??? 本文首先探討了LDMOS器件在靜電放電脈沖作用下的失效機理，闡述了LDMOS在快速靜電放電脈沖作用下的電流集中和器件局部溫度過高導致的金屬接觸孔熔融等現象以及靜電放電脈沖過后的器件性能退化乃至燒毀的問題。之后通過對不同器件結構LDMOS的靜電放電防護性能的分析對比，指出帶埋層的深漏極注入雙RESURF結構LDMOS器件在靜電防護方面的優勢。

1 靜電放電脈沖作用下的LDMOS器 件失效

1.1 LDMOS器件的靜電放電及其損傷的原理

　　LDMOS器件作為輸出驅動器件，尺寸較大，當寄生npn管完全導通時可以承受較大的靜電放電電流，因此與常規MOS器件相比具備一定的自保護能力，標準CMOS工藝下的LDMOS器件典型結構如圖l所示。圖2為LDMOS器件在靜電放電脈沖下的，-V特性曲線，當正向靜電放電脈沖來臨，漏源電壓達到寄生npn晶體管導通所需的觸發電壓Vn.，時，n型外延層/p阱形成的pn結將發生雪崩擊穿，碰撞電離產生的空穴電流會使p阱和源之間的pn結正偏，寄生npn管導通，電子從源極發射進入阱區。這些電子在源漏電場的作用下加速，使得載流子碰撞電離概率增加，從而形成更多的電子空穴對，漏源電流逐漸增大。當其超過維持電流時，器件將進入寄生npn管完全導通的大電流工作區，此時LDMOS器件將吸收大量的靜電放電脈沖電流[5]。隨著電流持續增加，器件溫度不斷升高以至于達到Si的熔點，LDMOS器件發生二次擊穿損壞，其中I2為二次擊穿電流。因此，只要LDMOS在靜電放電脈沖作用時能夠很快導通進入寄生npn管工作區，泄放靜電放電電流，就可以起到保護器件自身和內部電路的作用。

1.2 LDMOS器件在靜電放電脈沖下的失效分析

　　LDMOS器件在理論上具備一定的抗靜電放電沖擊能力，然而實際TLP(transmission line pulse)測試結果卻并不十分理想。靜電放電脈沖引發的LDMOS器件可靠性問題主要有兩種：局部電流過大引起的軟擊穿和電導調制效應導致的二次擊穿。

　　軟擊穿是指器件在發生硬擊穿也即二次擊穿前襯底漏電緩慢增加而引發器件可靠性問題的現象。圖3為40 V LDMOS器件在不同柵壓下的TLP測試曲線，從圖中可以看出寄生npn管的二次擊穿并沒有十分明顯的轉折點，為此本文將泄漏電流達到100 nA作為發生二次擊穿的標志，此時的IDS作為二次擊穿電流。如圖4所示，當泄漏電流為100 nA時，漏極電流密度為9 mA/um，在柵寬W為136 um的測試條件下約為1.2 A[7。然而當，t2急劇增加時，襯底泄漏電流表現出一個緩慢增加的過程，此種跡象表明LDMOS器件在發生二次擊穿前性能已經開始退化，泄漏電流不斷增加，即出現所謂的軟擊穿現象。分析表明，這是由LDMOS器件過早出現的局部范圍內的大電流即電流絲引起的，并且這種擊穿的影響在靜電放電脈沖過后仍然存在，因此使器件的性能和可靠性降低。

　　圖5為LDMOS器件在靜電放電脈沖作用下漏極發生二次擊穿而燒毀的情形。分析得出，由于寄生npn管導通時會有大電流流過源漏注入區和漂移區/p防形成的耗盡區，引發局部加熱現象。當該點溫度超過一定限度時將會在耗盡區內形成電流絲或熱點，使得耗盡區中局部區域的電壓降低，從而終止其周圍區域的雪崩擊穿，此時流過該點的電流會受到從金屬接觸孔到該點的等效電阻的限制。然而，盡管電流受到了一定的限制，電流絲引起的局部過熱和耗盡區內電壓的降低將會使該點電流持續增加，使得金屬接觸和耗盡區的溫度不斷上升，電流絲擴展到整個源漏注入區域。一旦電流擴展到金屬接觸孔，電導調制效應會使注入區和漂移區的電阻急劇降低，從而失去對電流的限制作用。此時，流過該區域的電流就會突然增加，最終導致Si和金屬接觸窗燒熔。

2 LDMOS器件結構和尺寸對其靜電放電防護性能的影響

2.1 柵寬的影響

　　對于功率器件來說，增加柵極寬度可以提高其電流驅動能力，使得在同樣的條件下器件能流過更大的電流。然而，LDMOS器件的靜電放電防護性能并不隨著器件柵寬尺寸的增加而改善，相反卻有著惡化的趨勢，并且在多柵極條的情況下更加嚴重。圖為實際測量的LDMOS器件在不同柵壓下二次擊穿電流I隨柵寬變化關系曲線圖，Io無論在何種偏置條件下均隨W增加呈明顯的下降趨勢。圖7為柵寬為4 000 um、柵極條數為96的LDMOS器件在不同柵壓下失效曲線[13]。由圖可以看出該結構的器件在源漏電壓到達觸發電壓Vn時就開始損壞，完全失去了LDMOS器件的抗靜電放電脈沖擊穿能力。分析表明，多晶Si柵電阻和寄生電容的存在，去使靜電放電脈沖到各個柵極條的延時不同[14]。因而，在靜電放電脈沖作用的幾十個納秒內，各柵極條上的電壓不同，從而導致靜電放電泄放電流集中在最早導通的柵極條上，該區域內的溫度急劇升高，在寄生npn管完全導通前LDMOS器件過早發生擊穿失效。上述現象表明，在靜電放電脈沖作用下，LDMOS器件表現出的電流絲效應和各柵極條的非均勻導通現象在多柵極條情況下更加嚴重，會在整個器件進入大電流工作區域前將其破壞。因此，僅僅依靠增大柵寬或增加柵極條數不能使二次擊穿電流Tn顯著增加，因而無法明顯改善LDMOS器件的靜電放電防護性能。