基于LDMOSFET热载流子效应的可靠性研究

摘要

LDMOSFET(Laterally Diffused Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Tran-sistor，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MOS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MOS变得无法使用，LDMOS的漂移区(drift region)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。LDMOS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，MOSFET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”。热载流子撞击晶格原子，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Si/SiO2势垒，形成栅极电流，在Si/SiO2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LDMOS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LDMOS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LDMOS的结构特点及其电学特性，结合MEDICI仿真软件，在普通MOS衬底电流模型的基础上，本文建立了一个适合长沟道LDMOS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LDMOS施加最坏应力条件，由于LDMOS与普通MOS结构的不同，本文分析了LDMOS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，LDMOS的强场效应直接影响到了器件的可靠性，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BJT效应和Kirk效应等，本文的最后从安全工作区域的角度分析影响LDMOS可靠性的其中4种主要负面效应。

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