LDMOS器件软失效分析及优化设计

横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)器件在高压静电放电(ESD)防护过程中易因软失效而降低ESD鲁棒性。基于0.25μm Bipolar-CMOS-DMOS工艺分析了LDMOS器件发生软失效的物理机理,并提出了增强ESD鲁棒性的版图优化方法。首先制备了含N型轻掺杂漏版图的LDMOS器件,传输线脉冲(TLP)测试表明,器件在ESD应力下触发后一旦回滞即发生软失效,漏电流从2.19×10-9 A缓慢增至7.70×10-8 A。接着,对LDMOS器件内部电流密度、空间电荷及电场的分布进行了仿真,通过对比发现电场诱导的体穿通是引起软失效及漏电流增大的主要原因。最后,用深注入的N阱替代N型轻掺杂漏版图制备了LDMOS器件,TLP测试和仿真结果均表明,抑制的体穿通能有效削弱软失效,使其适用于高压功率集成电路的ESD防护。     

CMOS外延工艺下MLSCR器件鲁棒性的研究

传统的改进型横向SCR(MLSCR)器件能够在最小的面积下实现最大的静电放电(ESD)鲁棒性,被广泛应用于ESD防护领域。但是,采用55 nm CMOS外延工艺制作的MLSCR器件会出现鲁棒性剧烈下降且回滞即失效的问题。对器件版图结构进行调整,并进行多组实验,验证了器件失效机理。实验结果表明,在55 nm CMOS外延工艺下,阱的方块电阻阻值大大降低,导致主电流泄放通道难以开启,从而出现MLSCR器件不能开启的问题。     

ESD保护结构设计

静电损伤失效可能是热击穿（电流）造成的结或金属布线熔融失效,也可能是强电场（电压）诱发的介质失效,文章主要从电流热击穿方面探讨了静电触发时的ESD（Electro—Static-Discharge）保护结构的保护机理和失效机理以及工艺和版图上的应对措施。保护结构工作时的电流泄放能力决定了其保护能力,这种能力可以通过使泄放电流均匀、优化PN结特性等方面加强。电流泄放的均匀性可以在工艺版图上进行优化,结两侧浓度决定了结的耐受能力和结上的偏压,进而影响器件功耗。另外还提及了保护结构的贞面影响以及工艺上的优化方案。     

LDMOS器件ESD防护特性分析与优化设计

LDMOS器件具有高输出功率、高增益、高线性、良好的热稳定性等优点,广泛应用于功率集成电路中,但在ESD防护过程中易发生双回滞而降低ESD鲁棒性。基于0.25μm Bipolar-CMOSDMOS工艺,分析了LDMOS器件峰值电场的转移是发生双回滞现象并引起弱鲁棒性的主要原因,提出阳极用P+替代N+的版图改进方法。TLP测试制备的LDMOS器件显示,器件漏电流稳定维持在10-8A量级,二次失效电流大于9 A。结果表明,抑制的双回滞能有效增强鲁棒性,使其适用于高压功率集成电路的ESD防护。     

纳米集成电路的静电放电防护

综述了纳米集成电路片上(On-Chip)静电放电防护(ESD)的研究现状;结合自身流片数据,阐述其ESD防护机理和设计要点。从器件ESD防护机理入手,逐步深入分析阐述了纳米集成电路的新特征、纳米器件的失效机制以及基于体硅CMOS工艺和SOI工艺的基本ESD防护器件。在此基础上,对纳米集成电路ESD主要热击穿失效的热量产生机制、热耗散问题,以及边界热电阻对ESD防护带来的影响进行了分析,提出了利用纵向散热路径和工艺整合方案来提高纳米集成电路中ESD防护器件鲁棒性的有效措施。     

CMOS VLSI ESD保护电路设计技术

本文对CMOSVLSI芯片ESD失效现象及其ESD事件发生机理进行了分析,介绍了CMOSVLSIESD保护电路设计技术。使用具有大电流放电性能的MOS器件构成的ESD电路,以及采用周密的版图布局布线技术,可实现良好的ESD保护性能。     

用于ESD防护的PDSOI NMOS器件高温特性

研究了基于0.18μm部分耗尽型绝缘体上硅(PDSOI)工艺的静电放电(ESD)防护NMOS器件的高温特性。借助传输线脉冲(TLP)测试系统对该ESD防护器件在30~195℃内的ESD防护特性进行了测试。讨论了温度对ESD特征参数的影响,发现随着温度升高,该ESD防护器件的一次击穿电压和维持电压均降低约11%,失效电流也降低近9.1%,并通过对器件体电阻、源-体结开启电压、沟道电流、寄生双极结型晶体管(BJT)的增益以及电流热效应的分析,解释了ESD特征参数发生上述变化的原因。研究结果为应用于高温电路的ESD防护器件的设计与开发提供了有效参考。     

衬底寄生电阻对高压器件ESD性能的影响

随着高压集成电路的广泛应用,高压器件的ESD性能越来越受广大设计者的重视。从理论上分析了衬底寄生电阻对高压LDMOS器件ESD特性的影响,采用几种结构,对上述参数进行优化,并在0.35μm BCD工艺下进行流片试验。测试结果表明,优化衬底电阻可以有效地提高器件的ESD泄放能力,最优结构的二次击穿电流由原始器件的0.75A增大到3.3A。     

系统级测试下静电防护器件的失效机理分析

为满足系统级电磁兼容测试标准IEC61000-4-2,许多航空电子设备中都有静电放电(ESD)防护器件,其功能的失效直接影响到被保护电路和整机的安全性.在分析该类器件的失效机理时考虑到典型性,选择双极性ESD防护器件0603ESDA-TR作为受试对象,研究了系统级ESD注入对器件性能的影响,并对器件内部温度分布进行了仿真分析.研究表明ESD脉冲注入时雪崩电流在整个pn结面分布不均匀,仅集中在边缘几个点上,局部过热点的温度甚至达到硅熔融温度,将破坏原有的晶格结构,导致器件二次击穿而发生硬损伤.当ESD电压达到25 kV后,器件的性能参数开始退化,但反向漏电流几乎不变;连续100次脉冲后器件完全失效.分析后得出的结论是:ESD防护器件遭受系统级静电放电冲击时具有累积效应,其失效是由性能退化引起的,并且传统的漏电流检测无法探测到ESD引起的损伤.     

高压SOI工艺SCR ESD保护器件研究

针对ESD保护器件SCR的维持电压和触发电压难以调整的问题,设计了一种SCR版图形式,这种新型的SCR版图形式可以将维持电压和触发电压进行最优化的调整,同时不改变原有的高压工艺的特点。从而解决了在高压ESD保护领域,使用SCR做ESD保护器件容易引入闩锁效应的问题,是目前高压ESD保护领域较好的解决方案。     

深亚微米工艺中场氧器件静电防护能力的研究

研究了FOD在输入、输出和电源箝位部分ESD的工作特点,在0.18μm5V EEPROM CMOS工艺下流片、测试并分析了针对输入、输出和电源箝位的三种主流的ESD保护FOD器件,通过传输线脉冲测试仪的测量,重点分析了特征尺寸对器件ESD特性的影响及其设计方法。结果表明:影响FOD的ESD性能的主要因素是沟道长度、漏极长度和漏极接触孔到有源区的距离;增加沟道长,可适当提高FOD的ESD开启电压,但是会降低ESD防护性能;增加FOD的漏极长度和漏极接触孔到有源区的距离,可以提高FOD的ESD防护性能。提出了一种新型的浮体多晶硅岛屿型FOD结构,该结构不但结构简单,而且具有良好的ESD防护性能。     

0.13微米硅化物 CMOS工艺下版图参数对栅极接地 NMOS晶体管骤回特性的影响

本文中,在 0.13微米硅化物 CMOS工艺下, 设计了不同版图尺寸和不同版图布局的栅极接地 NMOS器件。TLP测量技术用来获得器件的骤回特性。 文章分析了器件版图参数和器件骤回特性之间的关系。TCAD器件仿真软件被用来解释证明这些结论.通过这些结论,电路设计者可以预估栅极接地NMOS器件在ESD大电流情况下的特性,由此在有限的版图面积下设计符合 ESD保护要求的栅极接地 NMOS器件。本文同时给出了优化后的 0.13微米硅化物工艺下 ESD版图规则。     

保护环版图结构对ESD防护器件耐压能力的影响

基于华润上华0.5 μm双极-CMOS-DMOS (BCD)工艺设计制备了不同保护环分布情况下的叉指型内嵌可控硅整流器的横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS-SCR)结构器件,并利用传输线脉冲(TLP)测试比较静电放电(ESD)防护器件的耐压能力.以LDMOS-SCR结构为基础,按照16指、8指、4指和2指设置保护环,形成4种不同类型的版图结构.通过器件的直流仿真分析多指器件的开启情况,利用传输线脉冲测试对比不同保护环版图结构的耐压能力.仿真和测试结果表明,改进后的3类版图结构相对于普遍通用的第一类版图结构,二次击穿电流都有所提升,其中每8指设置一个保护环的版图结构二次击穿电流提升了76.36％,其单位面积的鲁棒性能也最好,为相应工艺设计最高耐压值的ESD防护器件提供了参考结构和方法.     

LDMOS-SCR ESD器件漂移区长度对器件性能的影响

采用软件仿真一系列的横向扩散金属氧化物半导体(Laterally diffused metal oxide semiconductor,LDMOS)可控硅(Silicon controlled rectifier,SCR)静电放电(Electrostatic discharge,ESD)保护器件,获取工作状态的I-V曲线。结果表明,随着漂移区间距缩小,单位面积的失效电流增大,器件的ESD保护水平提高,但器件的维持电压减小,器件的鲁棒性降低。仿真提取关键点的少数载流子浓度、电流密度、电压强度等电学特性,根据采样结果和理论分析,内部载流子输运能力增强,但导通电阻无明显变化是该现象的内在原因。采用0.5μm 5V/18V CDMOS(Complementary and double-diffusion MOS,互补型MOS和双扩散型MOS集成)工艺流片并测试器件,测试结果证实了仿真结论。为了提高器件的失效电流且不降低维持电压,利用忆阻器无源变阻的特性,提出了一种新型的LDMOS-SCR ESD保护器件(M-ESD器件),理论分析表明,该器件内部忆阻器与寄生晶体管组成的系统能够有效地协同工作,在不增大芯片面积和不降低维持电压的情况下,使器件的失效电流增加,提高器件保护水平。     

CMOS集成电路中ESD保护技术研究

分析ESD失效的原因和失效模式,针对亚微米CMOS工艺对器件ESD保护能力的降低,从工艺、器件、电路三个层次对提高ESD保护能力的设计思路进行论述。工艺层次上通过增加ESD注入层和硅化物阻挡层实现ESD能力的提高;器件方面可针对电路的特点,选择合适的器件(如MOS,SCR,二极管及电阻)达到电路需要的ESD保护能力;电路方面采用栅耦和实现功能较强的ESD保护。     

NMOS器件ESD特性模拟

NMOS管I-V曲线在ESD(electrostatic discharges)脉冲电流作用下呈现出反转特性,其维持电压VH、维持电流IH、触发电压VB、触发电流IB以及二次击穿电流等参数将会影响NMOS管器件的抗ESD能力。文章通过采用SILVACO软件,对1.0μm工艺不同沟长和工艺条件的NMOS管静电放电时的峰值电场、晶格温度以及VH进行了模拟和分析。模拟发现,在ESD触发时,增加ESD注入工艺将使结峰值场强增强,VH减小、VB减小,晶格温度降低;器件沟长和触发电压VB具有明显正相关特性,但对VH基本无影响。最后分析认为NMOS管ESD失效主要表现为高电流引起的热失效,而电场击穿引起的介质失效是次要的。     

寄生电阻对高压器件ESD性能的影响

本文从理论上分析了衬底寄生电阻以及漏端镇流电阻对高压LDMOS器件ESD特性的影响。文中采用了多种结构对上述参数进行优化,并将其在0.35μm BCD工艺下进行试验,测试结果表明增加寄生电阻可以有效地提高器件的ESD泄放能力,最优结构的二次击穿电流由原始器件的0.75A增大到3.5A,即泄放电流增加了367%。     

基于3D仿真的LDMOS-SCR器件优化

为了提高内嵌可控硅(SCR)的横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS-SCR)器件应用于高压时的ESD防护性能,基于0.35 μm BCD工艺,在典型LDMOS-SCR(Dut1)基础上,制备了两种实验器件,即阳极环N+区的LDMOS-SCR(Dut2)和在阳极端引入漂移层的LDMOS-SCR(Dut3)。在ESD应力作用下,器件开启后的3D TCAD仿真结果表明,相比于Dut1,Dut2和Dut3的电流密度更小,Dut2和Dut3的导通电阻更大。传输线脉冲的测试结果表明,器件的维持电压分别从2.74 V增至8.41 V和16.20 V,Dut2、Dut3的品质因数较Dut1分别增大了1.96倍、3.52倍。该3D TCAD仿真及版图改进方法可为高压IC的ESD防护设计提供有益参考。     

变漂移区厚度SOI横向高压器件的优化设计

提出了一种耐压技术——横向变厚度VLT技术,以及基于此技术的一种高压器件结构——变厚度漂移区SOI横向高压器件,借助二维器件仿真器MEDICI,深入研究了该结构的耐压机理。结果表明,变厚度漂移区结构不但可以使横向击穿电压提高20%,纵向击穿电压提高10%,而且可以使漂移区掺杂浓度提高150%～200%,从而降低漂移区电阻,使器件优值提高40%以上。进一步研究表明,对于所研究的结构,采用一阶或二阶阶梯作为线性漂移区的近似,可以降低制造成本,并且不会导致器件性能的下降。     

用于高压ESD防护的高维持电流SCR器件

静电释放(ESD)是指电荷在两个电势不等的物体之间转移的物理现象,它存在于人们日常工作生活的任意环节。随着集成电路特征尺寸不断减小、集成度不断增高,芯片对ESD也变得越来越敏感。为了用尽可能小的版图面积来实现ESD防护,利用晶闸管结构(SCR)来实现集成电路的ESD防护已成为当下的研究热点。但传统SCR的维持电压和维持电流都很低,若直接将其应用于电源ESD防护则会导致严重的闩锁效应(latch-up)。基于高维持电流设计窗口,提出一种可用于15 V电路的抗闩锁SCR器件,并通过混合仿真验证了该器件的有效性。