動(dòng)態(tài)應(yīng)力下功率n-LDMOS器件熱載流子退化恢復(fù)效應(yīng)

徐 申 張春偉 劉斯揚(yáng) 王永平 孫偉鋒

(東南大學(xué)國(guó)家專用集成電路系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心,南京 210096)

橫向雙擴(kuò)散場(chǎng)效應(yīng)晶體管(lateral diffused metal-oxide-semiconductor,LDMOS)能與普通CMOS工藝完全兼容,因而在功率集成電路領(lǐng)域得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用[1-2]．然而,LDMOS器件經(jīng)常應(yīng)用在高溫、高壓、大電流環(huán)境中,面臨著非常嚴(yán)重的熱載流子退化問(wèn)題．同時(shí),為了實(shí)現(xiàn)高耐壓,其器件結(jié)構(gòu)相對(duì)于普通的CMOS器件更加復(fù)雜,因此其熱載流子退化效應(yīng)出現(xiàn)了新的退化機(jī)理．關(guān)于LDMOS器件的退化機(jī)理已經(jīng)得到了研究者們的密切關(guān)注[3-5]．

目前,關(guān)于LDMOS器件熱載流子效應(yīng)的研究主要是在直流應(yīng)力條件下進(jìn)行的．在高柵壓低漏壓的應(yīng)力條件下,LDMOS器件的熱載流子效應(yīng)主要表現(xiàn)為源端柵氧化層的電荷注入導(dǎo)致器件的閾值電壓Vth發(fā)生漂移[6];在低柵壓高漏壓的應(yīng)力條件下,則主要表現(xiàn)為2種競(jìng)爭(zhēng)的退化機(jī)制(即鳥(niǎo)嘴區(qū)域的熱空穴注入和溝道區(qū)域的界面態(tài)產(chǎn)生),使得器件的導(dǎo)通電阻Ron隨著應(yīng)力時(shí)間的增加呈先減小后增加的趨勢(shì)[7]．然而,作為功率開(kāi)關(guān)器件,LDMOS器件實(shí)際工作在交流應(yīng)力狀態(tài)下,故交流應(yīng)力下的熱載流子退化研究更具有實(shí)際意義．交流應(yīng)力與直流應(yīng)力的區(qū)別在于,交流應(yīng)力下器件經(jīng)常處于應(yīng)力變化的狀態(tài)．

本文將實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(technology computer aided design,TCAD)相結(jié)合,從宏觀參數(shù)退化和微觀機(jī)理分析2個(gè)角度對(duì)n-LDMOS器件的恢復(fù)現(xiàn)象進(jìn)行研究,并針對(duì)熱載流子退化的2種主要機(jī)理分別進(jìn)行了詳細(xì)分析,為工業(yè)中n-LDMOS器件的熱載流子壽命考核和動(dòng)態(tài)應(yīng)力下壽命模型的建立提供了一定的理論指導(dǎo)．

1 器件結(jié)構(gòu)

本文所研究的n-LDMOS器件剖面結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1,該器件采用0.5μm SOI-CMOS工藝制作．器件的主要參數(shù)如下:漂移區(qū)長(zhǎng)度為12μm,溝道區(qū)長(zhǎng)度為2.5μm,柵氧化層厚度為25 nm．該器件的閾值電壓為1.2V,關(guān)態(tài)擊穿電壓為220 V．工作時(shí)最高的柵源電壓Vgs和漏源電壓Vds分別為10和150V．

圖1 n-LDMOS器件剖面結(jié)構(gòu)圖

2 實(shí)驗(yàn)與討論

2.1 動(dòng)態(tài)應(yīng)力中的恢復(fù)現(xiàn)象

器件在交流應(yīng)力下的退化是各種不同直流應(yīng)力下退化的復(fù)雜結(jié)合及綜合體現(xiàn).為了較真切地模擬交流動(dòng)態(tài)工作環(huán)境，突出影響器件退化恢復(fù)的最重要因素，同時(shí)使退化更明顯以便看出退化趨勢(shì)，實(shí)驗(yàn)條件選擇如下：源漏電壓Vds=160V,柵極輸入為方波脈沖,柵極方波脈沖的低電平電壓Vglow設(shè)置為0V,高電平電壓設(shè)置為器件產(chǎn)生最大襯底電流Isubmax時(shí)對(duì)應(yīng)的柵極電壓Vghigh,此處Vghigh=1.5V．同時(shí),為了消除柵極脈沖瞬態(tài)效應(yīng)的影響,將脈沖上升時(shí)間tr和下降時(shí)間tf均設(shè)置為1ms,脈沖周期T設(shè)置為4s,故脈沖的上升、下降時(shí)間對(duì)于整個(gè)周期而言是可以忽略的．脈沖的高電平時(shí)間為P.這3種應(yīng)力的柵脈沖占空比分別為25%,50%,75%,并將3種情況下的總應(yīng)力時(shí)間分別設(shè)置為14400,7200,4800s,以保持有效應(yīng)力時(shí)間(高電平時(shí)間)相等,均為3600s．Vgs=5V,Vds=0.1V時(shí),3種不同動(dòng)態(tài)應(yīng)力條件下n-LDMOS器件導(dǎo)通電阻Ron的退化結(jié)果見(jiàn)圖2．

圖2 器件導(dǎo)通電阻Ron的退化曲線

由圖2可知,占空比越高,器件的退化程度越嚴(yán)重．由于其高電平時(shí)間相同,且上升下降沿可以忽略,因此,退化量的差別來(lái)自于低電平期間的退化恢復(fù)效應(yīng)．由此表明,該器件在動(dòng)態(tài)應(yīng)力下的熱載流子退化具有嚴(yán)重的恢復(fù)現(xiàn)象,對(duì)退化量有不可忽略的作用．

2.2 注入空穴退陷阱效應(yīng)引起的恢復(fù)

n-LDMOS器件在由關(guān)態(tài)向開(kāi)態(tài)變換的過(guò)程中,主要處于低柵壓高漏壓及高柵壓低漏壓2種應(yīng)力條件下．當(dāng)應(yīng)力為低柵壓高漏壓時(shí),器件鳥(niǎo)嘴區(qū)表面縱向電場(chǎng)是有利于熱空穴注入的(見(jiàn)圖3,圖中負(fù)值表示電場(chǎng)方向由器件體內(nèi)指向表面)．在縱向電場(chǎng)作用下,鳥(niǎo)嘴區(qū)熱空穴會(huì)注入氧化層,引起熱載流子退化[8]．而當(dāng)器件工作在高柵壓低漏壓情況時(shí),鳥(niǎo)嘴區(qū)的縱向電場(chǎng)變?yōu)檎?阻礙熱空穴的注入,而有利于熱電子的注入．這時(shí)注入的熱電子會(huì)復(fù)合氧化層中注入的空穴,同時(shí),注入的空穴在電場(chǎng)作用下也會(huì)退出氧化層,導(dǎo)致注入空穴量減少,這種現(xiàn)象稱之為退陷阱效應(yīng)．顯然,這種退陷阱效應(yīng)會(huì)引起n-LDMOS器件退化的恢復(fù)．

為了進(jìn)一步證實(shí)退陷阱效應(yīng),進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn):n-LDMOS器件先在Vgs=1.5V,Vds=150V的

圖3 器件表面縱向電場(chǎng)分布

條件下進(jìn)行第1階段的退化,持續(xù)3600s后,再在Vgs=10V,Vds=7V的條件下進(jìn)行第2階段的退化,同樣持續(xù)3600s．器件導(dǎo)通電阻Ron的退化結(jié)果見(jiàn)圖4．同時(shí),在應(yīng)力時(shí)間t=0,3600,7200s時(shí)分別進(jìn)行固定振幅改變基礎(chǔ)電壓Vbase的電荷泵(charge pumping,CP)實(shí)驗(yàn)[9],測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖5．

圖4 不同應(yīng)力階段Ron的退化曲線

由圖4可知,在應(yīng)力初始階段,導(dǎo)通電阻降低,這是因?yàn)轼B(niǎo)嘴區(qū)有熱空穴注入,注入的熱空穴會(huì)在鳥(niǎo)嘴區(qū)下方感應(yīng)出電子,增加了該處的有效電子濃度,導(dǎo)致導(dǎo)通電阻下降．該結(jié)論也可從CP測(cè)試結(jié)果中得到證實(shí)．由圖5可知,t=3600s時(shí)的CP測(cè)試曲線與t=0時(shí)的CP曲線相比,鳥(niǎo)嘴區(qū)的CP曲線明顯左移,說(shuō)明鳥(niǎo)嘴區(qū)有熱空穴注入,使該處的平帶電壓下降．另外,還可以發(fā)現(xiàn),t=3600s時(shí)CP曲線明顯較t=0s時(shí)CP曲線的電流值大,說(shuō)明柵氧下的界面態(tài)數(shù)量明顯增加,這是引起圖4中Ron的退化率后來(lái)增加的主要原因．

由圖4還可以看出,第2應(yīng)力階段開(kāi)始時(shí)導(dǎo)通電阻的退化速率明顯加快,而后很快趨于飽和．這是因?yàn)殡S著應(yīng)力的變化,器件的退化點(diǎn)從鳥(niǎo)嘴區(qū)轉(zhuǎn)移到溝道區(qū)(見(jiàn)圖6)．觀察圖5中對(duì)應(yīng)的第2應(yīng)力階段前后CP曲線的變化發(fā)現(xiàn),對(duì)器件施加應(yīng)力后 CP曲線的溝道區(qū)電流增大,說(shuō)明在第2應(yīng)力階段中,溝道區(qū)內(nèi)產(chǎn)生了新的界面態(tài),這與圖4所示的電阻增加結(jié)果相符．同時(shí),觀察t=3600，7200s時(shí)的CP曲線發(fā)現(xiàn),鳥(niǎo)嘴區(qū)的CP曲線右移,但仍在t=0s時(shí)刻鳥(niǎo)嘴區(qū)CP曲線的左邊,說(shuō)明鳥(niǎo)嘴區(qū)注入的熱空穴量減少,即發(fā)生了退陷阱效應(yīng)．此外,第2應(yīng)力階段后溝道區(qū)的CP曲線右移,說(shuō)明此過(guò)程中柵氧化層內(nèi)存在熱電子注入,使器件閾值增加,這與實(shí)際測(cè)試結(jié)果相吻合．由此可知,器件應(yīng)力變換期間確實(shí)發(fā)生了熱空穴的退陷阱效應(yīng),器件出現(xiàn)了退化恢復(fù)現(xiàn)象．

圖5 不同應(yīng)力階段前后的CP曲線對(duì)比

圖6 不同應(yīng)力條件時(shí)的碰撞電離分布圖

2.3 界面態(tài)復(fù)合引起的恢復(fù)

為了研究n-LDMOS器件在關(guān)態(tài)應(yīng)力下的退化恢復(fù)現(xiàn)象,進(jìn)行了應(yīng)力實(shí)驗(yàn)．實(shí)驗(yàn)中對(duì)器件施加3個(gè)階段連續(xù)應(yīng)力:第1階段為關(guān)態(tài)應(yīng)力,即Vgs=0V,Vds=150V;第2階段為產(chǎn)生最大襯底電流Isubmax條件下的應(yīng)力,即Vgs=1.5V,Vds=150V;第3階段仍為關(guān)態(tài)應(yīng)力,即Vgs=0V,Vds=150V．圖7為Ron在整個(gè)應(yīng)力過(guò)程中的退化結(jié)果．由圖可知,在第1階段,關(guān)態(tài)應(yīng)力下器件基本沒(méi)有退化．第2階段是器件的正常退化過(guò)程,即開(kāi)始時(shí)的退化由鳥(niǎo)嘴區(qū)的熱空穴注入占主導(dǎo),器件導(dǎo)通電阻下降;隨著應(yīng)力時(shí)間的增加,熱空穴的注入逐漸達(dá)到飽和,退化由界面態(tài)的產(chǎn)生機(jī)制占主導(dǎo),導(dǎo)通電阻逐漸增加,并最終趨于飽和．根據(jù)第1階段的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,關(guān)態(tài)應(yīng)力下器件是沒(méi)有退化的,故第3階段中導(dǎo)通電阻的變化來(lái)自于退化的恢復(fù)效應(yīng)[10]．

圖7 3個(gè)階段連續(xù)應(yīng)力條件下的Ron退化曲線

圖8為器件在3個(gè)連續(xù)應(yīng)力過(guò)程中不同階段應(yīng)力前后的CP測(cè)試結(jié)果.由圖可知,t=0,3600s時(shí)的CP曲線完全重合,說(shuō)明在此期間器件完全沒(méi)有退化．相比之下,t=7200s時(shí)CP曲線的電流值明顯增大,且鳥(niǎo)嘴區(qū)和積累區(qū)的左邊界均左移,說(shuō)明該階段有大量的界面態(tài)產(chǎn)生,并且在積累區(qū)和鳥(niǎo)嘴區(qū)有熱空穴注入．對(duì)比t=10800，7200s時(shí)的CP曲線可以看出,各區(qū)域的電流都存在一定程度的下降,說(shuō)明各處界面態(tài)的數(shù)量均減少．因此,在動(dòng)態(tài)應(yīng)力作用下,當(dāng)器件處于關(guān)斷階段時(shí),器件已產(chǎn)生的界面態(tài)存在一定程度的復(fù)合,導(dǎo)致器件退化恢復(fù)．

圖8 3個(gè)連續(xù)應(yīng)力過(guò)程中的CP曲線對(duì)比

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)不同動(dòng)態(tài)應(yīng)力條件下n-LDMOS器件的熱載流子退化實(shí)驗(yàn),證實(shí)其熱載流子退化具有嚴(yán)重的恢復(fù)效應(yīng)．對(duì)器件施加不同應(yīng)力,根據(jù)不同應(yīng)力階段的器件退化機(jī)理來(lái)研究退化恢復(fù)現(xiàn)象．研究結(jié)果表明,n-LDMOS器件熱載流子效應(yīng)中的2種機(jī)理都存在明顯的退化恢復(fù)現(xiàn)象．在器件由關(guān)態(tài)向開(kāi)態(tài)變換的過(guò)程中,器件會(huì)由低柵壓高漏壓狀態(tài)向高柵壓低漏壓狀態(tài)轉(zhuǎn)換,此時(shí)鳥(niǎo)嘴區(qū)注入的熱空穴會(huì)產(chǎn)生退陷阱效應(yīng),引起退化恢復(fù)．當(dāng)器件處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí),退化產(chǎn)生的界面態(tài)復(fù)合,導(dǎo)致退化恢復(fù)．該研究對(duì)工業(yè)應(yīng)用中n-LDMOS器件熱載流子壽命考核和動(dòng)態(tài)應(yīng)力下壽命模型的建立具有一定的指導(dǎo)意義．

)

[1] Gruner D,Sorge R,Bengtsson O,et al. Analysis,design,and evaluation of LDMOS FETs for RF power applications up to 6 GHz[J].IEEETransactionsonMicrowaveTheoryandTechniques,2010,58(12): 4022-4030.

[2] Faccio F,Allongue B,Blanchot G,et al. TID and displacement damage effects in vertical and lateral power MOSFETs for integrated DC-DC converters[J].IEEETransactionsonNuclearScience,2010,57(4): 1790-1797.

[3] Chevaux N,Souza D. Comparative analysis of VDMOS/LDMOS power transistors for RF amplifiers[J].IEEETransactionsonMicrowaveTheoryandTechniques,2009,57(11):2643-2651.

[4] Chen J F,Tian K S,Chen S Y.Mechanisms of hot-carrier-induced threshold-voltage shift in high-voltage P-type LDMOS transistor[J].IEEETransactionsonElectronDevices,2009,56(12): 3203-3205.

[5] Hu C,Tam S C,Hsu F C,et al. Hot-electron-induced MOSFET degradation model,monitor and improvement[J].IEEETransactionsonElectronDevice,1985,32(5): 375-384.

[6] Moens P,Mertens J,Bauwens F,et al.A comprehensive model for hot-carrier degradation in LDMOS transistors[C]//Proceedingsofthe45thIEEEAnnualInternationalReliabilityPhysicsSymposium. Phoenix,Arizona,USA,2007:492-497.

[7] Sun Weifeng,Wu Hong,Shi Longxing,et al,On-resistance degradations for different stress conditions in high-voltage pLEDMOS transistor with thick gate oxide[J].IEEEElectronDeviceLetters,2007,28(7): 631-634.

[8] Moens P,van den Bosch G,Tack M. Hole trapping and de-trapping effects in LDMOS devices under dynamic stress [C]//Proceedingsof2006InternationalElectronDevicesMeeting. San Francisco,CA,USA,2006:1-4.

[9] Chang C C,Lin J F,Wang T,et al. Physics and characterization of various hot-carrier degradation modes in LDMOS by using a three-region charge-pumping technique [J].IEEETransactionsonElectronDeviceandMaterialsReliability,2006,6(3): 358-363.

[10] Chen J F,Wu K M,Lin K W,et al. Hot-carrier reliability in submicrometer 40V LDMOS transistors with thick gate oxide[C]//Proceedingsofthe43rdIEEEAnnualInternationalReliabilityPhysicsSymposium. Phoenix,Arizona,USA,2005： 560-564.