徐申 張春偉 劉斯揚 王永平 孫偉鋒

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

橫向雙擴散場效應(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題.同時，為了實現(xiàn)高耐壓，其器件結(jié)構(gòu)相對于普通的CMOS器件更加復(fù)雜，因此其熱載流子退化效應(yīng)出現(xiàn)了新的退化機理.關(guān)于LDMOS器件的退化機理已經(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種競爭的退化機制(即鳥嘴區(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)力時間的增加呈先減小后增加的趨勢［7］.然而，作為功率開關(guān)器件，LDMOS器件實際工作在交流應(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).

本文將實驗和計算機輔助設(shè)計(technology computer aided design，TCAD)相結(jié)合，從宏觀參數(shù)退化和微觀機理分析2個角度對n-LDMOS器件的恢復(fù)現(xiàn)象進行研究，并針對熱載流子退化的2種主要機理分別進行了詳細(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)圖見圖1，該器件采用0.5 μm SOI-CMOS工藝制作.器件的主要參數(shù)如下:漂移區(qū)長度為12 μm，溝道區(qū)長度為2.5 μm，柵氧化層厚度為25 nm.該器件的閾值電壓為1.2 V，關(guān)態(tài)擊穿電壓為220 V.工作時最高的柵源電壓Vgs和漏源電壓Vds分別為10和150 V.

圖1 n-LDMOS器件剖面結(jié)構(gòu)圖

2 實驗與討論

2.1 動態(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，同時使退化更明顯以便看出退化趨勢，實驗條件選擇如下:源漏電壓Vds=160 V，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0 V，高電平電壓設(shè)置為器件產(chǎn)生最大襯底電流Isubmax時對應(yīng)的柵極電壓Vghigh，此處 Vghigh=1.5 V.同時，為了消除柵極脈沖瞬態(tài)效應(yīng)的影響，將脈沖上升時間tr和下降時間tf均設(shè)置為1 ms，脈沖周期T設(shè)置為4 s，故脈沖的上升、下降時間對于整個周期而言是可以忽略的.脈沖的高電平時間為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)力時間分別設(shè)置為14400，7200，4800 s，以保持有效應(yīng)力時間(高電平時間)相等，均為3600 s.Vgs=5 V，Vds=0.1 V時，3種不同動態(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.由于其高電平時間相同，且上升下降沿可以忽略，因此，退化量的差別來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)向開態(tài)變換的過程中，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，器件鳥嘴區(qū)表面縱向電場是有利于熱空穴注入的(見圖3，圖中負(fù)值表示電場方向由器件體內(nèi)指向表面).在縱向電場作用下，鳥嘴區(qū)熱空穴會注入氧化層，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，鳥嘴區(qū)的縱向電場變?yōu)檎?，阻礙熱空穴的注入，而有利于熱電子的注入.這時注入的熱電子會復(fù)合氧化層中注入的空穴，同時，注入的空穴在電場作用下也會退出氧化層，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)會引起n-LDMOS器件退化的恢復(fù).

圖3 器件表面縱向電場分布

為了進一步證實退陷阱效應(yīng)，進行了如下實驗:n-LDMOS器件先在Vgs=1.5 V，Vds=150 V的條件下進行第1階段的退化，持續(xù)3600 s后，再在Vgs=10 V，Vds=7 V的條件下進行第2階段的退化，同樣持續(xù)3600 s.器件導(dǎo)通電阻Ron的退化結(jié)果見圖 4.同時，在應(yīng)力時間 t=0，3600，7200 s時分別進行固定振幅改變基礎(chǔ)電壓Vbase的電荷泵(charge pumping，CP)實驗［9］，測試結(jié)果見圖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，這是因為鳥嘴區(qū)有熱空穴注入，注入的熱空穴會在鳥嘴區(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測試結(jié)果中得到證實.由圖5可知，t=3600 s時的CP測試曲線與t=0時的CP曲線相比，鳥嘴區(qū)的CP曲線明顯左移，說明鳥嘴區(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=3600 s時CP曲線明顯較t=0 s時CP曲線的電流值大，說明柵氧下的界面態(tài)數(shù)量明顯增加，這是引起圖4中Ron的退化率后來增加的主要原因.

圖5 不同應(yīng)力階段前后的CP曲線對比

由圖4還可以看出，第2應(yīng)力階段開始時導(dǎo)通電阻的退化速率明顯加快，而后很快趨于飽和.這是因為隨著應(yīng)力的變化，器件的退化點從鳥嘴區(qū)轉(zhuǎn)移到溝道區(qū)(見圖6).觀察圖5中對應(yīng)的第2應(yīng)力階段前后CP曲線的變化發(fā)現(xiàn)，對器件施加應(yīng)力后CP曲線的溝道區(qū)電流增大，說明在第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，觀察t=3600，7200 s時的CP曲線發(fā)現(xiàn)，鳥嘴區(qū)的CP曲線右移，但仍在t=0 s時刻鳥嘴區(qū)CP曲線的左邊，說明鳥嘴區(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，說明此過程中柵氧化層內(nèi)存在熱電子注入，使器件閾值增加，這與實際測試結(jié)果相吻合.由此可知，器件應(yīng)力變換期間確實發(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6 不同應(yīng)力條件時的碰撞電離分布圖

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，進行了應(yīng)力實驗.實驗中對器件施加3個階段連續(xù)應(yīng)力:第1階段為關(guān)態(tài)應(yīng)力，即Vgs=0 V，Vds=150 V；第2階段為產(chǎn)生最大襯底電流Isubmax條件下的應(yīng)力，即 Vgs=1.5 V，Vds=150 V；第3階段仍為關(guān)態(tài)應(yīng)力，即Vgs=0 V，Vds=150 V.圖7為Ron在整個應(yīng)力過程中的退化結(jié)果.由圖可知，在第1階段，關(guān)態(tài)應(yīng)力下器件基本沒有退化.第2階段是器件的正常退化過程，即開始時的退化由鳥嘴區(qū)的熱空穴注入占主導(dǎo)，器件導(dǎo)通電阻下降；隨著應(yīng)力時間的增加，熱空穴的注入逐漸達到飽和，退化由界面態(tài)的產(chǎn)生機制占主導(dǎo)，導(dǎo)通電阻逐漸增加，并最終趨于飽和.根據(jù)第1階段的實驗結(jié)果可知，關(guān)態(tài)應(yīng)力下器件是沒有退化的，故第3階段中導(dǎo)通電阻的變化來自于退化的恢復(fù)效應(yīng)［10］.

圖7 3個階段連續(xù)應(yīng)力條件下的Ron退化曲線

圖8為器件在3個連續(xù)應(yīng)力過程中不同階段應(yīng)力前后的CP測試結(jié)果.由圖可知，t=0，3600 s時的CP曲線完全重合，說明在此期間器件完全沒有退化.相比之下，t=7200 s時CP曲線的電流值明顯增大，且鳥嘴區(qū)和積累區(qū)的左邊界均左移，說明該階段有大量的界面態(tài)產(chǎn)生，并且在積累區(qū)和鳥嘴區(qū)有熱空穴注入.對比t=10800，7200 s時的CP曲線可以看出，各區(qū)域的電流都存在一定程度的下降，說明各處界面態(tài)的數(shù)量均減少.因此，在動態(tài)應(yīng)力作用下，當(dāng)器件處于關(guān)斷階段時，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個連續(xù)應(yīng)力過程中的CP曲線對比

3 結(jié)語

本文通過不同動態(tài)應(yīng)力條件下n-LDMOS器件的熱載流子退化實驗，證實其熱載流子退化具有嚴(yán)重的恢復(fù)效應(yīng).對器件施加不同應(yīng)力，根據(jù)不同應(yīng)力階段的器件退化機理來研究退化恢復(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)向開態(tài)變換的過程中，器件會由低柵壓高漏壓狀態(tài)向高柵壓低漏壓狀態(tài)轉(zhuǎn)換，此時鳥嘴區(qū)注入的熱空穴會產(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，退化產(chǎn)生的界面態(tài)復(fù)合，導(dǎo)致退化恢復(fù).該研究對工業(yè)應(yīng)用中n-LDMOS器件熱載流子壽命考核和動態(tài)應(yīng)力下壽命模型的建立具有一定的指導(dǎo)意義.

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