LDMOS在ESD設(shè)計(jì)中的應(yīng)用設(shè)計(jì)思路

LDMOS在ESD設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。LDMOS屬于功率半導(dǎo)體器件，主要應(yīng)用于高壓場(chǎng)合。而針對(duì)高壓芯片的ESD防護(hù)領(lǐng)域，可采取GGNLDMOS的設(shè)計(jì)思路。

在講解LDMOS的ESD防護(hù)機(jī)理之前，先要簡(jiǎn)單解釋下LDMOS的工作原理。

圖一.nLDMOS結(jié)構(gòu)示意圖。

N-LDMOS為了提高器件的耐壓性能，在器件內(nèi)部制作了n-drift區(qū)，同時(shí)為了提高器件柵極的耐壓能力，N-drift上方的柵極是需要蓋在場(chǎng)氧之上，將場(chǎng)氧作為氧化層。也是因?yàn)檫@樣的設(shè)計(jì)，整個(gè)NLDMOS器件的VGD和VSD的負(fù)向耐壓很高。（V：D→G，D→S）

而嵌入器件中的N-drif阱的摻雜濃度會(huì)低于p-well和n-buffer，其與p-well接觸區(qū)會(huì)形成空間電荷區(qū)，根據(jù)之前文章的講解，存在濃度差的線性緩變結(jié)其接觸面的空間電荷區(qū)會(huì)主要分布在N-dfift內(nèi)，如圖。

圖二. N-drift空間電荷區(qū)分布示意圖。

當(dāng)整個(gè)器件關(guān)斷時(shí)，這部分空間電荷區(qū)等效于在NLDMOS中嵌入一個(gè)高耐壓“電阻”，也正是因?yàn)檫@個(gè)“電阻”的存在，使得器件的Drain端能承受高電壓。當(dāng)柵壓開啟整個(gè)MOS管后，P-well上方的柵還和正常MOS一樣在P-well內(nèi)形成溝道，而N-drift上方的柵會(huì)在靠近場(chǎng)氧的區(qū)域內(nèi)形成積累層，從而形成溝道，就如同柵壓將空間電荷區(qū)往器件內(nèi)部推進(jìn)，在場(chǎng)氧下方推出一條“溝道”。

圖三. LDMOS的工作原理示意圖。

而隨著對(duì)高耐壓性能的追求，越來越多的tips也開始應(yīng)用到LDMOS的設(shè)計(jì)中。目前常見的有RESURF、場(chǎng)板、super junction等。

因?yàn)镹LDMOS的耐壓性能也決定了其作為ESD器件的耐壓上限，所以這里大概介紹下這三種設(shè)計(jì)。

RESURF：

圖四.體硅RESUFR結(jié)構(gòu)示意圖。

RESURF就是在N-drift中繼續(xù)埋入一層P-Buried，使得N-drift中的空間電荷區(qū)分布更大，同時(shí)調(diào)制電場(chǎng)分布，改變反向擊穿的節(jié)點(diǎn)。

2.場(chǎng)板：

場(chǎng)板就是圖一中Drain上方的M1，M2金屬層，金屬延伸在Gate上方形成場(chǎng)板。場(chǎng)板通過改變表面電勢(shì)分布來抑制表面電場(chǎng)的集中，獲得更均勻的表面電場(chǎng)分布，從而提高器件的整體耐壓性能。

圖五.場(chǎng)板電場(chǎng)分布。

場(chǎng)板能一定程度緩解了電力線在冶金結(jié)處的集中，降低了冶金結(jié)的峰值電場(chǎng)，同時(shí)在場(chǎng)板末端引入新的電場(chǎng)峰值，提高耐壓能力。

3.Super Junction

超結(jié)工藝廣泛應(yīng)用于超高耐壓器件，超結(jié)是RESURF技術(shù)的延伸，通過制造出很深的阱來提高器件耐壓能力。

圖六.超結(jié)示意圖。

目前超結(jié)工藝能提供600V到1000V的超高壓耐壓能力，但是超結(jié)自身也存在著諸多問題。

因?yàn)長(zhǎng)DMOS主要應(yīng)用于工業(yè)級(jí)，工作環(huán)境更加復(fù)雜多變，其對(duì)ESD、浪涌的需求也相對(duì)較高。所以針對(duì)高壓ESD設(shè)計(jì)難度也較大。

上期講解了LDMOS的工作原理，在高壓BI-CMOS工藝中ESD防護(hù)目前有兩種設(shè)計(jì)思路：一種是將低壓器件進(jìn)行stack，另一種是直接使用高壓ESD防護(hù)器件。第一種思路的劣勢(shì)是對(duì)面積需求過大，優(yōu)點(diǎn)是工藝偏差小。而高壓防護(hù)器件對(duì)面積的需求小，但是工藝偏差大，同時(shí)具有l(wèi)atch-up風(fēng)險(xiǎn)。

無論哪種設(shè)計(jì)思路都需要定制ESD器件，fab廠也會(huì)給出相應(yīng)的ESD design rule。LDMOS在ESD防護(hù)中的連接方式如圖所示：

圖一.GGLDMOS結(jié)構(gòu)示意圖。

與GGNMOS類似，GGNLDMOS也同樣源，柵，體三端接地，漏端接IO PAD。而因?yàn)長(zhǎng)DMOS本身具有漂移區(qū)，漏端空間較大，所以其漏端的耐壓能力較高，內(nèi)部擊穿電壓較高，Trigger voltage和Holding Voltage也相對(duì)較高。因其本身所具有的優(yōu)異耐壓性能，并不需要針對(duì)器件版圖進(jìn)行大改，只需要關(guān)注器件隔離就行。

但是部分fab廠并不建議GGNLDMOS的原因主要出于熱電效能的考慮。LDMOS的熱失效風(fēng)險(xiǎn)較高。具體表現(xiàn)為冶金結(jié)處電場(chǎng)強(qiáng)度過大，會(huì)造成熱量過于集中，容易造成軟失效。所以GGNLDMOS的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于預(yù)防電場(chǎng)過于集中，需要對(duì)電場(chǎng)進(jìn)行再分布處理。

改善電場(chǎng)分布的手段主要有兩種：一種是改變版圖尺寸，一種是改變器件結(jié)構(gòu)。

版圖尺寸：?

圖二.LDMOS版圖示意圖。

L1是 Gate在P-weLL上方的距離；L2是厚柵氧層跨在N-well上方的距離;L3是柵極長(zhǎng)度;L4是無柵級(jí)的漂移區(qū)距離;L5是N—implant與contact的距離。調(diào)整L4與L3的距離能改變器件耐壓能力，同時(shí)要縮短L5和L1的的距離，在提高耐壓能力的同時(shí)，提高器件的電流導(dǎo)通能力，防止冶金結(jié)過熱，造成的器件損壞。

器件結(jié)構(gòu)：

為了提高GGNLDMOS的抗靜電性能需要在阱與阱之間添加緩變結(jié)，就是改變阱結(jié)構(gòu)，在DRC允許的情況下在HNWELL中嵌套NWELL以實(shí)現(xiàn)濃度梯度，改變單一結(jié)載流子過于集中的現(xiàn)象，用以緩解熱電效應(yīng)。

審核編輯：黃飛