導(dǎo)語:LDMOS晶體管(Lateral Double-diffused Metal-Oxide Semiconductor, LDMOS)已廣泛應(yīng)用于電源管理集成電路、LED/LCD驅(qū)動(dòng)器、手持和汽車電子等高壓功率集成電路。了解LDMOS的靜電防護(hù)性能,有益于高壓功率IC的片上靜電防護(hù)器件設(shè)計(jì)。
正文:
高壓功率集成電路是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的一個(gè)重要分支,在汽車電子、電源管理、高壓驅(qū)動(dòng)、航天航空、武器裝備里有著廣泛的應(yīng)用。功率IC往往因?yàn)榇箅妷骸⒋箅娏鳌?qiáng)電磁干擾、頻繁拔插、室外高低溫等特殊工作環(huán)境,對(duì)其片上ESD設(shè)計(jì)提出了更高的防護(hù)要求。
LDMOS是功率IC的常用器件,它與低壓MOSFET一樣存在靜電泄放電流非均勻分布的問題,因而而器件在不做任何改進(jìn)的情況下,不能充分發(fā)揮其靜電防護(hù)的潛能,是LDMOS器件靜電魯棒性提高的主要障礙。
1. 單指器件靜電泄放電流非均勻分布的TCAD仿真
對(duì)單指nLDMOS器件建模,對(duì)器件進(jìn)行瞬態(tài)仿真。如圖1、圖2所示為器件在靜電泄放不同的時(shí)刻,器件剖面的電流密度分布,證明了單指器件的部分開啟,會(huì)導(dǎo)致ESD電流非均勻分布,單指器件的失效電流實(shí)際上只是開啟部分的寄生BJT失效時(shí)承受的ESD電流。
圖1 t=0.4ns時(shí)M1、M2的電流分布
圖2 t=3ns時(shí)M1、M2的電流分布
2. 多指器件靜電泄放電流非均勻分布的TCAD仿真
多指nLDMOS器件,其各叉指等效的寄生三極管基極因被深N阱隔離,使得各個(gè)叉指基極電阻一樣大。因而從理論上講,相對(duì)于基極電阻差異化的低壓多叉指NMOS器件而言,各叉指應(yīng)該同時(shí)觸發(fā)。但事實(shí)上,還有其他因素?zé)o法保證所有叉指在ESD應(yīng)力下被同時(shí)觸發(fā),比如,材料本身的不均勻性、在物理版圖位置上距離IO/GND PAD的遠(yuǎn)近、金屬連線的區(qū)別、器件本身的大面積特征。如圖3、圖4所示的2叉指和4叉指器件,分別只開啟了1叉指和2叉指。
圖3 兩叉指 nLDMOS的泄放電流分布
圖4 四叉指nLDMOS的泄放電流分布
3. 單指、多指器件的TLP測試驗(yàn)證
從圖5可以看出,單指器件失效電流不與指長W成正比例增加;從圖6可知,多指器件失效電流不與叉指數(shù)目F成正比例增加。測試結(jié)果從側(cè)面證明了,高壓LDMOS的單指、多指器件存在電流的非均勻泄放,簡單地增加器件指長或叉指數(shù)目,無法有效地提高LDMOS器件的靜電防護(hù)等級(jí)。
圖5 單指器件的TLP測試IV曲線對(duì)比
圖6 多指器件的TLP測試IV曲線對(duì)比
湖南靜芯微電子技術(shù)有限公司經(jīng)過五年的工作積累,從器件結(jié)構(gòu)、觸發(fā)方式、版圖形式多個(gè)角度對(duì)LDMOS器件進(jìn)行專業(yè)設(shè)計(jì),開發(fā)成功系列5kV/8kV/15kV的高壓片上LDMOS靜電器件,解決了單指、多叉指LDMOS器件的電流非均勻性問題。直接選用本公司靜電器件或委托定制設(shè)計(jì),可提升客戶功率IC的靜電可靠性。
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