（微电子学与固体电子学专业论文）功率mos集成电路的可靠性研究和应用.pdf

摘要 摘要 功率m o s 集成电路作为功率集成电路发展的主流 将低压c m o s 控制电路 保护监测电路和 高压m o s 功率器件集成在一起 显著提高整机系统的性能 集成度和稳定性 并降低其成本 功率 m o s 集成电路通常在高压 大电流 高温 高频等高应力的环境中工作 这使得其可靠性问题显得 尤为突出 己成为功率m o s 集成电路进一步发展 应用的技术瓶颈 因此 围绕功率m o s 集成电 路可靠性问题的研究具有十分重要的意义 论文在回顾功率m o s 器件及集成电路的可靠性研究现状的基础上 首先详细研究了高压 l e d m o s 器件的热载流子问题 包括在不同应力条件下 高压l e d m o s 主要电参数的退化现象 借助t c a d 模拟软件及电荷泵测试来验证热载流子注入 俘获及陷阱产生等物理机制产生的不同作 用 同时揭示了由于s i s i 0 2 表面的陷阱产生以及热电子的注入和俘获导致了高压l e d m o s 器件在 不同的应力条件下产生不同的电参数退化机理 第一次揭示了厚栅氧化p l e d m o s 的热载流子效应 机理 并提出了一种新型的f o p l e d m o s 结构改善了热载流子效应参数退化问题 在热载流子效 应研究的基础上 重点分析了g g n i 尼d m o s 器件在e s d 脉冲下的电流响应特性 研究其在整个e s d 脉冲过程中的晶格温度和总热量的分布以及器件的瞬态响应特性 并最终设计n l e d m o s 器件的高 压e s d 结构 提高了器件耐e s d 水平 在e s d 保护器件成功研制的基础上 设计了功率m o s 集 成电路高压端的e s d 保护电路 论文借助m e d i c i 软件分析再现了功率m o s 集成电路在闩锁失效时 的大电流持续 晶格温度剧升的失效过程 找到了高低压间闩锁的独特触发因素 在此基础上 根 据实际功率芯片的版图 提出一种新颖的抗闩锁全面方案 在高低压部分各自增加多子保护环 在 高低压之间增加少子保护环 论文最后在上述可靠性研究的基础上 应用了所设计的离可靠性l e d m o s 器件及各种保护结构 完成了p d p 行列驱动芯片的设计 芯片在华润上华半导体有限公司进行了流片 流片测试结果表明 所设计的驱动芯片的各项指标符合预期设计要求 并最终成功应用于四川长虹及南京华显高科研制 的彩色大屏幕p d p 显示器 本论文相关研究成果已有6 项中国发明专利授权和l 项国际发明专利 获得2 0 0 8 年度江苏省科技进步一等奖l 项 关键词 功率集成电路 功率m o s 器件 可靠性 p d p 驱动芯片 a b s t r a c t a b s t r a c t t o d a y p o w e r m o si c sh a v eb e c o m et h em a i n s t r e a mo fp o w e ri n t e g r a t e dc i r c n i t s w h i c hi n t e g r a t e l o w v o l t a g ec o n t r o lc i r c u i t s p r o t e c t i o nc i r c u i t sa n dh i g hv o l t a g em o s f e t s i nt h i sw a y p o w e r m o si c s c a ng r e a t l yi m p r o v et h ep e r f o r m a n c e i n t e g r a t i o na n ds t a b i l i t yo fe l e c t r o n i cs y s t e m s a n dc a nr e d u c et h e c o s ta tt h es a l i l et i m e s i n c ep o w e r m o si c sg e n e r a l l yw o r ki nt h eh i g hs t r e s se n v i r o n m e n t s s u c ha s h i g h v o l t a g e h i g h c u r r c u t h i g h t e m p e r a t u r ea n dh i g h f r e q u e n c ye t c n o w r e l i a b i l i t yh a sb e c o m eo n eo f t h em o s ti m p o r t a n ti s s u e s w h i c hw i l le m b a r r a s st h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fp o w e r m o si c s t h e r e f o r e t h ei n v e s t i g a t i o no nr e l i a b i l i t yo fp o w e r m o si c sh a sg r e a ts i g n i f i c a n c e f i r s t l y t h es t a t u sq u oo ft h er e l i a b i l i t yr e s e a r c ho np o w e r m o si c si sd e s c r i b e di nd e t a i l s e c o n d l y t h eh o tc a r r i e re f f e c to fh i g hv o l t a g el e d m o sh a sb e e nd i s c u s s e di nd e t a i l t h ed e g e n e r a t i o n so ft h em a i n e l e c t r o n i cc h a r a c t e r i s t i c sa r ed i f f e r e n tu n d e rt h ed i f f e r e n ts t r e s sc o n d i t i o n s 1 1 l ed i f f e r e n ti n f l u e n c e s w h i c h r e s u l tf r o mt h eh o tc a r r i e ri n j e c t i o na n dt h et r a pf o r m a t i o n a r ep r o p o s e db yu s i n gt h et c a ds i m u l a t o r s a n dc pt e s t s 1 1 1 cd i f f e r e n td e g e n e r a t i o n so fl e d m o sa r ep r e s e n t e d w h i c hr e s u l tt o mt h ei n t e r f a c et r a p g e n e r a t i o n t h eh o te l e c t r o ni n j e c t i o na n dt r a p p i n gi n t ot h et h i c kg a t eo x i d ea n df i e l do x i d eo ft h e l e d m o s t h eo n g i nh o tc a r r i e rm e c h a n i s m so ft h i c kg a t eo x i d ep l e d m o sh a v eb e e ne x p l a i n e df o rt h e f i r s tt i m e a tt h es a m et i m e an e wf o p l e d m o ss t r u c t u r et or e d u c et h ed e g r a d a t i o mi sa l s op r e s e n t e d t h i r d l y t h ei n s t a n t a n e o u se l e c t r o n i cc h a r a c t e r i s t i ca n dt h e r m a ld i s t r i b u t i o no fh i g hv o l t a g eg g n l e d m o s u n d e re s ds t r e s sc o n d i t i o n h a sb e e ni n v e s t i g a t e di nd e t a i l b a s e do l lt h ea b o v er e s e a r c hr e s u l t s a 丑 o p t i m i z a t i o nn l e d m o ss t r u c t u r eh a sb e e nd e s i g n e da n dan e we s dp r o t e c tc i r c u i th a sa l s ob e e np r o p o s e d f o rp r o t e c t i n gt h ep o w e r m o si c sh v p i n f o u r t h l y t h ec o u r s eo fl a t c h u pf a i l u r ew i t ht h eh i 曲c u r r e n ta n d h i 曲c r y s t a ll a t t i c ct e m p e r a t u r ep h e n o m e n o nh a sr e c u r r e db yu s i n gt h em e d i c is i m u l a t o r a n dt h eo r i g i n t r i g g e r i n gm e c h a n i s m so fl a t c h u pb e t w e e nh v b l o c ka n dl vb l o c kh a sb e e nf o u n d i nt e r m so ft h er e s u l t s a n dt h ea o t u a lp o w e ri c sl a y o u t an e wf u l l s c a l ep r o t e c t i o nm e t h o di ss u g g e s t e d t h a ti sa d d i n gm i n o r c a r r i e rp r o t e c t i o nt i n g sb e t w e e nt h eh i g hv o l t a g ea n dl o wv o l t a g ep a r t sa n da d d i n gm a j o rc a r r i e rp r o t e c t i o n r i n g si nt h eh i g hv o l t a g ep a r t sa n dt h el o wv o l t a g ep a r t s r e s p e c t i v e l y a tl a s t b a s e do nt h ea b o v er e s e a r c hr e s u l t so nr e l i a b i l i t y af i n a ld e s i g no fp d pd r i v e ri ci sp r o p o s e d t h ep d ps c a nd r i v e ri ca n dd a t ad r i v e ri ca r em a n u f a c t u r e di nw u x ic s m c l a r g ea m o u n tt e s t e ss h o w 也a ta l lt h ef u n c t i o n sa n ds p e c i f i c a t i o n so ft h ec h i p sa r em a t c h e dw i t ht h ee x p e c t a t i o n t h ed r i v e ri c sa r e s u c c e s s f u l l ya p p l i e di nt h ec h a n g h o n g sa n dh u a x i a n sp d pd i s p l a yp a n e l s t h ef r u i t si nt h i sp a p e rh a v e b e e na u t h o r i z e ds i xc h i n e s ep a t e n t sa n do n ei n t c r n a t i o n a lp a t e n t a n d2 0 0 8a w a r df o rs c i e n c ea n d t e c h n o l o g yp r o g r e s so fj i a n g s up r o v i n c eh a sb e e nc o n f e r r e d k e yw o r d s p o w e ri n t e g r a t e dc i r c u i t p o w e rm o s f e t r e l i a b i l i t y p d pd r i v e ri c i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 东南大学学位论文使用授权声明 il 东南大学 中国科学技术信息研究所 国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文 本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致 除在保密期内的保密论文外 允许论 文被查阅和借阅 可以公布 包括刊登 论文的全部或部分内容 论文的公布 包 括刊登 授权东南大学研究生院办理 研究生签名 吕叠聋i 鱼导师签名 研究生签名 冬垒军i 垒导师签名 日期 坐 i b 第一章绪论 第一章绪论 功率集成电路将低压控制电路 保护监测电路和高压功率器件集成在 起 可缩小整机体积 减少传统连线 把寄生参数降到最小 从而提高了整机系统的性能 集成度和稳定性 并降低其生 产成本 功率集成电路已在国民经济各领域中发挥了非常重要的作用 其应用包括航天航空 武器 装备 通信设备 汽车电子 电源管理 显示驱动 仪器工业和医疗设备等 功率器件是功率集成 电路的核心 也是设计的难点 功率m o s 器件最易集成于标准c m o s 工艺 因此目前功率m o s 集成 电路是功率集成电路发展的主流 2 0 0 7 年全球功率半导体产业规模达2 5 3 亿美元 其中基于m o s 技术 的新型功率半导体产品约占4 5 以上 功率m o s 器件及集成电路的可靠性直接决定整机系统的可靠性 及寿命 而产品可靠性从根本上说都是通过设计所赋予的 制造质量控制来保证的 因此 围绕功 率m o s 集成电路可靠性问题进行的分析和设计具有十分重要的意义 接下来本章首先将回顾一下功 率m o s 的应用和发展 然后阐述功率m o s 器件及集成电路存在的可靠性问题及研究现状 最后简述 本论文的主要工作和研究意义 1 1 功率m o s 器件的应用及发展 从上个世纪5 0 年代第一个功率器件诞生开始 功率分立器件取得了飞跃进展 功率电子系统也 因此得到飞跃发展 如今功率器件已经被普遍应用于各类消费电子 工业控制 航天航空 医疗器 械等领域 第一个功率器件是双极型晶体管 但是到了7 0 年代 随着m o s 器件 m o s 工艺的出现 人们更多地着眼于m o s 功率器件 因为它具有更好的开关特性 静态功耗以及功率增益 同时它也 更加便于控制 对功率分立器的应用需求趋势主要是工作电压在2 0 0 v 以下的计算机 通讯领域以 及工作电压在2 0 0 v 以上的自动化工业器件 汽车控制 机器人技术等领域 同时 高压横向m o s 功率器件结构的发展使单片功率集成电路成为可能 如今 功率集成电路具有非常广阔的应用市场 虽然双极型晶体管在大电流领域仍然具有生存空间 但是随着派生的新型m o s 功率器件结构和工艺 的出现 以及基于化合物材料的m o s 器件的发展 如今m o s 型功率器件已经成为功率器件大家庭 中的绝对主流 图1 1 为功率器件的一些主要应用领域 其中的横坐标为功率系统需要的额定电压 纵坐标为 额定电流 很明显 器件的额定电压和电流的跨度很大 在相对的低压部分 1 0 0 v 其主要应用 是计算机 通信设备 办公设备等的电源以及汽车电子 随着个人计算机的增多 提高电源效率以 减少电能损耗是十分必要的 这可以减少计算机的体积和重量 这将是消费者非常欢迎的事情 由 于引入多路总线结构代替点对点的线路 提高了汽车电子的可制造性 减少了线柬的重量 因此功 率器件在汽车电子中的应用迅速增加 这种想法已经在豪华汽车中实现 有望将来普及到所有汽车 这样的多路总线结构只有当车内大量的负载 灯 马达等 都有很好的智能功率控制才能实现 这 些负载要求电流范围在1 1 0 a 内 由功率开关控制 虽然这些功率开关的额定电压只有1 2 v 但是 功率器件必须承受高达1 0 0 v 的耐压 这是因为在开关应用的过程中由于电感 电容等元器件的存 在 其产生的峰值电压可达1 0 0 v 如图1 1 所示 工作在低电流 1 0 0 v 部分的功率器件主要应用于显示和电信 系统 由于这些系统需要大量高压晶体管 单片功率i c 不但能满足这些应用要求 而且在成本和稳 定性方面存在较大的优势 单片功率i c 利用了结隔离或介质隔离技术而得到了迅速发展 介质隔离 技术就是利用硅片直接键合 利用这种技术可以实现5 0 0 v 的横向i g b t 器件 这种器件可以很好地 集成到功率i c 中 对于中等功率应用 范围在1 0 1 0 0 a 和3 0 0 1 2 0 0 v 多芯片模组是现今体现成本 优势的最佳选择 这些模组实现了在一个管壳内封装整流器 功率开关和控制电路等功能块 高功率应用范围 范围在 1 0 0 a 1 2 0 0 v 主要是牵引系统 电车和火车头 和输电网络 目前 牵引系统主要使用栅关断晶闸管 g t o g t o 是一种低电流增益的电流控制器件 增益通常小于3 高压直流输电系统 h v d c 主要使用轻触发晶闸管 而且将来也不大可能被其他技术所取代 l 东南大学博士学位论文 d e v i c eb l o c k i n gv o l t a g er a t i n g v 图1 1功率半导体器件的应用 下面首先将回顾对功率电子系统产生重大影响的功率m o s 半导体技术的最新发展 在讨论了基 于硅材料的功率m o s 器件后 本节也会回顾碳化硅功率器件发展的最新成果 如果能够减少碳化硅 材料的缺陷密度和成本 碳化硅功率器件将对2 l 世纪的功率电子系统产生深远影响 1 1 1 功率纵向i m o s 的发展 功率m o s 转换器的最佳选择主要取决于应用中对耐压和开关速度的要求 今天 d m o s 器件 主要应用于如功率供给和磁盘驱动这类要求较低的耐压 1 0 0 k h z 当工作电压超过1 0 0 0 v 时 i g b t 器件由于其相对较低的开态电压降而成为了首选 虽然功率d m o s 器件也可以应用于该领域 但是一般其工作电流较小 导通电阻较大 本小节将讨论d m o s 器件结 构方面的不断改进 这类器件的性能仍在不断提高中 低压m o s 型转换器 对于工作在低压的那些应用来说 较佳的选择是硅功率d m o s f e t 因为它们具有输入阻抗高 导通电阻小 开关速度快以及正偏安全工作区 s o a 大等优点 直到现在 市场上大多数功率d m o s 器件的剖视结构图都如图1 2 所示 在7 0 年代 v m o s 首先被提出来 但是人们很快发现在底部存 在一个尖角 而这个尖角非常容易引起器件击穿l l j 因此其很快被弃用 d m o s 器件随之登上了历 史舞台 2 它克服了v m o s 器件容易击穿的缺陷 在9 0 年代中期 有一些公司将图1 2 所示的沟槽 栅结构 u m o s f e t 3 j 实现了商业化 u m o s 器件消除了d m o s 结构中同有的j f e t 电阻 同时 u m o s 器件具有较高的沟槽密度和较低的漏扩散电阻 这就导致了u m o s 器件具有极低的开态特征 电阻 单位面积电阻 参考文献 3 描述了功率m o s 器件的制造技术的发展以及减小开态特征电阻 的技术 对于d m o s f e t 来说 使用小尺寸制备工艺可以减小d m o s 器件单个原胞的尺寸和扩散电 阻 从而得到更小的开态特征电阻 尽管如此 在常规的d m o s 器件结构中 j f e t 电阻是最主要 的制约因素 它使得要想在2 m q e r a 2 下再减小开态特征电阻变得非常困难 相比较而言 有报道 称 对于能承受6 0 v 电压的器件而言 u m o s f e t 的开态特征电阻是lmq c i l l 2 3 0 v 器件是0 2 5m 2 第一章绪论 q o m 2 4 通过将沟槽延伸到n 漏斟5 1 这种结构将积累层电阻一直延伸到n 十漏区 消除了外延层 电阻 从而得到一个更优的开态特征电阻 o 1 5 m f c m 2 在这种结构中 栅氧化层必需承受漏压 所以这类器件的击穿电压被限制在2 5 v 左右 s o u r c e s o u r c 卫 兹广鬟弋 l 霉黑i 畸 悼 n v m o s s t r u c t u 髓 1 9 7 5 9 0 u 眦 描广 1 i p b a s e 嘣i阑q口口q 硷qq0湖 r d n 协 乡 d h 0 s s t r u c t u r b 1 9 9 卿 s 伽r c e e x l f e t 舛r u c t u r e 1 9 9 2 图1 2 低压硅材料功率m o s f e t 结构的发展 最近 通过使用图1 3 所示的结构 6 在减小u m o s f e t 的特征导通电阻方面又有了新的突破 这类结构的显著而独特的特性是侧面漂移区线性掺杂和双沟槽氧化层 这些创新使器件能够在承受 漏端电压的条件下 在p 型沟道区下方形成一个恒定电场 此电场与p 型沟道区下的沟槽深度成正 比 因此减小沟槽长度 在p 型沟道区和n 漂移区的结处产生的最大电场就会减小 如果将漂移区 的高掺杂浓度和更小的沟槽长度相结合 开态特征电阻会产生一个显著的改善 经过模拟得到 对 于能够承受6 0 v 的器件 其开态特征电阻只有0 0 5 mq o n l 2 大约只是早先报道的6 0 vu m o s f e t 的二十分之一 甚至只有理想特征电阻的三分之一 而理想电阻率曾被认为是硅功率m o s 器件的极 限电阻 因此 这种结构的意义将是无可估量的 3 第一章绪论 m c r 舒限u c n j r e 1 9 s 4 d u a lc h a n n e l n m o s f e r g t e 7 1 1 瞄删1 p b a s e厂 上 n 七a s e h f f j a n o d e 研s t r u c 兀 r e l 辨i 刀萨 函圈硎趁 膏 i n t i i y r i s t o r i p a n o d e 蕾c t s t r l i c l l 瑕e n m o s f e tp m o s f e t o n g 1 to f f g a l t 雄黝糍黝 忖 l 筠芒茜蔻己夕 1 d i v 日嗽 b s e t h y m 警f 0 喂 p o n i l u 讥町i l p a n n 口 m o s f l r r 朔殴浊翮i 幽哜品z b 缀 r 十 l j s 2 j e 兰j j j j j e 函7 d i e r 凰 n b a 蛆 1 l f n t i s t o r p v 图1 4 具有电流饱和能力的m o s b i p o l a r 功率器件的发展 尽管全世界都在广泛地生产着各种i g b t 器件 同时也被大量地运用于各个领域 但是 由于 其寄生整流器的死锁效应 拖尾电流等 i g b t 仍然有待进一步改善 于是人们提出了如图1 5 所示 的平面a c b t 结构 j 尽管这种结构起先是计划用于碳化硅材料的 但是研究表明 硅材料器件具 有更加明显的优点 由于其去除了p 型基区 因此具有更小的原胞面积 更小的j f e t 电阻 以及抑 制寄生整流器死锁效应等优点 2 2 此外 此结构与i g b t 相比 在工艺制备的过程中需要的热过程 更少 这是因为其去除了i g b t 结构中深p 区和p 型基区的高温推进过程 因此生产成本得以降低 最近 人们获得的另一个重大进展就是如图1 6 所示的s u p e r j u n c f i o n 超结 概念 2 3 1 商用的 产品也称之为 c o o l m o s 在这种结构中 用纵向n 型区和p 型区相结合而构成的漂移区取代了 传统的相同掺杂的1 1 型漂流区 这种漂移区会发生电荷耦合 沿着纵向方向形成一个等电场 这便 可以缩短漂移区的长度 通过将圆柱中的掺杂浓度最优化 得到的6 0 0 vd m o s 器件的开态特征电 阻大约只有传统d m o s 器件的三分之一 虽然这种器件的制备工艺昂贵 但是现在越来越多的 s u p e r j t m c f i o nm o s 已经达到商用的程度l z 4 1 2 引 5 东南大学博 学位论文 耻一 一 二 l p 图i 5 平面积聚沟道型职极型晶体管 a c b t 结构 1 1 2 功率横向d m o s 的发展 图1 6 在漂移区存在屯荷耦合的 p n 超结的结构 横向功率d m o s 技术的发展使得功率器件和c m o s 控制电路的集成成为可能 从而产生了功 率集成电路 p o w e ri c 叫 硼 功率集成电路通常包括接口电路 传感器 保护电路以及功率驱动 电路等 接口电路和保护电路等通常是由低压c m o s 电路实现 功率驱动通常由横向d m o s l d m o s 器件实现口8 印l l d m o s 由于易于和c m o s 工艺集成 因此其在功率i c 中发挥着十分 重要的作用 功率l d m o s 器件由标准m o s 器件发展而来 在保留标准m o s 速度快 功耗小等优点的基础 上努力增大工作电压 电流从而提高功率 图t 4 是标准m o s 管的基本结构截面罔 衬底掺杂浓度 较低 源漏高浓度掺杂 漏端电压增加时 耗尽区主要向衬底延伸 因此要提高耐压 需要采用高 阻衬底 同时为了防止串通 需要增加淘道长度l 标准m o s 器件的漏电流与沟道长度l 成反比 即 lz 1 1 图1 7 标准m o s 管截面示意图 j 划 图l 一8l d m o s 截面及掺杂示意图 因此增加l 必然会降低器件丁作电流 从而无法提高功率 为了解决这 矛盾 1 9 7 1 年t 删l 印1 等人提出了横向取扩散m o s l d m o s 如图1 4 所示 与标准m o s 器件相比 l d m o s 主要有两 6 虱亘 第一章绪论 点不同 沟道与漏之间增加了较长的低浓度n 漂移区 由于该区的杂质浓度远远低于p 型沟道的 杂质浓度 当漏电压增加时 耗尽区主要向低浓度的漂移区延伸 因此设计l d m o s 的主要任务是 优化漂移区长度以及p 型沟道和漂移区的电阻率 沟道区的长度主要由两次扩散的结深来控制 因此l 可以做得很小而不受光刻精度的限制 如果需要更大的电流 只要增加沟道宽度 1 9 7 6 年 m j d e c l e r q 和j d p l u m m e r l 3 l 采用这种方案作出了第一个高压大电流l d m o s 器件 r e s u r f 技术 虽然l d m o s 的击穿电压可以做的很高 但是很快发现其导通电阻太大 这就大大限制了功率 i c 的频率应用范围 全球都在寻找降低导通电阻的方法 1 9 7 9 年 j a a p p c l s 3 2 等人提出了r e s u r f 弱化表面电场 技术理论 它使传统的耐压上限只有2 5 0 v 的l d m o s 的耐压提高到1 2 0 0 v 同 时也使导通电阻降低 图1 9 为r e s u r f 二极管的基本结构 它是薄外延层上的横向p n 结 图1 9r e s u r f 二极管横向截面示意图 图1 1 0 普通二极管临近击穿耗尽界面示 意图 反向耐压3 7 0 v 取外延掺杂浓度为6 x 1 0 1 4 c m 3 衬底掺杂浓度1 7 x 1 0 1 4 c i n 一 当外延层厚度为5 0 p r o 反偏压为 3 7 0 v 时 外延层并未完全耗尽 此时电场峰值在p n 结边界 而且已经达到将要雪崩击穿的临界 电场强度e c 此时击穿发生在表面 击穿电压为3 7 0 v 如图1 1 0 所示 当外延层厚度为1 5 p m 反偏压为3 7 0 v 时 外延层虽没有完全耗尽 但由于外延层比较薄 衬底p 辅助p 使外延n 横向的 耗尽长度比外延层较厚时要宽 相同电压加在更长的空间电荷区上 因而与外延较厚时相比 p n 结边界的电场强度要低得多 因而反偏压为3 7 0 v 时 器件不会击穿 如图1 1 l 所示 继续增加反 偏压 到11 5 0 v 外延层全部耗尽 此时硅体内跟表面有三个峰值电场 h n 结边界显然是一个峰 值电场 p n 结边界也有一个峰值电场 由于n n 结处具有较浓的空间电荷 因而此处也有一个峰 值电场 三个峰值电场如图1 1 2 所示 随着反向电压的增加三个峰值电场同时增加 当某一个峰值 电场达到临界击穿电场时 器件失效 调节外延厚度 浓度 衬底浓度可以使器件的耐压达到最大 此时p n 结和n n 结边界的峰值电场相等 击穿点在体内n p 结处 由此可见 在r e s u r f 二极 管中 在外延层全部耗尽的情况下 由于外延层耗尽区中的电场与衬底耗尽区中电场相互作用 使 得表面电场降低 从而击穿点由表面转移到体内 因而击穿电压大大提高 刈一一一一一一一一j n b j p 图1 1 1r e s u 强二极管击穿前耗尽界面示意图 反向耐压3 7 0 v 划n 1 p e e c p 图1 1 2r e s u r f 二极管临近击穿时耗尽界面 示意图 反向耐压1 1 5 0 v 假设纵向耗尽在横向击穿之前达到硅表面 可以估算出最优的外延注入剂量 n 印i 钿 其中 是外延参杂浓度 t c p i 是外延厚度 由 召 占幸巨2 2 q n p i 1 2 7 东南大学博士学位论文 得到 l 一 q 叫2 瓦彘 假设临界击穿电场是3 0 v l i n t 由式 1 4 得到n 南宰t e p i 9 x1 0 1 1 c i i l 2 r e s u r fl d m o s 器件 图1 1 3r e s u i 讧1 1 l e d m o s 的纵向剖视图 1 3 1 4 图1 1 3 为常用r e s u r fn l e d m o s 基本结构的纵向剖视图 漂移区由注入杂质扩散形成 在高 低压兼容的功率集成i c 中经适当优化 可以用低压n 阱代替 为了防止穿通 沟道区扩以浓度较 高的p 阱 高低压兼容的功率集成i c 中可以将其与低压p 阱合版 漂移区的杂质浓度远低于标准低压工艺的漏区 工作时 漂移区完全耗尽 大部分源漏电压分 布在漂移区上 从而源漏之间可以承受很高的电压 厚场氧将场板抬高 从而提高了栅漏之间的耐 压 对此器件设计需要考虑的主要参数有 沟道浓度 长度 漂移区结深 长度 浓度和场板长度 等 随漂移区长度的增加 器件耐压逐渐上升 最后达到一定值 此定值由漂移区浓度 外延层浓 度 漂移区结深决定 外延层浓度越低 定值越大 因此在保证源漏不穿通情况下 外延浓度应尽 量低 漂移区结深越大 定值越大 但由于深的结深比较难做 对于耐压为2 0 0 v 的l d m o s 结深 一般取7 8 p m 漂移区浓度太高 工作时漂移区不能完全耗尽 等压线聚集在漂移区左侧 从而耐压降低 击 穿点在鸟嘴附近 漂移区浓度过低 漂移区完全耗尽 同时p 区也有一部分耗尽 此处高浓度的空 间电荷产生很高的电场 导致碰撞电离率积分接近l 从而降低耐压 当漂移区浓度适中 漂移区 完全耗尽 鸟嘴附近及漏端电场强度同时达到临界电场 此时器件的源漏耐压最高 称之为l e d m o s 器件的漂移区浓度满足r e s u r f 技术 漂移区浓度设计的主要目的是调整漂移区浓度使其满足 r e s u r f 技术 由于栅场板的存在 鸟嘴附近的高电场得到缓解 从而使分布在漂移区的等压线更加均匀 栅 场板过短 容易在鸟嚏及场板端点处击穿 场板过长 关闭态时由于场板跟漏区存在较大的压差 漏附近的场强很高 从而导致击穿 r e s u r f 技术之所以能够使导通电阻降低是因为r e s u r f 技术的漂移区边界有两个p h i 结 随 着漏电压的增加漂移区从两个方向被耗尽 因而在掺杂浓度较大的情况下 漂移区也能尽快耗尽 高的掺杂浓度降低了导通电阻 同样道理 如果漂移区能够与三个p n 结相邻 将更容易耗尽 导 通电阻将会更低 于是文献 3 3 中提出了称为超结 s u p e r j u n c t i o n 的结构如图1 1 4 所示 作为漂移 区的n 区有三个p n 结 降低了导通电阻 为了进一步降低导通电阻 可以将p 区n 区进行交叉 于是出现了3 dr e s u r f 技术 如图1 1 5 所示 8 第一章绪论 刚 h5 p q 鹏n 茹恻 图1 一1 53 d r e s u r f 技术 r e s u p fl d m o s 的漏端电场较高 开恋时由于k i r k 效应的影响 漏端电场将进一步增加 从 而影响了器件的可靠性与稳定性 降低漏嫱的峰值电场需要较浓的漂移区 但这舍使漂移区靠近沟 道一端的峰值电场增加 为了解决这个矛盾 文献p 叼提出了双层漂移区结构如图l 1 6 所示 较浓 的p 区降低了漏端峰值电场 同时不提高靠近沟道端的漂移区的峰值电场 经模拟发现此器件的漂 移区内有三个峰值电场 除漂移医两端的两个峰值电场外还多了p p 结边界的一个峰值电场 可以 想象 如果漂移区是由根多的p 区组成 每个p 区的参杂浓度不同 离蒲端越近的p 区参杂浓度越 大将会大大改善漂移区内的电场 何进m 1 等人理论上证明了具有线性掺杂浓度的漂移区具有壤仇的 电场分布 张盛东恻等人在工艺上实现了器件的制作 如图1 1 7 所示 掩横版开口越靠近漏端越大 乩而注入剂量变大 推阱扩散后浓度也太 从而基本形成参杂浓度为线性的漂移区 图l 一1 6 双层漂移区r e s u p 邛p l d m o s 的纵向剖视图 图1 1 7 线性漂移区制作演示图 图1 1 8s i r j l m t i o n 与线性参杂漂移区向结合 图l 1 9 多场极板l d m o s 结构 将3 dr e s u r f 技术及线性浓度漂移区相结合 出现了如图1 1 8 所示的器件 此器件的漂移区 具有三个r e s u r f 结 因此可称为3 dr e s u r f 器件 同时由于靠近漏端的n 漂移区变宽 因而越 是靠近漏端漂移区越难耗尽 因而踊端的电场强度不会太大 所以它也兼有线性掺杂漂移区的作用 撮近 多场极板结构旧以及多维栅结构髑相继提出 分别如图1 1 9 和1 2 0 所示 这些结构在提高 击穿电压的同时都能降低相应的导通电阻 col 一oo 东南大学博士学位论文 盯s o u m e 图1 2 0 多维栅高压l d m o s 结构 1 2 功率m o s 器件及集成电路的可靠性 功率m o s 集成电路通常的高温 高压 高频 强辐射及大功率等工作环境使得电路与器件的 可靠性问题显得尤为突出 甚至己经成为了这些应用领域中的首要技术指标 功率m o s 集成电路主 要突出的可靠性问题包括功率m o s 器件的热载流子效应 功率m o s 器件及集成电路的e s d 问题 以及功率m o s 集成电路的闩锁问题等 下面将简述以上三个主要的可靠性问题 1 2 1 功率器件的热载流子效应 所谓的 热载流子效应 就是指高电场下某些具有相当高能量的载流子 可以克服s i s i 0 2 界面势 垒进入栅氧化层 从而诱生大量的s i s i 0 2 系统界面态 并导致阈值电压漂移 漏电流增大 还将产 生衬底电流 栅极电流等非工作电流 使器件性能退化 甚至失效 从上世纪八十年代人们认识到高电场下热载流子问题的严重性开始 m o s 器件热载流子效应研 究就一直是世界上各大半导体公司和高校相关研究人员密切关注的重要课题和研究热点 从低压到 高压器件 从低频到高频器件 从静态到动态应力条件 随着集成电路制造工艺和设计技术的不断 进步 关于热载流子现象的失效机理 可靠性物理及模拟监测 器件热载流子寿命预测和抗热载流 子可靠性工程对策的研究二十年来也在不断地深入 超深皿微米l d dm o s f e t s o im o s f e t 和功 率l d m o s f e t 的热载流子效应可靠性研究及建模成为目前m o s 器件热载流子效应研究的三个主要 方向 3 9 4 功率l d m o s 器件作为功率m o s 集成电路的一种最重要的功率集成器件 其热载流子可靠性问 题将阻碍l d m o s 器件及相关功率集成电路的进一步发展 迫切需要对其展开深入研究 寻求切实可 行的可靠性预测与评估手段 并把可靠性信息及时反馈到器件及电路的设计 制造中去 从而降低 乃至消除这些不良机制的影响 目前 对于n 型l d m o s 器件 现在研究者们一致认为 在低栅应力条件下l d m o s 器件的热载流 子主要体现为器件鸟嘴区的热空穴注入 中栅应力条件下主要体现为沟道积累区和鸟嘴区表面态的 形成1 4 2 而高栅应力条件下则主要体现为源端热电子注入现象1 4 3 1 鸟嘴区热空穴注入和沟道区表面 态具有不同的饱和特性 4 4 1 本项目负责人还对静态条件下厚栅氧l d m o s 器件的热载流子退化特性进 行了详细研究 4 5 o 静态应力条件下综合考虑l d m o s 器件沟道区 鸟嘴区 漂移区热电子或热空穴注入 l o 第一章绪论 沟道区表面态形成及其退化饱和效应的器件寿命模型也已得出d 6 国内外关于动态应力条件下 l d m o s 器件的热载流子退化机制的研究则刚刚开展 目前业界对于动态应力条件下l d m o s 器件热 载流子寿命的评估仍然采用将其存在的各种退化机制进行简单叠加的 准静态 近似方法 实际上 l d m o s 器件在电路中通常工作在动态应力条件下 即栅 漏电压波形都是随时间改变的 器件的热 载流子应力条件在一个周期内也不断变化 文献 4 7 的研究结果表明 m o s 器件动态应力退化特性 并不是其静态应力特性的简单再现 而是静态应力研究中发现的各种效应 如热电子 热空穴的注 入和陷落 界面态的产生 退陷阱效应和后应力延续效应等各种效应的综合体现 显然 将l d m o s 器件动态条件下的热载流子退化现象视为一种 准静态 现象是存在很大偏差的 在国内外已经开展的l d m o s 动态条件下热载流子效应研究中 文献 鹕 指出了l d m o s 器件的 h c 效应a cl i f e t i m e 交流寿命 要远大于其d cl i f e t i m e 直流寿命 其原因是l d m o s 器件中存 在有r e l a x a t i o n 恢复 现象 但对于r e l a x a t i 0 1 i 现象的产生原因及机制却没有给出 文献 4 9 给出了 低压器件r e l a x a t i o n 现象的退化特点 并提出了动态应力条件下电子注入和空穴注入相中和 电子直 接隧穿 退陷阱效应 热激发等几种r e l a x a t i o n 现象原因猜想 l d m o s 器件中是否存在有这些机 制或其它机制导致了器件的r e l a x a t i o n 现象 以及该现象与所加应力占空比 频率等的关系都有待研 究 此外 动态应力条件下l d m o s 器件主要参数的退化特性与动态应力信号的频率 占空比 脉 冲数目 高低电平大小等因素的关系还未见报道 相同栅应力条件下不同负载的l d m o s 器件的开 关路径差异会对器件热载流子退化特性产生哪些影响也有待研究 l d m o s 器件的k i r k 效应 自加 热效应在动态条件下对器件热载流子退化现象的影响都有待探求 在l d m o s 热载流子现象的试验方法上 测量热载流子诱生的界面陷阱是一项十分重要的工作 它们严重地影响器件的稳定性和电路寿命 过去人都使用诸如m o s 电容 亚阈值电流 电荷泵等方 法对界面陷阱进行研究 由于在测量中严重的寄生效应和瞬态效应 这些方法都存在不精确的缺点 传统表征界面陷阱横向分布的方法是利用电荷泵 5 0 然而 在测量过程中 由于界面陷阱充放电引 起的局部平带效应和局部亚阈值电压效应 使得电荷泵方法并不能准确而有效地表征界面陷阱的横 向分布 复合栅控二极管 技术提取热载流子诱生的n m o s 器件界面陷阱横向分布 具有比电荷 泵方法更高的灵敏度 1 2 2 功率集成电路的e s d 失效 静电是一种电能 它存在于物体表面 是正负电荷在局部失衡时产生的一种现象 静电现象是 指电荷在产生与消失过程中所表现出的现象的总称 如摩擦起电就是一种静电现象 静电产生原因 有接触分离起电 摩擦起电 感应起电和传导起电等 当带静电荷的物体 也就是静电源 跟其它 物体接触时 这两个具有不同静电电位的物体依据电荷中和的原则 存在着电荷流动 并传送足够 的电量以抵消电压 在这个高速电量的传送过程中 将产生潜在的破坏电压 电流以及电磁场 严 重时会将其中物体击毁 这就是静电放电 e s d