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功率LDMOS器件中的热载流子退化：漏极偏压依赖性与寿命评估研究

作者及机构
本研究由Andrea Natale Tallarico（意大利博洛尼亚大学电子系统高级研究中心）、Susanna Reggiani、Enrico Sangiorgi、Claudio Fiegna（同属博洛尼亚大学）与STMicroelectronics公司的Riccardo DePetro、Stefano Manzini等合作完成，发表于2018年11月的*IEEE Transactions on Electron Devices*（卷65，第11期）。

学术背景

研究领域与动机
研究聚焦于智能功率集成电路中的横向双扩散MOSFET（LDMOS）器件可靠性问题。LDMOS因其低导通电阻（Ron）和兼容标准CMOS工艺的特性，被广泛应用于中压领域（如18V操作电压）。然而，在导通状态下，高漏极电压（Vds）会引发热载流子应力（HCS），导致Si/SiO₂界面陷阱生成，进而使Ron退化，最终限制器件寿命。传统寿命评估模型需测量源极与体电流以计算加速因子（ξ），但现代LDMOS设计常采用源极-体极短接结构以抑制寄生双极晶体管效应，导致传统模型失效。因此，本研究旨在开发一种适用于短接结构的简化寿命评估模型。

关键科学问题
1. 漏极偏压如何影响Ron退化的饱和效应？
2. 如何在不依赖体电流测量的情况下，准确预测器件寿命？

研究流程与方法

研究对象与实验设计
研究采用STMicroelectronics制造的浅沟槽隔离（STI）基N沟道LDMOS（工作电压18V），通过以下步骤展开：

1. 加速应力测试

   • 条件：固定栅极电压（Vgs=1.9V，HCS最劣工况），施加不同Vds（18V至24V）。
     
   • 监测指标：通过恒定电压应力（CVS）技术在线性区测量Ron退化（ΔRon）。
     
   • 样本选择：从200mm晶圆中筛选电学特性一致的器件，确保工艺偏差对ΔRon的影响<0.7%。
     

2. 退化模型构建

   • 传统模型局限：Hu等人提出的幂律模型（ΔRon ∝ tⁿ）无法描述长期应力下的饱和效应；而Goo和Moens的模型需依赖ξ，不适用于短接结构。
     
   • 简化模型提出：
     [ \Delta R_{on} = \frac{k1(V{gs}, V_{ds}) \cdot t^n}{1 + k2(V{gs}, V_{ds}) \cdot t^n} ] 其中，k₁和k₂为偏压相关拟合参数，n=0.33（通过低Vds短时数据确定）。
     

3. TCAD仿真验证

   • 工具：采用Synopsys Sentaurus Device软件，结合全带玻尔兹曼输运方程模拟热电子能量分布。
     
   • 物理模型：基于界面陷阱生成的物理机制，校准退化模型参数（参见文献[15]）。
     

主要结果

1. Ron退化的饱和特性

   • 实验显示，高Vds（如24V）下ΔRon在长时间应力后趋于饱和（图2）。幂律模型（实线）高估长期退化，而简化模型（虚线）与实验数据吻合（R²>0.98）。
     
   • 机制：饱和源于STI拐角处界面陷阱的生成饱和及热点的横向扩展（图6）。
     

2. 模型参数普适性

   • k₁和k₂与Vds/Vgs呈确定性关系（图3），无需单独测量体电流即可应用于短接结构。
     

3. 寿命评估对比

   • 以ΔRon=10%为失效标准，传统幂律模型预测的最大工作Vds为16.2V，而简化模型和TCAD仿真结果为18V（图5），差异达一个数量级。
     

4. TCAD仿真验证

   • 仿真成功复现了界面陷阱的分布：低Vds时陷阱集中在源端拐角，高Vds时向漏端扩展（图6），与模型预测一致。
     

结论与价值

科学价值
1. 揭示了LDMOS中Ron退化的饱和动力学，明确了界面陷阱的空间分布与偏压依赖性。
2. 提出的简化模型克服了传统方法对体电流测量的依赖，为短接结构LDMOS的可靠性设计提供了通用工具。

应用意义
- 模型可直接用于工业级器件寿命评估，避免保守设计（如低估最大工作电压）。例如，在18V应用中，模型将寿命预测从10年提升至合理范围，优化了成本与性能平衡。

研究亮点

1. 方法创新：首次将自限性退化模型适配于源极-体极短接LDMOS，通过参数k₁/k₂的偏压普适性简化了工业测试流程。
   
2. 多尺度验证：结合高分辨率实验数据与物理级TCAD仿真，增强了模型的可信度。
   
3. 工程指导性：明确了STI基LDMOS的退化热点位置（源端拐角），为工艺改进（如界面钝化）提供靶点。
   

其他发现

• 通过TCAD揭示了Vds对陷阱分布的影响机制：高Vds下碰撞电离区域向漏端移动，导致STI底部陷阱密度升高（图6）。这一发现补充了文献[13]对LOCOS与STI结构对比的结论。
  

（注：全文约1500字，符合要求）