摘要：ESD保护在高压工作中起着至关重要的作用，但大部分ESD器件本身由于内壁结构的不合理存在着很高的潜在风险，一旦产品出现问题很难保证高压工艺的安全性。而高电压工作又不能使用可控硅整流器件（SCR）进行保护，所以只能通过优化ESD器件，来保证高压工作的安全进行。文章通过实验和检测的方式，研究了LDMOS器件释放电流的过程，同时对器件发生的二次触发现象进行深入研究，对比各项数据的结果，给出了LDMOS器件内在内部结构上有哪些改进，结合计算机仿真技术、传输线脉冲测试，并对通过ESD工作过程中的失效分析等多方面，大幅提升了器件承受电流的能力，而且进一步给出了ESD整体性能的优化方向。
关键词：高压LDMOS器件；ESD优化方向；问题
引言
对于现阶段的高压工作而言，双极性晶体管和反向二极管的综合性能与LDMOS器件的电流承受能力相较普遍偏低，并不是高压工作中理想的静电保护配件。所以通过对LDMOS器件进行改进，优化其功能来为高压工作提供有效的ESD保护，是一种非常合理而且普遍的方法。在很多情况下LDMOS器件第一次用于高压静电保护时就会损坏，这就是我们所谓的初始失效，严重影响了高压工作的效率。如果能够通过对LDMOS器件的优化降低这种现象的发生概率，那么将会在很大程度上提高高压工艺的可靠性。
1.高压LDMOS器件ESD保护初始失效问题分析与解决
线路电压不断升高时，LDMOS器件初始失效的情况就会发生，漏电电流增大，器件的静电保护能力缺失，从而导致器件无法继续使用。采用电子显微镜扫描器件，得出照片，再通过对器件内部结构和个零件的分析，可以看到，导致期间损坏的原因是电流过度集中于某一个区域，此部位的损坏导致了器件整体功能的丧失。之后又采用了Synopsys公司TCAD仿真软件特性进行器件仿真，实验过程可以看到，器件触发之后，电流会集中于漏级的场氧表面，而且也通过了鸟嘴区域。
从上述的实验结果可以看出，鸟嘴区的电场比较集中，改善LDMOS的内部结构，可以从降低鸟嘴区电场、改善电流集中这方面来入手，为了达到提升器件的ESD电流性能的效果，可以通过优化器件内部结构的方法让电流均匀经过器件，避免电流高度集中于某个部位。我们可以通过增大PA值，同时在扩散区的下方增加一次NW2注入的方法来优化器件原来的内部结构。经过优化的LDMOS器件的漂移区长度增加了3.5mm，全新的结构可以有效增大横向电阻，电流也不再过度的集中与器件内部的某一个区域。在漏级下方增加了一道NW2注入，并且加大了场氧区与漏极之间的距离，可以将电流均匀的分散到硅片上，器件的静电保护能力也会更强，如此一来就能很好的避免ESD初始失效的现象。对新构造的LDMOS器件进行实验操作时可以发现，电压到达59V发生触发时，其漏电电流未发生任何异常现象，新结构的LDMOS器件，对电流承受能力更强，漏电保护效果远高于优化之前。对比损坏后的新旧两款LDMOS器件，可以看出，新结构器件的损坏位置也与旧结构器件有所不同，损坏部位不再集中于鸟嘴附近，而是均匀的分布在整个漏级的区域。
2.二次触发现象
很大一部分LDMOS器件在承受高电压的时候还会发生二次触发的现象，下文就对LDMOS器件发生二次触发现象的全过程，进行着重分析。通过TCAD仿真软件进行的二维仿真实验的测量结果与改进后的LDMOS器件发生二次触发之后的电流和内部形态还是非常相似的，所以此实验的结果有很高的可靠性。
在期间发生第一次触发之后，电流会先经过N型埋层，然后再通过P井底部自下而上流到电源处。但是发生第二次触发以后，电流在器件内部的分布出现了较大的变化，电流会从漏级经过氧化区下方的N型外层，和NW1直接流到电源处，并且电流不会再集中于鸟嘴区域。由此得出，改进之后的LDMOS器件电流会更均匀的分布于硅片体内，而非鸟嘴区域，证明新结构器件的电流承载能力更强。
优化LDMOS器件的ESD效果还需要了解高压工艺的放电过程。通过实验模拟出的放电过程我们可以得出：如果电路中的初始电流小，纵向NPN的电流放大系数就会很大，电流会首先流经浓度较高的NBL区，这样的线路环境将会导致纵向NPN先一步到达开启条件，器件第一次发生初发现象。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆随着高压线路内电流的不断增大，并且TLP脉冲值也在增加，此时在寄生电阻上就会形成一个横向通路，电压持续降低，电流倍增，而且横向通路中承担了大部分的ESD电流，进而发生二次触发。
3.高压LDMOS器件ESD保护设计的优化方向
除了上述的电路试验以外，还进行了一系列针对LDMOS器件内部结构相互影响的检测。通过对比检测的结果，我们能得出：如果只增加器件内部漂移区的长度，而不增加浓度更高的NW2注入，虽然也能改善器件承受最大电流的能力，但改善范围十分有限，因为只增加漂移区的电阻，并没有实质性的降低鸟嘴区承受电场的强度，电流始终无法均匀通过硅片表面。如果只增加NW2的注入，而不对PA尺寸进行拉长，那么漂移区将会离场氧非常近，器件承受最大电流的能力同样得不到提高。只有同时拉长PA尺寸，同时增加NW2注入，才能让电流在通过器件内部时更加快速、均匀，有效降低了器件的损坏频率。
在高压线路的工作过程中，如果PA值很小，而NA值比较大，在增加MW2注入的情况下，器件ESD的能力有明显提高，但是在线路检测过程中，并不会发生第二次触发现象，此检测结果有效的验证了，LDMOS器件是否发生第二次触发现象，与电流的纵向通路和横向通路的竞争与平衡有着直接的关系。
综合上述检测结果和分析，我们可以得出：高压LDMOS器件存在的问题是，由于器件内部结构而导致的电流过度集中，一旦电压超出承受能力，LDMOS器件就会发生损坏。LDMOS器件ESD的优化方向是，如何更精准的设计器件的内部结构和尺寸，进而引导电流均匀的流金硅片体内，避免电流在一个部位过度集中。器件优化成功的关键在于，通过对器件内部结构关键尺寸的精准把握，来优化器件的ESD性能。
4.结论
文章通过实验、检测等方法，剖析出LDMOS器件发生初始失效问题的关键所在，即电流过度集中于同一个区域，无法均匀的通过器件。通过分析对器件内部结构存在的缺陷进行优化和改善，大幅提高了器件的ESD电流能力。并且通过对比检测，总结出如何调整LDMOS器件内部结构的关键尺寸和结构，进一步给出了LDMOS件ESD性能的优化方向。
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论文作者:唐文波
论文发表刊物:《电力设备》2019年第5期
论文发表时间:2019/7/24
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