徐 申 張春偉 劉斯揚 王永平 孫偉鋒

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

橫向雙擴散場效應晶體管(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域得到了迅速發(fā)展和廣泛應用[1-2]．然而,LDMOS器件經(jīng)常應用在高溫、高壓、大電流環(huán)境中,面臨著非常嚴重的熱載流子退化問題．同時,為了實現(xiàn)高耐壓,其器件結構相對于普通的CMOS器件更加復雜,因此其熱載流子退化效應出現(xiàn)了新的退化機理．關于LDMOS器件的退化機理已經(jīng)得到了研究者們的密切關注[3-5]．

目前,關于LDMOS器件熱載流子效應的研究主要是在直流應力條件下進行的．在高柵壓低漏壓的應力條件下,LDMOS器件的熱載流子效應主要表現(xiàn)為源端柵氧化層的電荷注入導致器件的閾值電壓Vth發(fā)生漂移[6];在低柵壓高漏壓的應力條件下,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),使得器件的導通電阻Ron隨著應力時間的增加呈先減小后增加的趨勢[7]．然而,作為功率開關器件,LDMOS器件實際工作在交流應力狀態(tài)下,故交流應力下的熱載流子退化研究更具有實際意義．交流應力與直流應力的區(qū)別在于,交流應力下器件經(jīng)常處于應力變化的狀態(tài)．

本文將實驗和計算機輔助設計(technology computer aided design,TCAD)相結合,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)應力下壽命模型的建立提供了一定的理論指導．

1 器件結構

本文所研究的n-LDMOS器件剖面結構圖見圖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)長度為12μm,溝道區(qū)長度為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150V．

圖1 n-LDMOS器件剖面結構圖

2 實驗與討論

2.1 動態(tài)應力中的恢復現(xiàn)象

器件在交流應力下的退化是各種不同直流應力下退化的復雜結合及綜合體現(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=160V,柵極輸入為方波脈沖,柵極方波脈沖的低電平電壓Vglow設置為0V,高電平電壓設置為器件產(chǎn)生最大襯底電流Isubmax時對應的柵極電壓Vghigh,此處Vghigh=1.5V．同時,為了消除柵極脈沖瞬態(tài)效應的影響,將脈沖上升時間tr和下降時間tf均設置為1ms,脈沖周期T設置為4s,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種應力的柵脈沖占空比分別為25%,50%,75%,并將3種情況下的總應力時間分別設置為14400,7200,4800s,以保持有效應力時間(高電平時間)相等,均為3600s．Vgs=5V,Vds=0.1V時,3種不同動態(tài)應力條件下n-LDMOS器件導通電阻Ron的退化結果見圖2．

圖2 器件導通電阻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效應．由此表明,該器件在動態(tài)應力下的熱載流子退化具有嚴重的恢復現(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引起的恢復

n-LDMOS器件在由關態(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種應力條件下．當應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,圖中負值表示電場方向由器件體內指向表面)．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,導致注入空穴量減少,這種現(xiàn)象稱之為退陷阱效應．顯然,這種退陷阱效應會引起n-LDMOS器件退化的恢復．

為了進一步證實退陷阱效應,進行了如下實驗:n-LDMOS器件先在Vgs=1.5V,Vds=150V的

圖3 器件表面縱向電場分布

條件下進行第1階段的退化,持續(xù)3600s后,再在Vgs=10V,Vds=7V的條件下進行第2階段的退化,同樣持續(xù)3600s．器件導通電阻Ron的退化結果見圖4．同時,在應力時間t=0,3600,7200s時分別進行固定振幅改變基礎電壓Vbase的電荷泵(charge pumping,CP)實驗[9],測試結果見圖5．

圖4 不同應力階段Ron的退化曲線

由圖4可知,在應力初始階段,導通電阻降低,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)下方感應出電子,增加了該處的有效電子濃度,導致導通電阻下降．該結論也可從CP測試結果中得到證實．由圖5可知,t=3600s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=3600s時CP曲線明顯較t=0s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．

由圖4還可以看出,第2應力階段開始時導通電阻的退化速率明顯加快,而后很快趨于飽和．這是因為隨著應力的變化,器件的退化點從鳥嘴區(qū)轉移到溝道區(qū)(見圖6)．觀察圖5中對應的第2應力階段前后CP曲線的變化發(fā)現(xiàn),對器件施加應力后 CP曲線的溝道區(qū)電流增大,說明在第2應力階段中,溝道區(qū)內產(chǎn)生了新的界面態(tài),這與圖4所示的電阻增加結果相符．同時,觀察t=3600，7200s時的CP曲線發(fā)現(xiàn),鳥嘴區(qū)的CP曲線右移,但仍在t=0s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．此外,第2應力階段后溝道區(qū)的CP曲線右移,說明此過程中柵氧化層內存在熱電子注入,使器件閾值增加,這與實際測試結果相吻合．由此可知,器件應力變換期間確實發(fā)生了熱空穴的退陷阱效應,器件出現(xiàn)了退化恢復現(xiàn)象．

圖5 不同應力階段前后的CP曲線對比

圖6 不同應力條件時的碰撞電離分布圖

2.3 界面態(tài)復合引起的恢復

為了研究n-LDMOS器件在關態(tài)應力下的退化恢復現(xiàn)象,進行了應力實驗．實驗中對器件施加3個階段連續(xù)應力:第1階段為關態(tài)應力,即Vgs=0V,Vds=150V;第2階段為產(chǎn)生最大襯底電流Isubmax條件下的應力,即Vgs=1.5V,Vds=150V;第3階段仍為關態(tài)應力,即Vgs=0V,Vds=150V．圖7為Ron在整個應力過程中的退化結果．由圖可知,在第1階段,關態(tài)應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,器件導通電阻下降;隨著應力時間的增加,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,導通電阻逐漸增加,并最終趨于飽和．根據(jù)第1階段的實驗結果可知,關態(tài)應力下器件是沒有退化的,故第3階段中導通電阻的變化來自于退化的恢復效應[10]．

圖7 3個階段連續(xù)應力條件下的Ron退化曲線

圖8為器件在3個連續(xù)應力過程中不同階段應力前后的CP測試結果.由圖可知,t=0,3600s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=7200s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=10800，7200s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)應力作用下,當器件處于關斷階段時,器件已產(chǎn)生的界面態(tài)存在一定程度的復合,導致器件退化恢復．

圖8 3個連續(xù)應力過程中的CP曲線對比

3 結語

本文通過不同動態(tài)應力條件下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重的恢復效應．對器件施加不同應力,根據(jù)不同應力階段的器件退化機理來研究退化恢復現(xiàn)象．研究結果表明,n-LDMOS器件熱載流子效應中的2種機理都存在明顯的退化恢復現(xiàn)象．在器件由關態(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)轉換,此時鳥嘴區(qū)注入的熱空穴會產(chǎn)生退陷阱效應,引起退化恢復．當器件處于關斷狀態(tài)時,退化產(chǎn)生的界面態(tài)復合,導致退化恢復．該研究對工業(yè)應用中n-LDMOS器件熱載流子壽命考核和動態(tài)應力下壽命模型的建立具有一定的指導意義．

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