高压集成电路中LDMOS结构在ESD应力下的特性研究

摘要

自然界中广泛存在的静电放电（ElectroStatic Discharge，ESD）现象是造成芯片失效的一个重要因素。目前集成电路广泛用于各种生活、生产电器中，因此，每年因静电放电造成集成电路的损坏而导致的经济损失非常严重。为了降低由此带来的损失，集成电路的ESD防护能力已是目前芯片设计时必须考虑的问题。近年来随着功率集成电路技术的蓬勃发展，功率集成电路的ESD防护能力也随之越来越得到重视。而以往对芯片ESD问题的研究主要集中于低压电路和器件，对高压集成电路的研究目前还很不成熟。LDMOS（Lateral Diffused MOS）器件由于具有易与CMOS工艺相兼容的特点而被广泛应用于功率集成电路中。研究LDMOS器件所面临的ESD问题对降低研发成本、提高功率集成电路可靠性具有重要意义。
　　本文基于0.35μm40V/20V/5VBCD（Bipolar/CMOS/DMOS）工艺，使用TCAD仿真分析、器件的TLP（Transmission Line Pulse）与HBM（Human Body Model）测试、失效分析等相结合的研究方法，对LDMOS在ESD大电流注入下的器件特性进行研究，由此提出了器件在宽度方向上的电流不均匀性模型。在此模型的基础上，提出了新的器件结构，并进行实验验证。主要的创新工作和成果如下：
　　1.基于Kirk效应原理，结合LDMOS体内寄生NPN的电流放大机理，对处于ESD应力下的LDMOS在宽度上的电流不均匀特性进行研究，提出了LDMOS电流不均匀性模型。LDMOS的电流不均匀特性可导致器件只有部分导通，从而限制了器件的抗 ESD能力。基于此模型，设计了新型器件结构，通过器件漏端 N+用场氧进行隔离，在不增大器件触发电压的情况下增加了器件的镇流电阻，抑制了LDMOS宽度方向上的电流不均匀性，使器件的ESD失效电流从1.06A提升至3.53A。
　　2.基于LDMOS在大电流注入下发生Kirk效应的理论，分析了LDMOS器件维持电压特性的影响因素，指出了ESD大电流注入条件下Kirk效应将导致LDMOS器件出现维持电压过低现象。基于此原理，提出并验证了一种用于提升器件维持电压的抑制强折回（strong snapback）新结构，并对其ESD特性进行了深入的研究。该结构通过在器件漏端增加一个用于低压PMOS器件的浓度较高的Nwell，使器件漂移区漏端部分的掺杂浓度提升，以提高器件发生Kirk效应的电流密度，从而提升器件维持电压。新器件使维持电压由15V提升至29.8V，并且没有出现严重的折回过程。此外，研究了器件沟道长度、寄生 BJT基区接地电阻、电流放大系数等参数对 LDMOS器件维持电压特性的影响。通过采用电流放大系数较低的PLDMOS作为ESD保护器件，可得到无折回现象的TLP特性。
　　3.提出了一种新的 NPN-LDMOS结构，并对该器件在 ESD应力下的特性进行了深入的研究与验证。该结构通过在LDMOS的漏端增加了一个寄生的低压NPN器件，不仅使LDMOS在ESD应力下的雪崩结由N+/Ndrift转换为N+/Pwell以提高器件的电离碰撞系数，也同时增加了器件的均匀导通特性。相比传统LDMOS，新器件的电流泄放能力由1A提升至3.2A，而其维持电压仅降低约6V。
　　4.提出了一种用于CMOS芯片I/O引脚的新型SCR结构，并通过实验研究了器件的ESD特性。该SCR不仅可以通过内嵌的MOS器件雪崩击穿触发，还可以通过电源轨之间的寄生电容触发，其抗ESD能力远高于常规的MOS器件，因此可以用较小的器件宽度实现对I/O引脚的ESD保护。在占用面积相近的情况下， I/O引脚的失效电流较MOSFET结构提升了1倍，同时其内嵌的MOS结构可以对电源轨提供基本的ESD防护而几乎不增加占用的芯片面积。

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第一章 绪论

1.1 芯片的ESD问题

1.2 芯片ESD保护的基本原理

1.3 全芯片的ESD防护

1.4 常用的ESD保护器件

1.5 芯片的ESD保护的研究现状与存在的问题

1.6 本文的章节安排

第二章 芯片的ESD测试模式与失效判据

2.1 ESD测试模式

2.2 ESD测试的失效判据

2.3 本章小结

第三章 LDMOS电流不均匀模型与新结构

3.1 LDMOS电流不均匀模型

3.2 抑制电流不均匀性的新型LDMOS结构

3.3 本章小结

第四章 提高LDMOS维持电压新结构与特性研究

4.1 引言

4.2 强折回抑制的新型LDMOS结构

4.3 减小源端对漏端电子注入的器件结构

4.4 本章小结

第五章 内嵌NPN的LDMOS新结构与特性研究

5.1 引言

5.2 提升LDMOS失效电流的结构

5.3内嵌NPN的新型LDMOS结构与特性

5.4 用于低压芯片保护的新型SCR结构

5.5 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 全文总结

6.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果