0.18μm高压DEMOS器件热载流子所致衬底电流的研究

摘要

随着高压集成电路的发展，高压器件有着越来越广泛的应用。与传统MOS器件相比，高电压带来的热载流子注入效应更加显著，是影响器件可靠性的重要原因，其中衬底电流是而表征器件热载流子效应最简单最直接的参数。 对此，本文针对某公司0.18μm 30V高压驱动电路中的N型双扩散漏端MOS（Drain Extended MOS，简称DEMOS）器件中衬底电流双极值现象，通过理论推导、TCAD模拟仿真以及实验数据对比分析，对其产生机理进行了深入的研究，并对在此双极值应力加载条件下器件直流电学特性的退化进行了实验和理论分析，为该类高压器件的制造工艺优化和结构设计优化提供了有益的理论指导。 本文首先从普通MOS器件击穿类型分析入手，探讨了传统高压器件结构设计原则，进而介绍了本文研究的高压DEMOS器件结构特点和制造工艺。而后，结合理论推导和TCAD仿真，对比分析了普通MOS器件和DEMOS器件衬底电流的形成机理。研究认为高压DEMOS器件衬底电流中的双极值现象主要是由于在漂移区两端（即与沟道区接触的靠近栅极端和与漏接触端）存在两个不同电场所致，随着栅压的升高，由于沟道区电子碰撞离化加剧，致使其对漂移区形成大注入，进而导致漏端电场的急剧增加，最终造成不同于普通MOS器件的第二衬底电流峰值。 其次，本文针对本DEMOS器件衬底电流的双极值现象，分别在两个极值点加载10000秒应力，观察到了器件直流电学特性（如线性区漏端电流、最大电导、开态电阻等）的明显衰退，结合对内部电场分布和热电子对场氧注入的TCAD仿真分析，发现热电子注入场氧以及场氧层界面态的改变是导致器件电学性能退化的主要原因。对此，本文进一步通过实验与TCAD仿真分析，研究了三种不场氧层材料（普通PECVD氧化硅，含部分富硅氧化硅的场氧层和完全富硅场氧层）对器件电学性能的影响，研究表明富硅场氧层中的硅悬挂键会捕获大量的电子，从而改变漏端电场的电势分布，最终加剧器件电学性能的恶化。 最后，本文从器件的生产工艺和器件结构优化设计的角度，提出了降低表面电场的主要工艺方法，即利用多次掺杂与退火以降低漂移区表面浓度，以及漂移区斜角离子注入以使沟道耗尽结区浓度变缓；同时，本文基于TCAD仿真模拟结果，还提出一种源栅组合场板结构，可进一步降低漂移区表面电场，尤其能大大降低漏端电场。