新型抗總劑量輻照高壓LDMOS結構

　　馮垚榮（電子科技大學(xué)，四川 成都 610054）

　　摘?要：通過(guò)分析低壓MOS中存在的漏電路徑，針對高壓LDMOS面積大，最小寬長(cháng)比有限制的特點(diǎn)，提出了一種更加適用于高壓LDMOS的新型抗總劑量輻照結構。器件仿真結果顯示，新結構在實(shí)現500 krad(Si)的抗輻照能力，并且新結構不會(huì )增加面積消耗，與現有工藝完全兼容。

　　關(guān)鍵詞：總劑量效應；高壓LDMOS；抗輻照加固；輻射致漏電路徑

　　0 引言

　　LDMOS(橫向擴散金屬氧化物半導體)相比普通的MOSFET具有高耐壓、高增益等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應用于各種電源管理電路中。高壓LDMOS在芯片中要占到1/3更多的面積，所以說(shuō)LDMOS的性能好壞對于電源管理電路至關(guān)重要。在太空等特種應用環(huán)境中，高能粒子長(cháng)期作用于MOSFET會(huì )使其電特性發(fā)生改變，具體表現為閾值電壓漂移，關(guān)態(tài)漏電流增大，遷移率下降等性能退化。這些改變將顯著(zhù)影響電子設備的壽命，導致其功耗增大，甚至功能失效，這就是總劑量效應。由于電源電路功能的特殊性，無(wú)法像數字電路那樣，采用冗余設計的方法實(shí)現抗輻照功能，這就要求電路本身，尤其是LDMOS必須具備抗輻照的功能 ^[1] 。目前國內外對于LDMOS抗輻照設計的研究，特別是600 V以上的高壓LDMOS的研究還比較少，大多還停留在沿用低壓MOS抗輻照設計方案的階段 ^[2-3] 。

　　1 總劑量效應機理及輻照導致的寄生漏電路徑

　　1.1 總劑量效應的機理簡(jiǎn)介

　　總劑量效應是輻照致電路失效的一種長(cháng)期機制，它主要作用于MOSFET中的氧化物部分。其機理可以簡(jiǎn)述為：高能粒子的轟擊使MOSFET氧化層中產(chǎn)生電子-空穴對，由于電子與空穴遷移率的差異，在偏壓的作用下，電子很快就被掃出氧化層；而空穴則被緩慢的輸運到氧化物/體硅界面，輸運過(guò)程中空穴若被氧化物中的空穴陷阱俘獲就會(huì )形成氧化層陷阱電荷，隨著(zhù)輻照總劑量的增加，這些陷阱電荷的數量也越來(lái)越多，其最終的結果就是在氧化層內部以及氧化物/體硅界面產(chǎn)生凈的正電荷，導致MOSFET的閾值電壓漂移和關(guān)態(tài)漏電流增大 ^[4] ?？倓┝啃贛OSFET氧化層的體內和氧化物/體硅界面產(chǎn)生凈的正電荷，因此N型MOSFET對總劑量效應更為敏感，接下來(lái)都只討論NMOS中的總劑量效應。

　　1.2 普通低壓NMOS中的寄生漏電路徑與抗總劑量輻照設計

　　總劑量效應導致MOSFET閾值電壓漂移和關(guān)態(tài)漏電流增大，其本質(zhì)是氧化層固定正電荷積累到一定程度，使下方的p型層發(fā)生了反型，形成了無(wú)法關(guān)斷的寄生漏電通路，對于普通低壓NMOS，存在如圖1所示的兩種可能存在的漏電路徑。第一種源漏間的漏電路徑如圖1(a)的箭頭所示，它產(chǎn)生在MOSFET的有源區與場(chǎng)區交界的溝道處，固定電荷導致交界處的溝道反型，形成寄生溝道，當NMOS源漏有偏壓存在時(shí)，即使柵壓低于閾值電壓也會(huì )有電流產(chǎn)生；第二種晶體管間的漏電路徑如圖1(b)的箭頭所示，它產(chǎn)生在兩個(gè)晶體管之間，輻照使場(chǎng)氧失去了隔離作用，在NMOS的源/漏與PMOS的N阱之間形成了寄生導電路徑，PMOS的N阱一般固定接較高的電位，會(huì )使漏電一直存在 ^[4] 。

　　普通NMOS的抗總劑量設計普遍采用環(huán)柵版圖結構，環(huán)柵結構將導電溝道與場(chǎng)氧區完全分開(kāi)，因此完全避免了源漏間漏電通路的產(chǎn)生。環(huán)柵結構被證明有著(zhù)良好的抗總劑量效果 ^[5-7] ，但是環(huán)柵版圖設計也存在著(zhù)諸如器件面積大，寬長(cháng)比無(wú)法自由選取等缺點(diǎn)。

　　1.3 高壓LDMOS中的寄生漏電路徑

　　如圖2所示的是一種典型的高壓NLDMOS的剖面圖，比較圖1可以直觀(guān)地看出高壓LDMOS與傳統MOS的最大不同在于多出了一個(gè)漂移區的結構，這個(gè)結構主要起到提升器件耐壓的作用，而就是這個(gè)差異給高壓LDMOS的抗總劑量設計帶來(lái)了很大不同。高壓LDMOS在電路中要承受600 V甚至更高的電壓，所以漂移區面積必須做得很大，進(jìn)而導致高壓LDMOS的面積占到這個(gè)芯片面積的1/3以上。本身面積巨大，再改為環(huán)柵設計，所帶來(lái)的成本提升可能無(wú)法接受，我們將在后文中分析這個(gè)面積提升究竟有多大。

　　相比低壓MOS，高壓LDMOS還有兩點(diǎn)不同之處：一是LDMOS的柵氧要比低壓MOS厚，因此LDMOS的柵氧對總劑量效應更加敏感，但同時(shí)LDMOS的閾值也較低壓MOS高，因此可接受的閾值漂移的量也更大。對于要求較高的設計我們可以采用在柵氧生長(cháng)時(shí)摻氟等工藝來(lái)提升柵氧的抗總劑量能力 ^[8] 。二是高壓LDMOS并不存在上文所述的第二種漏電路徑，為了防止施加在LDMOS上的高壓對相鄰器件造成串擾，會(huì )在LDMOS的四周加上一圈P+隔離環(huán)，這個(gè)隔離環(huán)恰好也能起到杜絕管間漏電路徑產(chǎn)生的作用。通過(guò)以上的分析我們可知，高壓LDMOS本身的面積已經(jīng)很大，因此不適合采用傳統的環(huán)柵結構實(shí)現抗輻照功能，也不存在第二種漏電路徑，所以我們在設計使用與高壓LDMOS的抗輻照結構時(shí)，應該著(zhù)眼于消除源漏間的漏電通路。

　　1.4 新型抗總劑量輻照高壓LDMOS結構

　　根據前面所做的對比和分析，本文提出了一種新型抗總劑量輻照高壓LDMOS結構，在消除源漏間漏電通路的同時(shí)，相比原LDMOS結構面積沒(méi)有任何增加。圖3是新型抗總劑量輻照高壓LDMOS結構（以下簡(jiǎn)稱(chēng)新結構）與普通高壓LDMOS結構的對比圖，從圖中可以看到，新結構將傳統LDMOS的有源區和P-body的P+接觸向外延長(cháng)。向外延長(cháng)的有源區使得場(chǎng)氧遠離LDMOS的溝道區，多出的P+摻雜區域向外橫向擴散，使得同等輻照劑量下場(chǎng)氧下的襯底不發(fā)生反型，從而避免了源漏間漏電通路的產(chǎn)生。

　　表1列出了相同等效寬長(cháng)比條件下，傳統、環(huán)柵結構和新型結構高壓LDMOS的面積比較。三種結構的面積均是參考國內某高壓BCD工藝平臺的設計規則給出，其中環(huán)柵等效寬長(cháng)比計算用的是（W ₁ +W ₂ ）/2的公式 ^[9] ，從表中可以看出環(huán)柵結構的面積是其他兩種結構面積的7.5倍多，前面提到高壓LDMOS在芯片中占到芯片總面積的1/3以上，照這個(gè)比例估算，如果采用環(huán)柵結構，芯片面積會(huì )在傳統設計的基礎上增加218%，這會(huì )大大增加電路的成本，甚至可能導致芯片無(wú)法采用原本的封裝方案。反觀(guān)新結構就完全不存在這方面的問(wèn)題，新結構相比傳統LDMOS結構，面積完全沒(méi)有增加，而且不增加新的掩膜版，可以與現有的工藝完全兼容，不改變原有器件的耐壓結構，不會(huì )造成生產(chǎn)成本的增加。

　　2 新結構抗輻照能力仿真驗證

　　2.1 仿真策略

　　本文通過(guò)Synopsys公司的Sentaurus TCAD軟件對新結構的抗輻照功能進(jìn)行仿真驗證，使用軟件自帶的Insulator Fixed Charge模型，在材料交界面設置固定正電荷來(lái)模擬總劑量效應對MOSFET的作用，該仿真方法已經(jīng)被很多報道采用并驗證過(guò)其可行性 ^[10-11] 。要驗證新結構是否確實(shí)能夠消除源漏間漏電路徑，必須進(jìn)行3D仿真，3D仿真本身計算量很大，加之LDMOS相比普通MOS尺寸巨大，經(jīng)過(guò)多次嘗試發(fā)現無(wú)法同時(shí)對整個(gè)LDMOS總劑量仿真。最終只選取LDMOS中受輻照影響會(huì )產(chǎn)生漏電通路的關(guān)鍵部分來(lái)進(jìn)行仿真，如圖4所示的就是本文最終建立的LDMOS仿真模型，從剖面圖可以看到其仍然包含LDMOS的所有關(guān)鍵結構，因此不影響仿真結果的可信度。同樣出于減小計算量的考慮，我們只在圖4虛線(xiàn)框所示區域的Oxide/Si界面中加入固定電荷。固定電荷的密度參考文獻 ^[12] ，其通過(guò)將仿真結果與實(shí)驗對比得知，2.93×10¹²/cm ² 的固定正電荷密度相當于劑量為300 krad(Si)的γ射線(xiàn)輻照；3.26×10¹²/cm ²的固定正電荷密度相當于劑量500 krad(Si)的γ射線(xiàn)輻照。本文仿真時(shí)共設置了8個(gè)不同固定電荷面密度，其中3.5×10 ¹⁰ /cm ² 的密度用以表征器件出廠(chǎng)自帶的正電荷，即未受輻照的情況，然后從0.5×10 ¹² /cm ² 開(kāi)始，每隔0.5×10 ¹² /cm ² 的步長(cháng)進(jìn)行一次仿真，一直仿真到3.5×10 ¹² /cm ² 的面密度，確保仿真所施加的最大劑量高于500 krad(Si)，而且可以觀(guān)察隨著(zhù)劑量的增加，器件的性能是如何變化的。

　　2.2 仿真結果及分析

　　如圖5所示的是普通高壓LDMOS在不同電荷面密度下的轉移特性曲線(xiàn)的仿真結果，仿真施加的偏置條件為，Vds=0.1 V，Vb=Vs=0 V，Vg從-4 V掃描到10 V。從仿真結果我們可以看到隨著(zhù)電荷密度的增加，LDMOS的關(guān)態(tài)漏電流也隨之增加，而且閾值電壓也隨之發(fā)生負向漂移，這與我們之前提到的源漏間漏電通路會(huì )同時(shí)造成關(guān)態(tài)漏電流增加和閾值電壓漂移的推論一致。未經(jīng)輻照加固設計的高壓LDMOS對總劑量效應相當敏感，僅在1.0×10 ¹² /cm ² 的電荷密度就表現出了明顯的漏電流增加，可見(jiàn)未加固的LDMOS其抗輻照能力遠低于50 krad(Si)。而固定電荷密度增加到2.0×10 ¹² /cm ²以上時(shí)，關(guān)態(tài)漏電流幾乎已經(jīng)與開(kāi)態(tài)電流相當，此時(shí)器件已經(jīng)無(wú)法關(guān)閉完全失去功能。

　　如圖6所示的是本文提出的新型抗總劑量LDMOS在不同電荷面密度下的轉移特性曲線(xiàn)的仿真結果，仿真施加的偏置條件與普通LDMOS相同。從仿真結果我們可以看到，隨著(zhù)電荷密度的增加，LDMOS的關(guān)態(tài)漏電流沒(méi)有明顯變化，閾值電壓也沒(méi)有發(fā)生漂移，8條轉移特性曲線(xiàn)幾乎重合到了一起。說(shuō)明本文提出的新結構很好地消除了源漏間的漏電路徑，加入抗輻照設計之后，LDMOS的抗輻照能力達到了500 krad(Si)以上。

　　3 結論

　　本文結合對普通MOS總劑量效應的研究，分析了高壓LDMOS與普通MOS在抗輻照設計方面的差異，提出了一種更加適用于高壓LDMOS新型抗總劑量結構，相比環(huán)柵結構，其不增加器件版圖面積，不改變器件耐壓，寬長(cháng)比可以按照普通LDMOS的規則選取，而且與現有的工藝完全兼容。通過(guò)仿真驗證，新結構確實(shí)可以有效地消除LDMOS中的漏電路徑，實(shí)現 500 krad(Si)

　　以上的抗輻照能力。

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本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第11期第58頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。