本文首先探討了LDMOS器件在靜電放電脈沖作用下的失效機(jī)理，闡述了LDMOS在快速靜電放電脈沖作用下的電流集中和器件局部溫度過(guò)高導(dǎo)致的金屬接觸孔熔融等現(xiàn)象以及靜電放電脈沖過(guò)后的器件性能退化乃至燒毀的問(wèn)題。之后通過(guò)對(duì)不同器件結(jié)構(gòu)LDMOS的靜電放電防護(hù)性能的分析對(duì)比，指出帶埋層的深漏極注入雙RESURF結(jié)構(gòu)LDMOS器件在靜電防護(hù)方面的優(yōu)勢(shì)。

1 靜電放電脈沖作用下的LDMOS器 件失效

1.1 LDMOS器件的靜電放電及其損傷的原理

LDMOS器件作為輸出驅(qū)動(dòng)器件，尺寸較大，當(dāng)寄生npn管完全導(dǎo)通時(shí)可以承受較大的靜電放電電流，因此與常規(guī)MOS器件相比具備一定的自保護(hù)能力，標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝下的LDMOS器件典型結(jié)構(gòu)如圖l所示。圖2為L(zhǎng)DMOS器件在靜電放電脈沖下的，-V特性曲線，當(dāng)正向靜電放電脈沖來(lái)臨，漏源電壓達(dá)到寄生npn晶體管導(dǎo)通所需的觸發(fā)電壓Vn.，時(shí)，n型外延層/p阱形成的pn結(jié)將發(fā)生雪崩擊穿，碰撞電離產(chǎn)生的空穴電流會(huì)使p阱和源之間的pn結(jié)正偏，寄生npn管導(dǎo)通，電子從源極發(fā)射進(jìn)入阱區(qū)。這些電子在源漏電場(chǎng)的作用下加速，使得載流子碰撞電離概率增加，從而形成更多的電子空穴對(duì)，漏源電流逐漸增大。當(dāng)其超過(guò)維持電流時(shí)，器件將進(jìn)入寄生npn管完全導(dǎo)通的大電流工作區(qū)，此時(shí)LDMOS器件將吸收大量的靜電放電脈沖電流[5]。隨著電流持續(xù)增加，器件溫度不斷升高以至于達(dá)到Si的熔點(diǎn)，LDMOS器件發(fā)生二次擊穿損壞，其中I2為二次擊穿電流。因此，只要LDMOS在靜電放電脈沖作用時(shí)能夠很快導(dǎo)通進(jìn)入寄生npn管工作區(qū)，泄放靜電放電電流，就可以起到保護(hù)器件自身和內(nèi)部電路的作用。

1.2 LDMOS器件在靜電放電脈沖下的失效分析

LDMOS器件在理論上具備一定的抗靜電放電沖擊能力，然而實(shí)際TLP(transmission line pulse)測(cè)試結(jié)果卻并不十分理想。靜電放電脈沖引發(fā)的LDMOS器件可靠性問(wèn)題主要有兩種：局部電流過(guò)大引起的軟擊穿和電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)導(dǎo)致的二次擊穿。

軟擊穿是指器件在發(fā)生硬擊穿也即二次擊穿前襯底漏電緩慢增加而引發(fā)器件可靠性問(wèn)題的現(xiàn)象。圖3為40 V LDMOS器件在不同柵壓下的TLP測(cè)試曲線，從圖中可以看出寄生npn管的二次擊穿并沒(méi)有十分明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，為此本文將泄漏電流達(dá)到100 nA作為發(fā)生二次擊穿的標(biāo)志，此時(shí)的IDS作為二次擊穿電流。如圖4所示，當(dāng)泄漏電流為100 nA時(shí)，漏極電流密度為9 mA/um，在柵寬W為136 um的測(cè)試條件下約為1.2 A[7。然而當(dāng)，t2急劇增加時(shí)，襯底泄漏電流表現(xiàn)出一個(gè)緩慢增加的過(guò)程，此種跡象表明LDMOS器件在發(fā)生二次擊穿前性能已經(jīng)開(kāi)始退化，泄漏電流不斷增加，即出現(xiàn)所謂的軟擊穿現(xiàn)象。分析表明，這是由LDMOS器件過(guò)早出現(xiàn)的局部范圍內(nèi)的大電流即電流絲引起的，并且這種擊穿的影響在靜電放電脈沖過(guò)后仍然存在，因此使器件的性能和可靠性降低。

圖5為L(zhǎng)DMOS器件在靜電放電脈沖作用下漏極發(fā)生二次擊穿而燒毀的情形。分析得出，由于寄生npn管導(dǎo)通時(shí)會(huì)有大電流流過(guò)源漏注入?yún)^(qū)和漂移區(qū)/p防形成的耗盡區(qū)，引發(fā)局部加熱現(xiàn)象。當(dāng)該點(diǎn)溫度超過(guò)一定限度時(shí)將會(huì)在耗盡區(qū)內(nèi)形成電流絲或熱點(diǎn)，使得耗盡區(qū)中局部區(qū)域的電壓降低，從而終止其周圍區(qū)域的雪崩擊穿，此時(shí)流過(guò)該點(diǎn)的電流會(huì)受到從金屬接觸孔到該點(diǎn)的等效電阻的限制。然而，盡管電流受到了一定的限制，電流絲引起的局部過(guò)熱和耗盡區(qū)內(nèi)電壓的降低將會(huì)使該點(diǎn)電流持續(xù)增加，使得金屬接觸和耗盡區(qū)的溫度不斷上升，電流絲擴(kuò)展到整個(gè)源漏注入?yún)^(qū)域。一旦電流擴(kuò)展到金屬接觸孔，電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)會(huì)使注入?yún)^(qū)和漂移區(qū)的電阻急劇降低，從而失去對(duì)電流的限制作用。此時(shí)，流過(guò)該區(qū)域的電流就會(huì)突然增加，最終導(dǎo)致Si和金屬接觸窗燒熔。

2 LDMOS器件結(jié)構(gòu)和尺寸對(duì)其靜電放電防護(hù)性能的影響

2.1 柵寬的影響

對(duì)于功率器件來(lái)說(shuō)，增加?xùn)艠O寬度可以提高其電流驅(qū)動(dòng)能力，使得在同樣的條件下器件能流過(guò)更大的電流。然而，LDMOS器件的靜電放電防護(hù)性能并不隨著器件柵寬尺寸的增加而改善，相反卻有著惡化的趨勢(shì)，并且在多柵極條的情況下更加嚴(yán)重。圖為實(shí)際測(cè)量的LDMOS器件在不同柵壓下二次擊穿電流I隨柵寬變化關(guān)系曲線圖，Io無(wú)論在何種偏置條件下均隨W增加呈明顯的下降趨勢(shì)。圖7為柵寬為4 000 um、柵極條數(shù)為96的LDMOS器件在不同柵壓下失效曲線[13]。由圖可以看出該結(jié)構(gòu)的器件在源漏電壓到達(dá)觸發(fā)電壓Vn時(shí)就開(kāi)始損壞，完全失去了LDMOS器件的抗靜電放電脈沖擊穿能力。分析表明，多晶Si柵電阻和寄生電容的存在，去使靜電放電脈沖到各個(gè)柵極條的延時(shí)不同[14]。因而，在靜電放電脈沖作用的幾十個(gè)納秒內(nèi)，各柵極條上的電壓不同，從而導(dǎo)致靜電放電泄放電流集中在最早導(dǎo)通的柵極條上，該區(qū)域內(nèi)的溫度急劇升高，在寄生npn管完全導(dǎo)通前LDMOS器件過(guò)早發(fā)生擊穿失效。上述現(xiàn)象表明，在靜電放電脈沖作用下，LDMOS器件表現(xiàn)出的電流絲效應(yīng)和各柵極條的非均勻?qū)ìF(xiàn)象在多柵極條情況下更加嚴(yán)重，會(huì)在整個(gè)器件進(jìn)入大電流工作區(qū)域前將其破壞。因此，僅僅依靠增大柵寬或增加?xùn)艠O條數(shù)不能使二次擊穿電流Tn顯著增加，因而無(wú)法明顯改善LDMOS器件的靜電放電防護(hù)性能。