度和厚度必须要满足一定的条件：即在p 阱- b n 漂移区处p n 结处附近电场达到临界电场之前，漂移区必须全部耗尽【4 引。 因此，器件的电压主要由高阻漂移区来负载，这就大大提高了器件的耐压范围。 在实际的工程应用中，根据大量的实验以及论证，也是为了计算的方便，假设 p w e l l 和n d r i f t 都是均匀掺杂。所以当漏端电压为v d p 时，横向p n 结( p w e l l n d r i f t ) 击穿电压设为b v ，则 b 矿：兰! 兰! ! 笠( 2 6 ) 2 q n d ? t n a ) 漂移区浓度的影响 在用m e d i c i 模拟仿真的过程中，在保证其它参数不变的情况下，可以通 过改变漂移区的掺杂浓度来观察器件的击穿电压和导通电阻的变化特性。 实验结果表明，随着漂移区浓度的增加，无论开态或者关态，击穿电压都随 着漂移区浓度的增加而增大，但是当器件漂移区浓度到达某一定值，器件的击穿 电压会达到一个峰值，如果继续增加，击穿电压就会随之减小。对于器件的耐压 性能来说，漂移区浓度存在一个最优值。 导通电阻和漂移区浓度的关系曲线表明，漂移区浓度增加，导通电阻会减小， 因此在器件的结构设计中，在满足器件击穿电压特性的前提下，要尽可能的增大 漂移区的掺杂浓度，如此便能减小导通电阻，导通电流也就随之增力l t s o j 。 9 基于l d m o s f e t 热载流子效应的可靠性研究 b ) 漂移区结深的影响 在用m e d i c i 模拟仿真的过程中，在保证其它参数不变的情况下，可以通 过改变漂移区的结深来观察器件的击穿电压和导通电阻的变化特性。 实验结果表明，随着漂移区结深的增大，无论是开通状态下还是关闭状态下， 器件的击穿电压都会增大，但是当漂移区的结深大于2 p r o ，击穿电压达到一个峰 值，随着漂移区结深的增大，器件的击穿电压将会降低，这个峰值对应的结深对 应着器件设计中的最佳结深。 随着漂移区结深的增大，有r = p l s ，器件的导通电阻变小了。在实际的工 艺操作中，漂移区结深的增加往往会大大增加设计的复杂性。综合考虑，根据模 拟的结果，选择器件的结深有一个最优值。 在实际的工艺过程中，漂移区浓度的控制是通过注入计量来控制的，漂移区 结深，漂移区浓度就越低。因此器件的最优参数值并不是结深和浓度两个最优参 数的叠加，工程实践中的经验值要稍大于这个最优值，这一点在漂移区长度和最 大击穿电压之间的关系上表现的最为明显。一定的条件下，漂移区长度的最优值 和最大击穿电压的最优值所对应的并不是同一个漂移区浓度值h 9 1 。当漂移区浓度 过大时，漂移区不能完全耗尽，这时最大击穿电压是由外延浓度以及漂移区浓度 决定，结深对其影响很小；当漂移区浓度过小时，器件的最大击穿电压受结深的 影响最大，随着结深的增大最大击穿电压也随之增加【5 0 1 。 2 场板长度 通过上面的论述可以发现，器件的最大击穿电压受到p n 结曲面部分电场强 度的限制，曲面部分电场强度越大，器件的耐压性能越低，所以要想提高器件的 最大击穿电压，可以通过削减p n 结曲面部分的电场强度，一个行之有效的方法 就是在器件的设计中引入了场极板，就是在p n 结上面场氧化层上，制作一个场 极板结构，场极板产生了一个垂直于表面的电场，这个电场和漏极产生的电场一 起作用，从而削弱- j p n 结曲面部分的电场密度，大大提高了器件的耐压特性 1 2 5 5 0 5 1 1 。 1 0 第2 章l d m o s 的结构模型及其基本特性 场极长屋b 图2 2 场板长度对击穿电压和导通电阻的影响 f i g 2 2b r e a k d o w nv o l t a g ea n do n r e s i s t a n c ev e r s u sf i e l dp l a t el e n g t hl p 图2 2 所示，可以明显的看到随着场极板长度的增加，器件的导通电阻一直 在减小，但是随着场极板l p 大于l p m ，导通电阻的变化不是很明显了，所以在一 定范围内通过增加场极板的长度可以明显提高器件的导通特性。 从图2 2 中可以看出，场极板的长度对器件的耐压特性影响非常大，随着场 极板长度的增加无论器件工作在开通状态还是关闭状态，器件的击穿电压都会增 大，但是如果场极板长度继续增大，击穿电压会出现一个峰值，然后随着场极板 长度增加击穿电压开始减小，可见场板长度的选择也有一个最优值。 场极板的引入可以大大提高器件的耐压特性，但是在实际的工艺中，场极板 边缘的电场峰值会削弱器件的击穿电压，在实际的设计中可以采用阶梯场极板机 构和斜场极板结构【5 们。 2 2l d m o s 的基本特性 本节中仿真所采用的l d m o s 结构如图2 3 所示， 基于l d m o s f e t 热载流子效应的可靠性研究 l d h o s d o p 王n gr e g r jd 图2 3 仿真用l d m o s 结构示意图 f i g 2 3l d m o s s t r u c t u r ef o rs i m u l a t i o n 以下所有方程式和由模拟所得的实验数据，我们始终假定沟道载流子是电 子，只要改变电压的极性并替以正确的参数就可以适用于p 沟器件。另外，具 体的结构参数如表2 - 1 所示： 表2 1l d m o s 结构参数 f i g u r e 2 1l d m o s s t r u c t u r ep a r a m e t e r s 工艺参数参数值 衬底浓度n s u b l e l 5c m 。3 漂移区结深t “f l2 m 沟道浓度n c h 8 e 1 6c m 3 漂移区浓度峰值 3 e 1 6c n l - 3 n 埘f t 漂移区长度l p 1 4 1 a m 界面固定电荷q f l e l o c m 2 栅氧厚度t 0 。 4 0 n m 沟道长度l 。h1 5 “m 场极板长度l d3 3 b m l d m o s 的基本特性包括了电流电压特性、转移特性、亚阈值区特性、温 度特性和瞬态特性，下面详细讨论之。另外，由上节知道，l d m o s 的导通电 阻与器件的驱动能力和耐压能力有着很大的关系，所以本节将会引用并阐述 第2 章l d m o s 的结构模型及其基本特性 l d m o s 的一种导通电阻模型。 2 2 1l d m o s 的传输特性 m o s f e t 是一种电压控制器件，它的工作状态有线性区、饱和区、截止区 和亚阂值区。 当v g s v t h 时，即器件的栅端电压大于器件的阈值电压，沟道表面出现了 第2 章l d m o s 的结构模型及其基本特性 反型层，这个时候的栅极电荷主要有反型层电荷和耗尽层电荷组成的，反型层 电荷和耗尽层电荷同时受到栅端电压与漏端电压的控制，因此，它也是栅电荷 的组成部分。所以栅漏电容可以表示为【4 7 】： q g d = q n + q b ( 2 2 0 ) q 。( x ) - - ( c 畎( v g s ) + 垄掣x - ( c 。；+ c ) x ) ( 2 2 1 ) l t h1 - c h q b d e p - - - w 了压磊砚v c h 灿( 2 - 2 2 ) w 5 2 q 眦s i n 删2 似x ) + i 蛐 c d o = q e , n a 0 4 l q b b ( 0 ) ( 2 - 2 3 ) 公式中，器件的阈值电压用v t h 表示，l d m o s 器件的体费米势用d b ( x ) 来表 示，器件的表面势和费米势是一个沿着沟道方向在不断变化的值，西b 似) 可以表 示为【4 9 】： ) 障qh 掣( 2 - 2 4 ) 当漏栅电压小于漂移区的平带电压，即v d s 0 ，如s o l 技术很好的决定了空穴的流向。由下面的章节可以知道，衬 底电流表征了器件强场区碰撞电离的程度，也同时在一定程度上反映了器件的 栅极电流的大小，对热载流子效应的研究提供了参考依据。 3 2l d m o s 的衬底电流模型 由图3 2 可知，强场效应产生的