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新型抗总剂量辐照高压LDMOS结构

作者:冯垚荣时间:2019-10-29来源:电子产品世界777彩票客户端

  冯垚荣(电子科技大学,四川 成都 610054)

本文引用地址:http://777cpkhd.8hbs.com/article/201910/406443.htm

  摘?要:通过分析低压MOS中存在的漏电路径,针对面积大,最小宽长比有限制的特点,提出了一种更加适用于的新型抗总剂量辐照结构。器件仿真结果显示,新结构在实现500 krad(Si)的抗辐照能力,并且新结构不会增加面积消耗,与现有工艺完全兼容。

  关键词:

  0 引言

  LDMOS(横向扩散金属氧化物半导体)相比普通的MOSFET具有高耐压、高增益等优点,被广泛应用于各种电源管理电路中。高压LDMOS在芯片中要占到1/3更多的面积,所以说LDMOS的性能好坏对于电源管理电路至关重要。在太空等特种应用环境中,高能粒子长期作用于MOSFET会使其电特性发生改变,具体表现为阈值电压漂移,关态漏电流增大,迁移率下降等性能退化。这些改变将显著影响电子设备的寿命,导致其功耗增大,甚至功能失效,这就是。由于电源电路功能的特殊性,无法像数字电路那样,采用冗余设计的方法实现抗辐照功能,这就要求电路本身,尤其是LDMOS必须具备抗辐照的功能 [1] 。目前国内外对于LDMOS抗辐照设计的研究,特别是600 V以上的高压LDMOS的研究还比较少,大多还停留在沿用低压MOS抗辐照设计方案的阶段 [2-3]

  1 机理及辐照导致的寄生漏电路径

  1.1 总剂量效应的机理简介

  总剂量效应是辐照致电路失效的一种长期机制,它主要作用于MOSFET中的氧化物部分。其机理可以简述为:高能粒子的轰击使MOSFET氧化层中产生电子-空穴对,由于电子与空穴迁移率的差异,在偏压的作用下,电子很快就被扫出氧化层;而空穴则被缓慢的输运到氧化物/体硅界面,输运过程中空穴若被氧化物中的空穴陷阱俘获就会形成氧化层陷阱电荷,随着辐照总剂量的增加,这些陷阱电荷的数量也越来越多,其最终的结果就是在氧化层内部以及氧化物/体硅界面产生净的正电荷,导致MOSFET的阈值电压漂移和关态漏电流增大 [4] 。总剂量效应在MOSFET氧化层的体内和氧化物/体硅界面产生净的正电荷,因此N型MOSFET对总剂量效应更为敏感,接下来都只讨论NMOS中的总剂量效应。

  1.2 普通低压NMOS中的寄生漏电路径与抗总剂量辐照设计

  总剂量效应导致MOSFET阈值电压漂移和关态漏电流增大,其本质是氧化层固定正电荷积累到一定程度,使下方的p型层发生了反型,形成了无法关断的寄生漏电通路,对于普通低压NMOS,存在如图1所示的两种可能存在的漏电路径。第一种源漏间的漏电路径如图1(a)的箭头所示,它产生在MOSFET的有源区与场区交界的沟道处,固定电荷导致交界处的沟道反型,形成寄生沟道,当NMOS源漏有偏压存在时,即使栅压低于阈值电压也会有电流产生;第二种晶体管间的漏电路径如图1(b)的箭头所示,它产生在两个晶体管之间,辐照使场氧失去了隔离作用,在NMOS的源/漏与PMOS的N阱之间形成了寄生导电路径,PMOS的N阱一般固定接较高的电位,会使漏电一直存在 [4]

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  普通NMOS的抗总剂量设计普遍采用环栅版图结构,环栅结构将导电沟道与场氧区完全分开,因此完全避免了源漏间漏电通路的产生。环栅结构被证明有着良好的抗总剂量效果 [5-7] ,但是环栅版图设计也存在着诸如器件面积大,宽长比无法自由选取等缺点。

  1.3 高压LDMOS中的寄生漏电路径

  如图2所示的是一种典型的高压NLDMOS的剖面图,比较图1可以直观地看出高压LDMOS与传统MOS的最大不同在于多出了一个漂移区的结构,这个结构主要起到提升器件耐压的作用,而就是这个差异给高压LDMOS的抗总剂量设计带来了很大不同。高压LDMOS在电路中要承受600 V甚至更高的电压,所以漂移区面积必须做得很大,进而导致高压LDMOS的面积占到这个芯片面积的1/3以上。本身面积巨大,再改为环栅设计,所带来的成本提升可能无法接受,我们将在后文中分析这个面积提升究竟有多大。

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  相比低压MOS,高压LDMOS还有两点不同之处:一是LDMOS的栅氧要比低压MOS厚,因此LDMOS的栅氧对总剂量效应更加敏感,但同时LDMOS的阈值也较低压MOS高,因此可接受的阈值漂移的量也更大。对于要求较高的设计我们可以采用在栅氧生长时掺氟等工艺来提升栅氧的抗总剂量能力 [8] 。二是高压LDMOS并不存在上文所述的第二种漏电路径,为了防止施加在LDMOS上的高压对相邻器件造成串扰,会在LDMOS的四周加上一圈P+隔离环,这个隔离环恰好也能起到杜绝管间漏电路径产生的作用。通过以上的分析我们可知,高压LDMOS本身的面积已经很大,因此不适合采用传统的环栅结构实现抗辐照功能,也不存在第二种漏电路径,所以我们在设计使用与高压LDMOS的抗辐照结构时,应该着眼于消除源漏间的漏电通路。

  1.4 新型抗总剂量辐照高压LDMOS结构

  根据前面所做的对比和分析,本文提出了一种新型抗总剂量辐照高压LDMOS结构,在消除源漏间漏电通路的同时,相比原LDMOS结构面积没有任何增加。图3是新型抗总剂量辐照高压LDMOS结构(以下简称新结构)与普通高压LDMOS结构的对比图,从图中可以看到,新结构将传统LDMOS的有源区和P-body的P+接触向外延长。向外延长的有源区使得场氧远离LDMOS的沟道区,多出的P+掺杂区域向外横向扩散,使得同等辐照剂量下场氧下的衬底不发生反型,从而避免了源漏间漏电通路的产生。

  表1列出了相同等效宽长比条件下,传统、环栅结构和新型结构高压LDMOS的面积比较。三种结构的面积均是参考国内某高压BCD工艺平台的设计规则给出,其中环栅等效宽长比计算用的是(W 1 +W 2 )/2的公式 [9] ,从表中可以看出环栅结构的面积是其他两种结构面积的7.5倍多,前面提到高压LDMOS在芯片中占到芯片总面积的1/3以上,照这个比例估算,如果采用环栅结构,芯片面积会在传统设计的基础上增加218%,这会大大增加电路的成本,甚至可能导致芯片无法采用原本的封装方案。反观新结构就完全不存在这方面的问题,新结构相比传统LDMOS结构,面积完全没有增加,而且不增加新的掩膜版,可以与现有的工艺完全兼容,不改变原有器件的耐压结构,不会造成生产成本的增加。

  2 新结构抗辐照能力仿真验证

  2.1 仿真策略

  本文通过Synopsys公司的Sentaurus TCAD软件对新结构的抗辐照功能进行仿真验证,使用软件自带的Insulator Fixed Charge模型,在材料交界面设置固定正电荷来模拟总剂量效应对MOSFET的作用,该仿真方法已经被很多报道采用并验证过其可行性 [10-11] 。要验证新结构是否确实能够消除源漏间漏电路径,必须进行3D仿真,3D仿真本身计算量很大,加之LDMOS相比普通MOS尺寸巨大,经过多次尝试发现无法同时对整个LDMOS总剂量仿真。最终只选取LDMOS中受辐照影响会产生漏电通路的关键部分来进行仿真,如图4所示的就是本文最终建立的LDMOS仿真模型,从剖面图可以看到其仍然包含LDMOS的所有关键结构,因此不影响仿真结果的可信度。同样出于减小计算量的考虑,我们只在图4虚线框所示区域的Oxide/Si界面中加入固定电荷。固定电荷的密度参考文献 [12] ,其通过将仿真结果与实验对比得知,2.93×1012/cm 2 的固定正电荷密度相当于剂量为300 krad(Si)的γ射线辐照;3.26×1012/cm 2的固定正电荷密度相当于剂量500 krad(Si)的γ射线辐照。本文仿真时共设置了8个不同固定电荷面密度,其中3.5×10 10 /cm 2 的密度用以表征器件出厂自带的正电荷,即未受辐照的情况,然后从0.5×10 12 /cm 2 开始,每隔0.5×10 12 /cm 2 的步长进行一次仿真,一直仿真到3.5×10 12 /cm 2 的面密度,确保仿真所施加的最大剂量高于500 krad(Si),而且可以观察随着剂量的增加,器件的性能是如何变化的。

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  2.2 仿真结果及分析

  如图5所示的是普通高压LDMOS在不同电荷面密度下的转移特性曲线的仿真结果,仿真施加的偏置条件为,Vds=0.1 V,Vb=Vs=0 V,Vg从-4 V扫描到10 V。从仿真结果我们可以看到随着电荷密度的增加,LDMOS的关态漏电流也随之增加,而且阈值电压也随之发生负向漂移,这与我们之前提到的源漏间漏电通路会同时造成关态漏电流增加和阈值电压漂移的推论一致。未经辐照加固设计的高压LDMOS对总剂量效应相当敏感,仅在1.0×10 12 /cm 2 的电荷密度就表现出了明显的漏电流增加,可见未加固的LDMOS其抗辐照能力远低于50 krad(Si)。而固定电荷密度增加到2.0×10 12 /cm 2以上时,关态漏电流几乎已经与开态电流相当,此时器件已经无法关闭完全失去功能。

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  如图6所示的是本文提出的新型抗总剂量LDMOS在不同电荷面密度下的转移特性曲线的仿真结果,仿真施加的偏置条件与普通LDMOS相同。从仿真结果我们可以看到,随着电荷密度的增加,LDMOS的关态漏电流没有明显变化,阈值电压也没有发生漂移,8条转移特性曲线几乎重合到了一起。说明本文提出的新结构很好地消除了源漏间的漏电路径,加入抗辐照设计之后,LDMOS的抗辐照能力达到了500 krad(Si)以上。

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  3 结论

  本文结合对普通MOS总剂量效应的研究,分析了高压LDMOS与普通MOS在抗辐照设计方面的差异,提出了一种更加适用于高压LDMOS新型抗总剂量结构,相比环栅结构,其不增加器件版图面积,不改变器件耐压,宽长比可以按照普通LDMOS的规则选取,而且与现有的工艺完全兼容。通过仿真验证,新结构确实可以有效地消除LDMOS中的漏电路径,实现 500 krad(Si)

  以上的抗辐照能力。

  参考文献

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  [12]Lee M S, Lee H C.cDummy Gate-Assisted n-MOSFET Layoutfor a Radiation-Tolerant Integrated Circuit. IEEE Trans. Nucl. Sci.,2013,60(4):3084-3091.

本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第11期第58页,欢迎您写论文时引用,并注明出处。



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