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1、2012-07H-o1t 9C#ar#r#ie#r #In#je#c#t io#n#E#f#f e#ct2A0n1a2ly-si0s 7an-d1O9p#t#im#iz#a#t i#2on#0f#1o2r -N02L7D-M1O9S#3#W A N G W e n2bo1 , S O N G L i2m ei 1 , W A N G X i ao2h u i 1 , D U H u a n1 , S U N Gui2p e n g 21 . I nst i t ute o f M ic roelect roni cs o f Chi nese A ca de m y o f S ciences
2、 , B ei j i n g 100029 , Chi na ;2 . H V P rocess De p a rt ment , Dev ice Devel o p ment De p a rt ment , Rel i abi l i t y/ Fai l u re A nal y sis L ab CS M C , W u x i J i an gs u 214000 , Chi naAbstract : H C I ( Ho t Ca r rier Injectio n) eff ect of N2L DMO S device i s st udied . Mecha ni sm o
3、f ho w t he H CIeff ect co me s i nto bei ng , eff ect o n t he p erfo r ma nce a nd relia bilit y of t he device a re a nal yzed a nd met ho d s to i mp ro ve H C I eff ect a re p ropo sed . To dep re ss H C I eff ect , we si mulat e t he N2L DMO S hi gh volt a ge p roce ss wit h ISA off e red by C
4、SM C a nd a dj u st device st r uct ure acco r di ng to t he si mulatio n re sult . By le ngt he ni ng fiel d p lat e , drif t re gio n a nd N _ well o ve rlap o n active regio n , we o b ser ve t hat unde r t he sa me st re ss , t he su b st rat e c ur re nt Isub t hat rep re se nt s t he H C I eff
5、 ect f all s to 1/ 10 of t hat befo re op ti mizatio n . H CI eff ect i s great l y i mp ro ved.Key words :L DMO S ; H C I ( ho t ca r rier i njectio n) ; relia bilit yEEACC :2550N2LDMOS 热载流子注入效应的分析和优化 3王文博1 ,宋李梅1 ,王晓慧1 ,杜1 . 中国科学院微电子研究所 ,北京 100029 ;寰1 ,孙贵鹏22 . HV 工艺开发课 ,器件开发课 ,可靠性/ 失效分析实验室 ( CSMC)
6、,江苏 无锡 214000摘 要 :研究了一种 N2L DMO S 器件的热载流子注入效应 , 分析了热载流子效应产生的机理 、对器件性能以及可靠性的影响 ,提出了改进方法 . 为了降低此器件的热载流子注入效应 ,我们利用华润上华公司提供的 IS E 软件对 N2L DMO S 高压工艺 进行模拟 ,根据模拟结果调整了器件结构 ,通过增大器件的场板长度 、漂移区长度以及增加 N 阱与有源区的交叠长度等措施 , 使得相同偏置条件下 ,表征热载流子注入强度的物理量 器件衬底电流降为改进前的 1/ 10 ,显著改善了该器件的热载流子注入效应 .关键词 :L DMO S ;热载流子注入 ;可靠性文章编
7、号 :100529490( 2007) 0421129204中图分类号 :TN405文献标识码 :A功率集成电路和平板驱动电路中经常要用到高压 L DMO S (L at e ral Diff u sio n MO S) 器件. L DMO S 器件由于其较高的工作电压和电场 ,其热载流子注 入效应相对也比较显著. 热载流子注入效应改变了 氧化层中电荷的分布 ,引起器件参数的退化 ,大大降 低了器件的可靠性和工作寿命 .半导体材料中的热载流子一般是指具有比热平 衡状态下的载流子高得多的动能的那些载流子 ( 电 子和空穴) . 在非平衡状态下 ,因为电流的流动 ,载流子可以获得比平衡状态下高得多
8、的活动的能量. 当载流子在一个大的电场下运 动 , 例 如 MO SF E T 中 电子沿着沟道方向运动 ,在很短的距离内 ,电子的动 能快速上升 . 被加速的电子的动能可以用表达式 E- Ec = k T e k T 表示 ,其中 Te 称为有效温度. 即使 器件本身温度为室温 ,有效温度却可以比室温 T 高很多 ,因为这一点 ,我们称之为 热 载流子 1 .N MO S 晶体管中沟道区域的电子由源 到漏 的 流动产生沟道热载流子 ,漏源电压较高时 ,沟道中电子获得足够高的能量 ,到达 Si - Si O2 界面 , 具有较2012-07-19#2012-07-19#2#0#12-07-19
9、#高动能的热载流子越过界面势垒注入到栅氧中 ,形成大量电荷积累和界面态 ,引起阈值电压漂移 、跨导 降低 、驱动能力下降等性能参数的衰退 2 .对晶体管进行最恶劣情况下的加速老化试验 ,可 以推算出常规条件下器件的寿命 ,通过这个方法 ,可 以衡量出热载流子特性的优劣. 正常使用情况下要求 晶体管的寿命不低于 10a (10 年) . 换算成最恶劣情况下的寿命 ,应该除以经验因子 50 ,也就是说最恶劣情 况下的寿命应该不小于 10/ 50 = 0. 2a = 3. 15 E7 s.图 2 N2L DMO S 器件最恶劣情况下 Gm 的衰退1热载流子效应评测以及原因分析 :我们试制出一种工作电
10、压为 40 V 的薄栅氧低栅压 N2LDMOS 晶体管 ,剖面图如图 1 所示. 采用了双阱工艺制作 LDMOS 器件的漂移区制得的耐高漏压 的 N2LDMOS 器件 ,其静态性能优良 ,可以满足各种 平板显示驱动电路和功率集成电路的要求.图 3 N2L DMO S 器件最恶劣情况下 Idsat 的衰退(field plate) 的下方 ,存在着明显的高电场区域 ,其强 度超过 1 E5 V/ cm. 图 5 为器件内部碰撞电离几率的 分布情况示意图 ,可以看到在鸟嘴和场氧下方 ,很大 范围内的碰撞电离几率都超过了 5 E25.图 1 N2L DMO S 结构器件剖面图对此器件我们进行了最恶劣
11、情况下的加速老化 测试 ,得到其性能参数衰减 10 %的情况下的寿命 . 首先通过电压扫描获得最恶劣情况的偏置条件 : 固 定漏压为最高工作电压 40 V ,扫描栅压 ,得到衬底 电流峰值对应的栅压 V g = 3 . 125 V ,此晶体管最恶 劣偏置条件为 V g = 3 . 125 V ,V d = 40 V ,源和衬底设 为 0 V . 持续施加此应力 ,并且在相应时间点分别测 试器件的各项参数 ,并以时间作为横轴 ,参数衰减的 比例作为纵轴 ,得到了参数衰减随时间延续的变化 关系. 图 2 为 3 个晶体管的 Gm 衰退情况 ,我们看到 Gm 衰减很剧烈 ,在应力施加时间到 200
12、s 左右时 , 其衰减比例已经达到了 10 % ,因此我们认为此器件 其 Gm 寿 命 约 为 200 s 3 ; 图 3 给 出 了 4 个 晶 体 管 Idsat 衰退的数据情况 ,我们发现器件参数衰减比例的 对数与时间的对数大致为一条直线 ,取其平均值 ,得 到一条直线 ,此直线 y 轴取 0 . 1 时 ,对应 x 轴的值约 为 1 E6 s. 据此推算饱和态电流 Idsat 寿命约为 1 E6 s. 对比可见 ,其寿命低于实际应用的要求 ,为此我 们进行了模拟分析和试验. 利用 CSMC 公司 (华润上 华半导体有限公司) 提供的 ISE 软件对此结构进行了 模拟. 得到了在最恶劣偏
13、置情况下器件的内部状态示 意图. 其中图 4 为最坏偏置情况下器件内部结构中电图 4 最坏偏置下器件内部电场分布情况图 5 器件内部碰撞电离率分布在这种情况下 ,碰撞电离现象很严重 ,产生了大 量的电子空穴对 ,其中少量能量较高的电子和空穴 注入到栅氧和场氧中 ,形成热电子 ;大部分电子被漏 极所收集 ,成为 Id 的一部分 ,大部分空穴被衬底电 极收集 ,形成衬底电流 Isub . 因此 Isub 的大小表征了 碰撞电离的严重程度 ,也间接反映了热载流子注入 效应的严重程度 4 .经过对器件电学性能的模拟 ,我们得到了器件()的输出特性以及衬底电流 Isub ,如图 6 所示 . 由图中可以
14、看到 ,在固定栅压偏置条件下进行漏极电压扫 描 ,漏压 35 V 的时候输出特性曲线就出现了明显上 翘 ,达到 40 V 工作电压的时候 Isub 为 5 E - 5 A/m . 分析图 4 的情况发现 : 鸟嘴区和场板下方的衬底区 域既是电场集中的区域 ,又是电流集中的区域 ,加剧 了碰撞电离的发生. 要避免这种情况 ,必须调整器件 结构参数 ,使电场均匀分散在整个漂移区中 ,降低电 流集中区域的电场.图 8 多晶硅栅搭接场氧长度增加 0. 5m 的碰撞电离几率分布图 9 多晶硅栅搭接场氧长度增加 0 . 5 m 的输出特性曲线和衬底电流 I sub中电场分布较为均匀 ,也无法避免电场强度的
15、绝对值 变的很大. 由图 7 看到 ,在场板增加的情况下 ,靠近沟 道的区域电场降低 ,但是漏端电场增大 ,出现了明显 的高碰撞电离几率的区域 ,为了改善这个问题 ,应该 适当增大漂移区的长度 6 . 我们模拟了增加漂移区长 度 0. 5m 的情况 ,在器件结构中没有发现明显的较 大电场区域 ,也没有发现有较大碰撞电离几率的区域 的存在. 衬底电流进一步降低 ,V d = 40 V 情况下 , Isub= 7 E - 6 A/m ,漏压加到 50 V 的情况下其输出特性 曲线没出现明显上翘现象. 我们有理由相信 ,热载流子注入效应得到了有效的抑止.2 . 3 增加高压 N 阱包有源区原来结构中
16、作为漂移区的高压 N 阱延伸到有 源区的长度为 1 m ,由于 N 管实施了场注和调栅注入的原因 , 使得沟道区域全部转换为 P 型区域 , 沟道中的电子电流密集 ,直接冲击到鸟嘴区域 ,增加 了鸟嘴区的注入几率 . 我们模拟了增加高压 N 阱包有源区的情况 ,以降低鸟嘴区的电流密度 ,改变电子 电流流向 ,避免对鸟嘴的直接冲击 ;同时相当于变相增加了漂移区的长度 ,也可以达到改善热载流子注入效应的效果 7 .2 . 4 综合考虑综合考虑以上因素 ,得到一个最优的结果. 下图 依次为电场分布 、碰撞电离几率分布和输出特性曲线 . 我们所得出的优化结构中 ,如图 10 中 ,最大电场 均低于 1
17、 E5 V/ c m ,无明显大电场区域 ; 碰撞电离如图 11 ,碰撞电离几率低于 1 E25 ,无明显碰撞电离几图 6 输出特性曲线与衬底电流 I sub2 结构参数的优化2 . 1 场板的优化由图 4 可以看到 ,原来的结构中 ,在靠近栅氧一 端的漂移区中电场集中 ,而靠近漏端的区域电场线相 对稀疏. 因此可以增加场板的长度 ,来分散靠近栅氧 一端的较大电场 5 . 我们模拟了场板长度增加 0. 5m 的情况 ,其电场分布示意图如图 7. 可以看到 ,较 大电场的区域明显向漏端迁移. 图 8 为多晶硅栅搭接 场氧长度增加 0. 5 m 的电离几率分布示意图 ,可以 看到鸟嘴下方区域碰撞电
18、离几率明显降低 ,靠近漏端 的区域碰撞电离几率升高 ,这是因为场板增长的作 用 ,等势线向漏端弯曲. 如图 9 所示 ,同样栅压偏置条件下 ,输出特性曲线在漏压 45 V 的时候才出现上翘 ,正常工作电压 40 V 情况下 Isub 为 1. 5 E - 5 A/m ,相 比最初结构 , Isub 降低了 4 倍.图 7 多晶硅栅搭接场氧长度增加 0 . 5 m 的电场分布2 . 2漂移区长度的优化漏端所施加的较高电压 ,其绝大部分由漂移区承 担. 漂移区长度较短的情况下 ,如果漏压过大 ,即使其漏压范围内无明显上翘 ;V d = 40 V 正常工作电压的情况下 ,衬底电流 Isub = 5
19、E - 6 A/m , 相对于原来 的结构 , Isub 降低了 10 倍.使得表征热载流子注入效应剧烈程度的物理量 Isub 降低到原有结构的 1/ 10 ,而同时增加场板长度和增加 高压 N 阱包有源区的长度这两种办法并不增加器件 的面积 ;而增加漂移区长度虽然加大了器件的面积 , 但是相对于器件可靠性的大幅提高来说 ,漂移区长度 的有限增加 (0. 5m) 是完全值得的.4 致谢 :特别感谢 CSM C 在数据测试 、模拟软件 、实验 条件以及工作和生活其他方面的支持 .参考文献 :图 10 最优结构电场分布 1 Yu suf L eblebici Sung2Mo ( St eve) K
20、a ng. Hot2Ca r rier Relia bili2t y of Mo s Vl si Ci rcuit s D . U ni ver sit y of Illi noi s , U bba na2Cha mp aign , 21223 .Ro ber to Ver sa ri , A ugusto Pieracci . Exp eri ment al St udy of Ho t2Car rier Eff ect s i n L DMO S Tra nsi sto r s , St udent Me mber , I EE E , St udent Member , I E EE.
21、Eval uati ng Ho t Ca r rier Induced Degradatio n of MO SF E T De2vice s S , Keit hley Applicatio n Not e Serie s.Ver sa ri R , Pieracci A , Ma nzi ni S ,Co ntiero C , Ricci B , Ho t2Car2 rier Relia bilit y i n Submicro met er L DMO S Tra n si sto r s R . D EIS2U niver sit y of Bolo gna , Viale Ri so
22、 r gi mento 22401361301o gna2It al y S GS2T HO MSON Microelect ro nics2Dedicat edPro duct s Gro up2o r naredo Mila no2It al y .Ayman Shibib , Shuming Xu , Zhijian Xie , Peter Gammel , Marco Mast rapasqua , Isi k Kizilyalli . Cont rol of Hot Carrier Degradation in LDMOS Devices by a Dummy Gate Field
23、Plate : Experimental Demonst ration C / / Proceedings of 2004 Int emational Sympo sium on Power Semiconductor Devices & ICs , Kit akyushu.Do ugla s Bri sbi n 3 , A ndy St racha n , Pra sad Chap a rala , 12Da nd 22D Ho t Ca r rier L ayo ut Op ti mizatio n of N2L DMO S Tra n2si sto r A r ray R . Natio
24、 nal Se mico nducto r Co rpo ratio n .Do ugla s Bri shi n 3 , A ndy St racha n , Pra sad Chap a rala . Hot Ca r rier Relia bilit y of N2L DMO S Tra n si sto r A r rays fo r Po wer Bi CMO S Applicatio n s Z . 2 3 4 图 11 最优结构碰撞电离几率分布 5 6 图 12 最优结构输出特性曲线和衬底电流 I sub结论在原来器件结构的基础上 ,我们通过适当增加场 板长度 、增加漂移区长度
25、、增加高压 N 阱包有源区的 长度等方法 ,改进了器件的热载流子注入效应特性 ,3 7 Your request could not be processed because of a configuration error: Could not connect to LDAP server.For assistance, contact your network support team.file:/C|/Users/Administrator/Desktop/新建文本文档.txt涵盖各行业最丰富完备的资料文献，最前瞻权威的行业动态，是专业人士的不二选择。file:/C|/Users/Administrator/Desktop/新建文本文档.txt2012/8/26 12:19:58
