0 引言
在最新的應(yīng)用中，平板顯示器驅(qū)動(dòng)芯片和電源管理芯片的高壓集成電路往往采用DDDMOS來控制芯片中的高壓信號(hào)。DDDMOS的溝道部分與普通MOS一樣，為了耐受高壓，采用了輕摻雜漏端結(jié)構(gòu)(傳統(tǒng)功率器件中的漂移區(qū))，一般采用兩次(或兩次以上)離子注入形成輕摻雜漏端，所以被稱為雙擴(kuò)散漏端MOS。傳統(tǒng)的MOS器件中，Ib-Vg曲線先升后降形成一個(gè)峰。與傳統(tǒng)的MOS器件不同，DDDMOS的Ib-Vg曲線有兩個(gè)峰。已有文獻(xiàn)定性地解釋了高壓器件襯底電流第二個(gè)峰的來源，并討論了其與器件安全工作區(qū)的關(guān)系。大注入情況下發(fā)生在漂移區(qū)的碰撞離化電流形成了襯底電流的第二個(gè)峰，第二個(gè)峰有可能觸發(fā)寄生的npn晶體管，導(dǎo)致輸出曲線發(fā)生回跳現(xiàn)象。
本文的一個(gè)目的是評(píng)估第二個(gè)襯底電流峰對器件可靠性的影響。發(fā)生在器件溝道邊緣的碰撞離化(對應(yīng)襯底電流的第一個(gè)峰)導(dǎo)致的器件性能退化已有研究，發(fā)生在漂移區(qū)的碰撞離化(對應(yīng)襯底電流的第二個(gè)峰)與器件可靠性的關(guān)系則很少被提及。本文首次觀察到，襯底電流的第二個(gè)峰和施加應(yīng)力之后器件的泄露電流與電壓退化有明顯的關(guān)系。
另一個(gè)目的是通過實(shí)驗(yàn)、TCAD模擬以及理論計(jì)算等手段，給出襯底電流重新上升時(shí)漂移區(qū)的電場分布公式，半定量地考察各種工藝參數(shù)對襯底電流的影響；以此為依據(jù)，通過工藝創(chuàng)新調(diào)整電場分布公式中的各個(gè)參數(shù)，保障器件各項(xiàng)特性的同時(shí)降低襯底電流第二個(gè)峰，改進(jìn)器件的可靠性。
1 器件結(jié)構(gòu)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果
圖1(a)是一個(gè)n溝道DDDMOS的結(jié)構(gòu)示意圖，圖1(b)是用二次電子顯微鏡拍攝的器件剖面圖。為了承受比較高的操作電壓，漏端采用了輕摻雜結(jié)構(gòu)(約1×1017cm-1，一般被稱作漂移區(qū))。與普通MOS器件不同，重?fù)诫s的歐姆接觸區(qū)并不是通過自對準(zhǔn)工藝實(shí)現(xiàn)，與多晶硅柵的邊緣被特意拉開了一段長度為3.2 μm的距離，該距離就是漂移區(qū)的長度(Laft)。DDDMOS的其他部分的結(jié)構(gòu)與普通MOS器件相同，其中溝道長度(Lch)為3 μm，柵氧化層厚度(Tox)為90 nm，器件的閾值電壓在1 V左右。
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圖2(a)給出了DDDMOS在不同漏端電壓(Vd)下的Ib-Vg曲線，可以看到在第一個(gè)峰值之后，Ib隨著Vg的增加重新上升，形成第二個(gè)峰。
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Vd越大，第二個(gè)峰越早開始上升，并且峰值也越大。圖2(b)比較了一個(gè)DDDMOS在施加3600 s應(yīng)力前后的漏電流(Vg=Vb=Vs=0 V時(shí))和擊穿電壓，施加應(yīng)力的條件為Vg=Vd=30 V，該條件下襯底電流處于第二個(gè)峰值，在施加應(yīng)力之后，器件的泄漏電流增加，擊穿電壓下降。
2 分析和討論
為了直觀地解釋襯底電流的來源，用TCAD模擬了Ib處于第一和第二個(gè)峰時(shí)的各項(xiàng)電學(xué)參數(shù)的分布。圖3(a)是Vd=30 V、Vg=6 V也就是Ib處于第一個(gè)峰時(shí)的碰撞離化率分布，發(fā)現(xiàn)在溝道邊緣區(qū)域發(fā)生了比較強(qiáng)的離化碰撞，與之對應(yīng)的是襯底電流的第一個(gè)峰值。模擬結(jié)果與普通MOS器件襯底電流的理論一致。
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圖3(b)是Vd=30 V、Vg=30 V，也就是Ib處于第二個(gè)峰時(shí)的碰撞離化率分布；圖3(c)給出了此時(shí)電場強(qiáng)度和電子濃度沿著漂移區(qū)表面的分布。從圖3(b)中可以看出，在Vd=30 V，Vg=30 V時(shí)，一個(gè)新的碰撞離化區(qū)域出現(xiàn)在漂移區(qū)的遠(yuǎn)離溝道的另一側(cè)，此處產(chǎn)生的空穴電流使襯底電流重新上升。圖3(c)解釋了出現(xiàn)新的碰撞離化區(qū)的原因，可以看出，在漂移區(qū)遠(yuǎn)離溝道的一側(cè)電子的濃度已經(jīng)超過了摻雜濃度，此時(shí)電子對電場的分布將產(chǎn)生影響，在泊松方程中，電子必須被考慮到總電量中去，此時(shí)的泊松方程為
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式中，εSi是硅的電容率，q是單位電荷，Ndft是漂移區(qū)摻雜濃度，n為電子濃度。根據(jù)式(1)可以看出，電場強(qiáng)度將沿著漂移區(qū)向右持續(xù)上升，圖3(c)的電場分布曲線也證明了這一點(diǎn)。綜上所述，當(dāng)電流隨著柵壓的增加而增加到一定程度時(shí)(電子濃度大于漂移區(qū)摻雜濃度)，在漂移區(qū)遠(yuǎn)離溝道的另一側(cè)就形成了一個(gè)新的強(qiáng)場區(qū)，該強(qiáng)場區(qū)碰撞離化產(chǎn)生的空穴電流將使Ib在第一個(gè)峰值之后重新上升，形成第二個(gè)峰。
發(fā)生在新的強(qiáng)場區(qū)的碰撞離化了產(chǎn)生的大量的熱電子，這些熱電子會(huì)破壞漂移區(qū)SiO2-Si界面的完整性，從而產(chǎn)生大量的陷阱電荷，在施加應(yīng)力之后器件的性能將會(huì)退化(如圖2(b)所示)。
