LDMOS的可靠性研究

1、LDMOS的可靠性研究研究内容 1、高可靠性P_LDMOS研究 2、LDMOS的可靠性和温度特性研究 3、基于LDMOS热载流子效应的可靠性研究 4、Reliability study of power RF LDMOS devices under thermal stress高可靠性P_LDMOS研究P-LDMOS的纵向剖视图1、 沟道下的电场分析（1）关闭态关闭态Si-SiO2 界面电场分布 关闭态下，界面处存在两个电场峰值。第一个峰值在沟道左端,沟道与漂移区形成的p-n结处;第二个峰值在漂移区的场板端点正下方. 关闭态下，沟道下的电场峰值远小于漂移区峰值。因此，沟道不会先于漂移区击穿。（

2、2）开启态开启态Si-SiO2 界面电场分布 开启态下，整个表面电场由两个U形曲线连接而成,第一个U形曲线在沟道区,第二个U形曲线在漂移区.第二个U形曲线是由漂移区两边的两个结形成,该U形曲线两个峰值的大小由漂移区浓度决定。 LDMOS的漂移区与沟道交界处,即开启态第二个峰值位置,由于两次扩散的杂质高度补偿形成性能非常差的高阻区,再加上此处电场强度较高,很容易产生热载流子,对栅进行轰击,增大栅的漏电流,从而影响器件稳定性与可靠性. 研究发现,产生热载流子效应的很大一部分原因是沟道靠近源端的热载流子注入引起.因此降低热载流子效应,提高器件可靠性,必须降低开启态下第一个U型曲线的两个峰值.2、沟道

3、下电场峰值改进方法（1）沟道长度的影响沟道下峰值电场随沟道长度变化曲线 随着沟道长度的变大,第一个峰值大小几乎没有变化,而第二个峰值逐渐变小. 由于沟道变长,一方面,相同的电压加在较长的长度上,得到的必然是较小的电场强度;另一方面,防串通n阱与漂移区的p阱两次注入的窗口间的距离增加,使得np-结补偿杂质浓度降低,从而减小此区域的电阻.以上两个原因使第二个峰值电场变小. 第一个峰值电场,由于改变沟道长度对p+n结浓度没有影响,因此第一个峰值几乎没有变化.（2）沟道浓度的影响（沟道较长情况下）沟道峰值电场随n阱注入剂量变化曲线 随着n阱浓度的变大,第一个峰值电场逐渐变大,而第二个峰值电场变化不是很

4、明显. 原因在于,p+n结的n侧浓度降低,结处的峰值电场必然降低;沟道较长时,np-结左侧磷的浓度已经降到了一个比较小的值,此时再降低沟道浓度,峰值电场几乎不会变化,因此第二个峰值电场变化不明显.（3）栅场板长度的影响沟道下电场随栅场板长度的变化曲线 随着场板的变短,第一个峰值大小几乎没有变化,第二个峰值则有变化. 场板较长时,第二个峰值几乎不随场板变化;场板较短时,第二个峰值随场板的减短急剧减小.开态时,场板具有缓解其下方电场强度的作用,越靠近场板端点处,缓解能力越强.场板较长时,场板端点离第二个峰值电场较远,随场板长度的变化,峰值电场变化不明显;场板较短时,场板端点在第二个峰值电场的正上方

5、,此处的电场得到较大的缓解,从而使场强减小. 利用场板变短来降低沟道峰值电场,往往会使器件关闭态的耐压降低,开态导通电阻增加,因而不可取。 为了使漂移区具有最优的耐压,漂移区浓度应该满足RESURF技术,即此时第二个U型曲线的两个峰值电场基本相等。3、提高可靠性设计原则 (1)保证器件面积的前提下，拉长沟道长度,使n阱与p阱两次扩散窗口的距离加大。长的沟道长度使电压分布在较长的范围,从而降低第二个峰值电场。n阱与p阱两次扩散窗口的距离加大,降低了np-结处的杂质浓度,使此处的迁移率变大,电阻变小。 (2)沟道不穿通前提下，n阱浓度尽量小.降低n阱浓度,有利于降低第一个峰值电场,从而提高器件可靠

6、性。LDMOS的可靠性和温度特性研究 针对LDMOS的可靠性问题,首先研究影响高压LDMOS可靠性的击穿特性;对于功率器件来说,LDMOS的功耗大小以及功耗的分布情况对器件性能也有重要的影响。 功耗增大使器件发热量增加,温度上升,导致器件的可靠性变差。一、LDMOS 的可靠性研究1、LDMOS 击穿电压分析 半导体器件电击穿的根本机理有雪崩击穿和隧道击穿两种。隧道击穿主要发生在耐压小于7V的低压器件中,高压器件中一般产生雪崩击穿。 LDMOS的漏源击穿电压是一个十分重要的参数，而场极板的作用是不可忽略的。1.1有场极板的LDMOS的击穿电压原理 在场极板有限的情况下，漏极的高压被氧化层电容分压

7、，减小了漂移区A处的击穿电压。 根据数值分析结果指出,有限尺寸场极板的边界效应等效一个平面PN结的击穿电压。因此可以将无限大场MOS电容器和这个等效pn结的击穿电压相比较,两者之中较小的击穿电压,就是外加场极板的击穿电压。1.2、有限场极板的情况 场极板边界处击穿电压为： 无限场极板下的击穿电压为： 由于LDMOS场极板是有限极板,而不是无穷大场极板,因此击穿电压到底是多大,应当判断LDMOS是在场极板内部先击穿还是在场极板边界处先击穿，所以击穿电压由最小值决定的，即 式中Ec取最大的击穿场强，整理得具有场极板的高压LDMOS的击穿电压为： 通过模拟发现,LDMOS承受漏源电压主要是场极板下面

8、的场极板部分,增加场极板的长度会使漂移区的电势、电场分布发生变化,使承受漏源电压的部分变长,降低了最高电场,提高了击穿电压,同时增加场极板对电阻几乎没有多少影响,因而对器件的作用被削弱,缓和了击穿电压与导通电阻的矛盾。 场极板技术只能通过藕合作用减小漂移区的有效电荷,进而提高耐压,但是对漂移区积分电荷没有大的影响。 利用nLDMOS和pLDMOS构成带有负载电容的CMOS反相器，可得电路的功率增益为： 从式中可得，减小工作频率可以提高功率增益。 从LDMOS的结构和电学参数来考虑,要降低功耗应当尽量减小式中的（Bn+Bp）。2、LDMOS 本征功耗的计算 降低电路功耗的一个有效方法是将一个比较

9、宽的LDMOS分成许多比较窄的单元并联,总的宽度保持不变。这时管子的输出非线性电阻并联在一起,其等效的Bn和Bp减小,从而减小了LDMOS的功耗。 因此在不改变LOMOS任何参数的情况下,这种方法可以降低电路的功耗。3、LDMOS 安全工作区（SOA） 所谓安全工作区,顾名思义就是LDMOS在任何偏置状态下都能安全工作的区域。 对SOA的研究是LDMOS器件设计中的一个重要新领域。根据产生的时间,LDMOS的SOA可以分为短期SOA和长期SOA两种。3.1、LDMOS的短期SOA 短期SOA是指由各种热效应在短期内确定的工作区。短期SOA可以分为电SOA和热SOA。 影响电SOA的主要是Kir

10、k效应，寄生三极管效应；影响热SOA的主要是自加热效应。（1）Kirk效应 当电流密度超过漂移区杂质浓度后,电场峰值转移到近漏端,等位线在漏极方向非常密集，漏端电场强度大幅增加的现象，称为Kirk效应。 解决方法：在漏端加一个漏缓冲区,这个缓冲区的掺杂浓度介于漂移区掺杂浓度和漏区掺杂浓度之间。通过这种方法,可以在漂移区获得较为均匀的电场,可有效缓解高电场带来的可靠性问题。（2）寄生三极管效应 LDMOS在高压工作下，内部发生碰撞电离产生过剩载流子,这些过剩载流子在体区源区间产生正向压降。当此压降达到寄生三极管的导通电压时,三极管导通,于是在沟道下方出现一条电流通路,使工作电流迅速上升,并使栅压

11、控制失效,LDMOS发生负阻击穿,器件失效，这种现象称为寄生三极管效应。 解决方法：一是降低碰撞电离产生的电流即降低衬底电流；二是降低P阱的电阻。（3）自加热效应 高压功率LDMOS正常工作时，器件有源区将会产生大量的热量，导致温度上升，这种现象称为自加热效应。 栅压的增加会导致LDMOS的体内温度迅速提高，甚至产生高能载流子与晶格碰撞，产生二次电子空穴对，导致LDMOS发生负阻击穿，使得LDMOS的击穿电压大大降低。3.2、LDMOS的长期SOA 随着电场强度的增强,在沟道或漂移区的载流子会获得巨大的动能克服表面势垒隧穿到LDMOS的栅氧化层或场氧化层中,影响电荷分布,进而影响器件的性能。这

12、是导致长期工作的器件失效的主要机理,即由它决定LDMOS长期SOA的边界。 温度的变化对LDMOS中载流子的迁移率、亚阈值电流、漏源电流、泄漏电流等参数是有影响的。对LDMOS的特性在不同温度下的模拟和分析是精确估计性能的关键。二、LDMOS 温度特性的研究1、阈值电压温度系数的研究 阈值电压随温度变化是由于表面势随温度变化引起的。研究表明表面势是温度的线性函数。 阈值电压为： 式中： 通过分析高压LDMOS阈值电压温度系数以及高压LDMOS阈值电压温度系数的特性，结果说明，薄的栅氧化层厚度和高的衬底掺杂浓度才能得到小的阈值电压温度系数。2、迁移率的温度特性 硅器件的迁移率模型受到声学波和电离

13、杂质散射的影响： 式中 s和 i代表了声学波和杂质电离散射的影响。 在掺杂不高的器件中，迁移率随着温度的升高迅速减小。3、饱和电流的温度特性 LDMOS的开态电流较大，自加热效应明显，饱和电流是器件开态下的一个重要电学参数。由于LOMOS器件沟道一般比较长,所以饱和电流是由于沟道夹断形成的,而不是由于电子速度饱和而形成的。 通过分析可以得到如下两点结论： （1）饱和电流的温度系数不是一个固定的常量,是栅压的函数。当Vgs增大时,Ids的温度系数从正值变化到负值。 （2）饱和电流基本上是随着温度的增加而下降的。4、泄漏电流的温度特性（扩散电流） 在反向偏压的情况下，可以得到一个扩散电流，这就是通

14、常定义的泄漏电流。泄漏电流主要是由于PN结的反向漏电引起的。 实际加反向偏压的时候,势垒区内的电场加强,在势垒区内由于热激发的作用,具有净产生率,形成一个产生电流。（1）泄漏电流的组成 反向泄漏电流主要是扩散电流和热产生电流，分别是上式右边的两项。（2）计算和模拟之后得到结论如下： 温度较低时，热产生电流是主要因素；温度较高时，扩散电流是主要因素。 随着温度的增加，泄漏电流呈指数增加。 由于泄漏电流主要来源于n-漂移区/p型衬底结的泄漏电流,只要适当降低该结的结面积,就可以有效降低结泄漏电流,并提高LDMOS的温度特性。5、导通电阻的温度特性 导通电阻的LDMOS的一个重要参数，其大小与LDM

15、OS的最大输出功率密切相关。 导通电阻和温度的关系表达式为： 式中Ron（T）为本征电阻，Rch（T）为沟道电阻温度较低时，泄漏电流为0，则 其值随温度的增加呈 的关系。温度较高时，泄漏电流主要是pn结的反向电流，其值较大，不能忽略。沟道电阻也随着温度的增加而增加，且线性区的Vds又很小，所以 较大 ， 这时，导通电阻随着温度增加的速率将低于本征电阻随着温度增加的速率。T）（）（TRTRRononDSRVTRTI）（）（ch6、击穿电压的温度特性 开态击穿电压是LDMOS的一个非常重要的电学参数。击穿电压决定了最大允许的漏源电压。通常有漏衬底PN结雪崩击穿电压和漏源穿通电压两种机理。 在等温的

16、前提下,随着温度的升高击穿电压是有所上升，但是增加的幅度很小。主要是因为载流子迁移率下降。 通过非等温模拟，揭示了击穿电压随着周围结温度上升而降低。基于LDMOS 热载流子效应的可靠性研究一、LDMOS的热载流子效应 LDMOS应用于高压功率领域,其可靠性是衡量器件性能的重要指标。由于漏端高压的存在以及器件尺寸的缩小,使得器件的强场效应不得不加以认真考虑,而强场直接导致的是器件的热载流子效应。1、强电场效应 热载流子：当沟道电子（n型）通过强场区时，电子从电场中获得了额外能量,打破了电子与晶格的能量平衡,即此额外能量不能传递给晶格。这些高能量的载流子(电子)称为热载流子。 对于LDMOS的结构

17、,器件中产生热载流子并能对栅极电流产生影响的是漂移区附近的PN结处。 在强场区，由于高能量电子的较其它区域多,所以导致了另外一个主要现象,即碰撞电离。高能量电子撞击晶格,产生了额外的电子-空穴对。新增的电子成为了漏区电流的一部分,而所产生的空穴则有多种去处。其中绝大部分流向了衬底,成为了衬底电流,另外一小部分流向了栅和源。 进入栅极的热载流子会产生氧化物电荷和界面陷阱，导致器件性能的退化，尤其是阈值电压漂移、跨导退化等，这就是热载流子效应，这些影响了器件的使用寿命。 在强场区，由于高能量电子的较其它区域多,所以导致了另外一个主要现象,即碰撞电离。高能量电子撞击晶格,产生了额外的电子-空穴对。新

18、增的电子成为了漏区电流的一部分,而所产生的空穴则有多种去处。其中绝大部分流向了衬底,成为了衬底电流,另外一小部分流向了栅和源。 进入栅极的热载流子会产生氧化物电荷和界面陷阱，导致器件性能的退化，尤其是阈值电压漂移、跨导退化等，这就是热载流子效应，这些影响了器件的使用寿命。 衬底电流是由强场区中的碰撞电离现象产生的(高速电子撞击晶格产生次级电子-空穴对),为了使碰撞电离产生的空穴几乎完全的流向衬底,须使Rsub-0。SOI技术能够很好的决定了空穴的流向。 衬底电流表征了器件场强区碰撞电流的程度，同时在一定程度上对热载流子效应的研究提供的参考依据。2、LDMOS 的热载流子效应分析 LDMOSFE

19、T热载流子效应的程度受器件的氧化工艺、掺杂工艺、漂移区杂质分布、沟道区杂质分布、漂移区结构、场板结构、以及器件工作状态等多种因素影响且影响的程度也不同。2.1、LDMOS 的热载流子分布 热载流子的多少可以由衬底电流来反映。衬底电流的大小由漏源电流和场强以及碰撞系数决定,可见在高场强和电流集中的区域优先发生碰撞电离现象。 根据相关理论研究，LDMOS的场板下方鸟嘴区域以及漏端区域都是电流较为集中的地方，所以要明白LDMOS的电场分布。 图中的鸟嘴区和场板下方的漂移区与衬底相接处等势线密集。 场板下方的鸟嘴区域是电流密集的地方，当场强足够大时，由高速载流子撞击晶格产生的次级电子-空穴对将会大量增

20、加，即该区的碰撞电离强度增强了。2.2、杂质分布的影响（1）沟道区杂质：研究表明，随着沟道区掺杂浓度的增加，器件的退化变得很剧烈，直接影响到了器件的使用寿命。（2）漂移区杂质：研究表明适当的提高漂移区掺杂浓度，可以有效降低器件的热载流子效应。这是因为漂移区浓度的增加，使得漏电流、进入栅极的热电子电流、碰撞电离产生的衬底电流的退化速度减弱了。2.3、漂移区结构的影响 热载流子效应受漂移区结构的影响分为漂移区结深和漂移区长度,改变漂移区结构意味着改变的是漂移区导通电阻,进而改变漂移区的电场分布,这样对器件的电流-电压特性形成影响,从而决定着热载流子的产生、分布和强弱。（1）漂移区结深 通过实验，改

21、变漂移区结深，器件的碰撞电离程度以及产生碰撞电离的区域都有着明显的变化。 当减小漂移区结深,器件靠近漂移区的沟道处的碰撞电离程度明显增强,并且在漂移区内部也有几处碰撞电离较为严重的地方。 随着漂移区结深的减小,电场总的分布趋势改变不大,甚至器件的表面电场分布图几乎没有变化,但是,器件中靠近漂移区的沟道处以及漂移区内部的电场都等到明显增强。（2）漂移区长度 随着漂移区长度的增加,器件的碰撞电离主要产生区域没有多大的变化,但是场氧下方的衬底区域的碰撞电离程度明显减弱。 实验发现，漂移区长度不同的两种结构的电场分布的变化很小，可见增加漂移区长度导致器件碰撞电离程度降低的因素，并不是器件的电场发生变化

22、所导致的。2.4、场板结构的影响 适当增加场板长度，碰撞电离集中的地方得到弱化并且有向漏端移动的趋势。可见增加场板长度，可以有效抑制碰撞电离的程度。 增加场板长度，鸟嘴下方区域碰撞电离几率降低，靠近漏端的漂移区碰撞电离机率升高。这是由于场板的增长，等势线向漏端弯曲。 在场极板下靠近沟道的漂移区内的鸟嘴区域通常是高电场区域，同时也是电流集中的区域。通过增加场极板的方法使得鸟嘴区的高电场有了向漏端移动的趋势，也使得该区域的碰撞几率下降。 增加了场板长度，使得衬底电流略微有所减小。此外，增加场板长度可以弱化器件表面电场，显著提高器件的击穿电压。在工艺可接受的情况下，适当增加器件的场板长度能够使器件的

23、性能更加，并且不会增加器件的面积。二、LDMOS的可靠性分析 器件工作的稳定性指的是器件的各项要求参数在一定时间内维持变化不超过某一数值的能力，热载流子效应也是影响器件稳定性的因素之一。 从LDMOS的安全工作区出发，可以对器件的击穿电压，导通电阻等参数进行优化。热载流子影响长期SOA，寄生三极管效应、Kirk效应和自加热效应影响短期SOA。1、热载流子效应 器件的热载流子效应受到器件的工作状态的影响，由于的器件的热载流子效应可以发生在正常的工作状态，栅氧的损害是一个积累的过程，LDMOS的热载流子效应决定了器件的长期SOA。 在确定器件结构参数后，热载流子效应对器件寿命影响为上式，Vg和Vd

24、决定着器件的长期SOA。2、寄生BJT效应 LDMOS在漏端高压下，沟道、漂移区和漏端都有可能发生碰撞电离，从而产生了过剩载流子。过剩载流子中的空穴流向衬底，在源衬之间形成正向电压，达到一定数值，使寄生三极管导通，衬底电流迅速上升。从而使器件发生负阻击穿，这就是寄生BJT效应。 通过降低p阱的电阻以及降低电场强度可以改善寄生BJT效应。SOI技术也可以很好的抑制和消除寄生BJT效应。3、Kirk效应 当LDMOS处于导通状态时，漂移区空间电荷浓度会随着载流子的流经而降低，如果漂移区杂质浓度小于电流密度的话，就会使电场峰值向漏端转移，导致漏端电场强度大幅度增加，这就是Kirk效应。 对漂移区实行

25、线性掺杂是降低Kirk效应的有效方法之一，即对漂移区进行线性掺杂，此缓冲区的浓度在于漂移区浓度和漏区的浓度之间。4、自加热效应 LDMOS工作时，电流的流过，有源区产生大量热能，此时，寄生三极管的基极-发射极的压降迅速升高，导通压降将随温度升高而降低。因此加速了寄生三极管的导通，从而影响了器件的可靠性。 温度的升高加强了器件的碰撞电离程度，使得器件产生负阻击穿的几率增加，击穿电压也随着降低。 目前SON（Silicon-on-Nothing）技术能够很好的减缓器件的自加热效应。Reliability study of power RF LDMOS devices under thermal stress（射频功率LDMOS器件在热应力作用下的可靠性分析）1、TST和TCT TST：温度冲击试验，通常采用双槽或三槽式设计 TCT：温度循环试验，通常采用单槽式设计 TST和TCT都是以常温-低温-低温停留-高温-高温停留-常温为一个循环。其中低/高温温度范围、停留时间和循环数决定试验。 TST和TCT均是可靠性的环境测试项目。TST的循环(转换率37.5摄氏度每秒)TCT的循环（转换率0.5摄氏度每秒）2、TST和TCT对导通电阻和反馈电容的影响不同温度差下，TST对导通电阻的影响试验结果分析试验结果分析不同