30 V NLDMOS結(jié)構(gòu)優(yōu)化及SEB能力提高

李燕妃，吳建偉，顧 祥，洪根深

（中國電子科技集團公司第五十八研究所，江蘇無錫 214072）

1 引言

由于現(xiàn)代功率電子電路要求低輸出電壓和高開關(guān)頻率，對于功率MOSFET器件已經(jīng)有了新的需求。相比低壓集成電路，功率MOSFET器件由于工作電壓更高，具有更大的感性負載和容性負載，因此更易發(fā)生單粒子效應(yīng)[1-3]。對于功率器件而言，最為關(guān)注的單粒子效應(yīng)是單粒子燒毀（Single Event Burnout,SEB）[4-7]和單粒子?xùn)糯⊿ingle Event Gate Rupture,SEGR）[8-10]。單粒子燒毀效應(yīng)與重離子輻照相關(guān)，當離子入射到功率MOS器件中時產(chǎn)生大量的電子空穴對，在漂移和擴散效應(yīng)的雙重作用下形成瞬態(tài)電流，瞬態(tài)電流在阱電阻上的壓降增加到一定值時，使得寄生NPN三極管導(dǎo)通，負反饋作用使源漏短路，導(dǎo)致器件燒毀。

本文設(shè)計一種抗輻射加固30 V N型LDMOS器件，基于TCAD仿真軟件研究器件的單粒子燒毀效應(yīng)，采用工藝設(shè)計和版圖設(shè)計使器件抗單粒子燒毀能力達到 100 MeV·cm2/mg。

2 抗輻射NLDMOS器件

圖1所示是抗輻射加固N型LDMOS器件結(jié)構(gòu)示意圖。器件采用P+襯底上的P型輕摻雜外延層結(jié)構(gòu)設(shè)計，此結(jié)構(gòu)可以保證快速抽取PN結(jié)產(chǎn)生的光電流，另一方面P+襯底可以幫助復(fù)合重離子入射產(chǎn)生大量電荷，幾乎所有淀積在P+襯底上的電子在進入器件敏感區(qū)之前會被復(fù)合，從而避免寄生NPN三極管開啟。TEPI是P型外延層的厚度。LD代表了器件漂移區(qū)LDD的長度，其是多晶柵與N+源漏之間的橫向距離，主要用于承受器件耐壓。當LD太小時，關(guān)態(tài)情況下器件快速耗盡，擊穿電壓下降，當LD過大時導(dǎo)致LDD區(qū)電阻增大，芯片版圖面積增加。LG是器件多晶長度，其大小取決于光刻工藝，LG影響器件大量的電學(xué)特性，包括導(dǎo)通電阻、飽和電流、跨導(dǎo)和擊穿電壓等，這個尺寸也影響了器件寄生NPN三極管的電流增益。

圖1 抗輻射加固NLDMOS器件結(jié)構(gòu)示意圖

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計及仿真研究

LDMOS器件結(jié)構(gòu)設(shè)計時，一方面考慮器件的常態(tài)特性，另一方面要保證器件的抗單粒子燒毀能力。SEB效應(yīng)采用重離子輻照模型，特征半徑100 nm，重離子產(chǎn)生的電子-空穴對濃度的時間分布和沿軌跡方向的空間分布為高斯分布。重離子垂直入射漏電極，入射時間為 50 ps。仿真中，BV、Ron,sp、VD、ID和 LET 分別代表擊穿電壓、比導(dǎo)通電阻、漏電壓、漏電流和線性傳輸能。

3.1 外延層對器件特性的影響

如圖2是LDMOS器件的擊穿電壓和導(dǎo)通電阻隨著外延層厚度TEPI的變化情況。當外延層厚度只有1.0 μm時，器件的擊穿電壓不到30 V，這是因為外延層厚度太薄，導(dǎo)致關(guān)態(tài)情況下器件的縱向擊穿耐壓不夠。隨著外延層厚度的增加，縱向擊穿耐壓足夠，器件的擊穿電壓主要由橫向擊穿電壓決定，因此幾乎不再隨外延層厚度發(fā)生變化。高壓器件中，比導(dǎo)通電阻主要由溝道電阻和漂移區(qū)電阻決定，因此幾乎不隨著外延層厚度變化而變化，在10 mΩ·mm2左右。

圖2 擊穿電壓和比導(dǎo)通電阻隨TEPI的變化情況

圖3是LDMOS器件的抗SEB閾值電壓和漏極收集電流隨著外延層厚度的變化情況，LET=100 MeV·cm2/mg、LD=1.0 μm。外延層厚度較薄時，在關(guān)態(tài)情況下外延層內(nèi)電場較厚外延層更大，重離子轟擊下襯底收集的電流更大，從而導(dǎo)致器件基區(qū)電流增加，觸發(fā)寄生三極管開啟，因此器件的抗單粒子燒毀閾值較低。當外延層厚度繼續(xù)增加時，重離子轟擊的敏感區(qū)域增大，使得器件容易發(fā)生單粒子燒毀。兩種機制作用下，當TEPI≥3 μm時，器件的工作電壓達到30 V左右，而敏感區(qū)產(chǎn)生的瞬態(tài)峰值電流則隨著外延厚度的增加而增加。因此本文設(shè)計的LDMOS器件外延層厚度選擇3 μm。

圖3 器件的SEB能力隨TEPI的變化情況

3.2 漂移區(qū)設(shè)計仿真

圖4是LDMOS器件的擊穿電壓和導(dǎo)通電阻隨漂移區(qū)LDD濃度NLDD的變化情況。NLDD較低時，器件的擊穿電壓較高，這是因為較低的摻雜濃度可以保證LDD在關(guān)態(tài)情況下發(fā)生全耗盡。當NLDD達到9×1016cm-3時，器件的擊穿電壓達到最大。隨著NLDD的繼續(xù)增加，器件柵邊緣的電場峰值較高，在LDD全耗盡前發(fā)生雪崩擊穿，導(dǎo)致器件的擊穿電壓降低。然而，器件的比導(dǎo)通電阻隨著LDD濃度的增加一直降低，這是因為漂移區(qū)的導(dǎo)通電阻隨著LDD濃度增加而降低。

圖4 BV和Ron,sp隨LDD濃度變化關(guān)系

如圖5所示為器件擊穿電壓和導(dǎo)通電阻隨著LDD的長度LD變化的情況。在全耗盡情況下，隨著LD的增加，器件的擊穿電壓在開始時增加較為明顯，當LD＞1.0 μm時，擊穿電壓增加較為緩慢。器件的導(dǎo)通電阻隨著LD增加而增加，這是因為載流子在LDD區(qū)的導(dǎo)通路徑變長，LDD區(qū)的導(dǎo)通電阻增加。當LD＞1.0 μm時，比導(dǎo)通電阻增加速度加快。

圖5 BV和Ron,sp隨LD變化關(guān)系

如圖6所示，當LD=0.8 μm時，器件在100 MeV·cm2/mg重離子輻射下，工作電壓只有27 V。當LD≥1.0 μm時，其工作電壓達到30 V；隨著漂移區(qū)長度的增加，器件的抗單粒子燒毀能力增加。這是因為，隨著LD的增加，LDMOS器件的寄生三極管集電區(qū)電阻增加，集電區(qū)收集效率降低，寄生三極管的放大增益減小。另一方面，隨著漂移區(qū)長度的增加，器件的擊穿電壓提高，同電壓下漂移區(qū)的電場強度降低。

圖6 器件SEB能力隨LD的變化情況

3.3 PBL結(jié)構(gòu)對SEB的影響

圖7(a)和(b)分別是無埋層和有埋層結(jié)構(gòu)在重離子入射后電流隨時間的變化情況，重離子入射能量LET=85 MeV·cm2/mg，入射時間t0=50 ps。重離子入射前，由于器件處于關(guān)態(tài)，器件內(nèi)部沒有電流，重離子入射后，沿著入射徑跡上產(chǎn)生電子空穴對，漏極電場使得電子空穴對分離，電子迅速被漏極抽走，而入射到襯底上的空穴則被襯底電極吸收，因此在漏極和襯底上產(chǎn)生兩個電流峰值，此時源極沒有電流。如圖7(a)所示，對于無埋層結(jié)構(gòu)，體區(qū)高阻導(dǎo)致空穴遷移率較低并堆積在體區(qū)，使得體電位提高，寄生三極管開啟，襯底電流降低，而源區(qū)電流在NPN三極管放大增益下迅速增加，并維持在145 mA/μm，最終導(dǎo)致器件發(fā)生燒毀。如圖7(b)所示，通過在體區(qū)增加埋層PBL結(jié)構(gòu)，快速抽走體區(qū)堆積的空穴，抑制了寄生三極管的開啟，10 ns時器件的電流恢復(fù)到初始狀態(tài)。

圖7 重離子入射后電流隨時間變化情況

圖8所示是無埋層和有埋層LDMOS器件的SEB特性。當重離子入射能量LET為10 MeV·cm2/mg時，無埋層器件的工作電壓是13.5 V，不到擊穿電壓的一半，隨著LET的增加，器件的安全工作電壓逐漸減小，當重離子能量LET為100 MeV·cm2/mg時，該器件的工作電壓為5.5 V，幾乎只有擊穿電壓的1/6。這是因為LDMOS器件的寄生NPN三極管的基區(qū)濃度較低，體電阻較大，當重離子入射時空穴在體區(qū)產(chǎn)生的電壓降導(dǎo)致NPN三極管正向開啟，從而導(dǎo)致功率器件燒毀。本文通過P型埋層結(jié)構(gòu)設(shè)計，降低寄生管基區(qū)電阻，抑制LDMOS器件的寄生NPN三極管開啟，器件的SEB安全工作電壓提高到30 V，相比無埋層結(jié)構(gòu)提高了5.45倍，可見本文設(shè)計的結(jié)構(gòu)大大提高了LDMOS器件的抗SEB能力。當VD=30 V時，漏電極的峰值電流隨著LET的能量逐漸增加而增加。

圖9(a)是LDMOS器件的柵電荷測試電路，其中器件的溝道寬度為100 μm，工作電壓VDD=24 V，漏極電流ID=15 mA。圖9(b)是LDMOS器件的柵電壓VG隨柵電荷QG的變化情況。在VG為5 V和10 V時，商用器件柵電荷分別為0.47 pC和0.93 pC，抗輻射加固LDMOS器件的柵電荷分別為0.68 pC和1.43 pC。由圖9(b)可見，抗輻射加固器件較商用器件導(dǎo)通電阻有所增加，商用的30 V LDMOS器件比導(dǎo)通電阻只有7.81 mΩ·mm2，相比而言，本文設(shè)計的結(jié)構(gòu)比導(dǎo)通電阻增加了約29%。雖然，抗輻射加固LDMOS器件的電學(xué)性能比商用器件有所減弱，但其具有更高的抗單粒子燒毀能力。

圖8 不同結(jié)構(gòu)NLDMOS的SEB特性

圖9 柵極電壓隨柵電荷的變化情況

根據(jù)上面的模擬結(jié)果，最終器件設(shè)計尺寸為：LG=0.8 μm，LD=1.0 μm，TEPI=3 μm。圖 10 所示是器件的擊穿特性曲線以及擊穿時器件內(nèi)部的電場分布情況。由圖10可見，擊穿時電勢在多晶邊緣及LDD/N+結(jié)集中，較大的峰值電場導(dǎo)致器件內(nèi)部載流子發(fā)生碰撞電離，當碰撞電離率足夠高時，器件發(fā)生擊穿，此時器件的擊穿電壓為34.6V，比導(dǎo)通電阻只有10.04mΩ·mm2。

圖10 器件的擊穿特性曲線及電場分布情況

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種抗輻射加固NLDMOS器件，基于TCAD仿真軟件進行模擬器件的電學(xué)特性和單粒子燒毀效應(yīng)研究。通過設(shè)計外延層和漂移區(qū)參數(shù)，可以獲得擊穿電壓34.6 V、比導(dǎo)通電阻10.04 mΩ·mm2的NLDMOS器件。經(jīng)重離子模擬發(fā)現(xiàn)，外延層、漂移區(qū)和工作電壓對NDLMOS器件的SEB特性影響較大，同時采用埋層結(jié)構(gòu)大大提高了器件的抗單粒子燒毀能力，在100 MeV·cm2/mg重離子入射情況下，器件的工作電壓從5.5 V提高到30 V。