功率快恢復(fù)二極管反偏ESD機(jī)理分析

  快恢復(fù)二極管(fast recovery diode,FRD)是一種應(yīng)用廣泛的功率器件,其可靠性對(duì)整個(gè)電路甚至系統(tǒng)的正常工作至關(guān)重要。靜電放電(electrostatic discharge,ESD)電壓高,瞬時(shí)電流大,會(huì)對(duì)整個(gè)電路甚至系統(tǒng)造成極大的危害,可能產(chǎn)生嚴(yán)重后果。一些高端應(yīng)用會(huì)對(duì)其ESD指標(biāo)提出較高要求。雖然在集成電路領(lǐng)域,低壓ESD保護(hù)器件的研究與開(kāi)發(fā)已相當(dāng)成熟,但高壓FRD的結(jié)構(gòu)參數(shù)及發(fā)生ESD的情況與其不盡相同,需專門進(jìn)行針對(duì)性研究。目前,國(guó)內(nèi)外公開(kāi)發(fā)表的關(guān)于功率FRD的ESD機(jī)理研究文獻(xiàn)較少。作為這方面工作的一次嘗試,本文首次采用一種簡(jiǎn)化的分段線性電流源模型,利用半導(dǎo)體器件仿真工具對(duì)FRD在反偏ESD測(cè)試中內(nèi)部狀態(tài)的演化過(guò)程進(jìn)行了展示和分析,并在此基礎(chǔ)上討論了器件結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)FRD抗ESD能力的影響。
 
  1. ESD測(cè)試的仿真模型
  ESD測(cè)試中經(jīng)常采用人體模型(human body model,HBM),但器件仿真(實(shí)際是器件與電路的混合仿真)中若采用實(shí)際的ESD測(cè)試電路,就需要設(shè)置和調(diào)整電容、電感、開(kāi)關(guān)、信號(hào)源等元件以模擬電路中的瞬時(shí)變化,并需要添加一些輔助信號(hào)源以模擬分布參數(shù)對(duì)這個(gè)瞬時(shí)變化的響應(yīng),加上熱電耦合計(jì)算,很容易造成占用資源多、耗時(shí)長(zhǎng)、收斂困難,而仿真波形卻仍不理想的局面。為使問(wèn)題得到簡(jiǎn)化,盡快獲得對(duì)器件設(shè)計(jì)有指導(dǎo)意義的結(jié)論,本文嘗試采用一種符合GB/T 17626.2標(biāo)準(zhǔn)的分段線性電流源模型,用以模擬FRD反偏下所受到的ESD沖擊情況,并將該電流源直接作用到FRD上而不添加任何其他的電路元件,由此展開(kāi)簡(jiǎn)單快速的仿真計(jì)算。
 
  HBM靜電放電發(fā)生器輸出的典型沖擊電流波形如圖1(a)所示,參考圖1(a)的波形參數(shù)所設(shè)計(jì)的8 kV簡(jiǎn)明分段線性電流源,對(duì)應(yīng)波形如圖1(b)所示。其中,0～1 ns內(nèi),電流由0 A線性上升至30 A;1～30 ns內(nèi)電流線性下降至16 A;30～91 ns電流線性下降至1 A。由于該電流源電流下降速度比標(biāo)準(zhǔn)波形更緩,大電流持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng),所以理論上對(duì)器件的沖擊會(huì)比典型波形更嚴(yán)重。FRD的ESD過(guò)程仿真采用ISE軟件,所用物理模型包括:與濃度、溫度、電場(chǎng)相關(guān)的載流子遷移率模型、SRH復(fù)合模型、Auger復(fù)合模型、禁帶變窄模型以及適用于高溫的Unibo碰撞電離模型。同時(shí),引入了熱電耦合方程。作為一個(gè)研究起點(diǎn),選取了一個(gè)只包含主結(jié)及其場(chǎng)板的簡(jiǎn)單二極管結(jié)構(gòu)作為參考結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)圖2 。計(jì)算中設(shè)定了面積因子,使有源區(qū)面積達(dá)到1mm²,仿真得到的靜態(tài)擊穿電壓約為375 V。

 
  2. FRD反偏ESD過(guò)程分析
  參考二極管在如圖1(b)所示的反偏ESD沖擊下所形成的電壓波形仿真結(jié)果如圖3所示,插圖為0～3 ns電壓放大波形?？梢悦黠@看到,在ESD沖擊下,器件電壓經(jīng)歷了過(guò)沖、負(fù)阻和振蕩以及平緩發(fā)展3個(gè)階段。其中,電壓過(guò)沖發(fā)生在0.62 ns,形成的電壓峰值高達(dá)500 V,明顯超過(guò)此后的電壓值,同時(shí)也遠(yuǎn)大于器件的靜態(tài)擊穿電壓(約375 V)。隨后,在電流繼續(xù)急劇上升的同時(shí),大約在0.8 ns,電壓波形迅速下跌至略低于100 V,形成了瞬時(shí)的微分負(fù)阻現(xiàn)象,并由此開(kāi)始了一個(gè)振幅迅速衰減的電壓振蕩過(guò)程。大約在3 ns之后,振蕩消失,器件進(jìn)入平緩發(fā)展階段,電壓保持相對(duì)穩(wěn)定,在350～370 V內(nèi)緩慢上升。圖4給出了該過(guò)程伏安變化的軌跡。  
  為進(jìn)一步探究上述外端特性演化所對(duì)應(yīng)的內(nèi)在機(jī)理,在圖2中的x=35µm截線處,即pn結(jié)的拐角附近,提取了不同時(shí)刻器件的內(nèi)部數(shù)據(jù)。下文將對(duì)此進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。
 
  2.1電壓過(guò)沖階段
  由上述ESD電流源模型可知,0～0.62 ns內(nèi)反向電流處于迅速上升的階段。在器件內(nèi)部,這首先是通過(guò)pn結(jié)承受反壓,勢(shì)壘電容充電形成位移電流來(lái)實(shí)現(xiàn)的。此階段x=35µm截線處電場(chǎng)及載流子分布分別如圖5(a)和(b)所示,d為層面距離,E為電場(chǎng)強(qiáng)度?？梢钥吹?在0～0.62 ns,pn結(jié)兩側(cè)的電場(chǎng)逐漸增強(qiáng)。一開(kāi)始是呈三角形分布。至0.3ns,n-區(qū)電子濃度明顯低于背景摻雜,表明n-區(qū)全部耗盡,同時(shí)n+區(qū)對(duì)電場(chǎng)有截?cái)嘧饔?電場(chǎng)開(kāi)始呈梯形分布,且繼續(xù)增強(qiáng),外部電流由p+區(qū)空穴和n+區(qū)電子提供。至0.5和0.6ns,pn結(jié)處和n-n+結(jié)處的電場(chǎng)依次超過(guò)2.4×10⁵V/cm,接近或達(dá)到臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)。此時(shí),n-n+結(jié)也開(kāi)始發(fā)生雪崩倍增,并將構(gòu)成外電流的另一個(gè)重要來(lái)源(如前所述,勢(shì)壘電容位移電流是第一個(gè)來(lái)源)。但是,由于相應(yīng)的碰撞電離產(chǎn)生率是有限的,在0.1 ns級(jí)的短暫的時(shí)間內(nèi),尚不能產(chǎn)生出足夠多的載流子(圖5(b));同時(shí),外部電流仍然迅速增加。因此,直至0.62 ns之前(如0.61 ns),電流仍然主要由p+區(qū)和n+區(qū)的繼續(xù)耗盡來(lái)維持。于是,電場(chǎng)強(qiáng)度和器件所承受的反壓在這段時(shí)間內(nèi)不會(huì)因雪崩而鉗位,而是持續(xù)增加,這就形成了外部的電壓過(guò)沖和內(nèi)部的“過(guò)耗盡”。由圖5(a)可見(jiàn),電場(chǎng)峰值在0.61ns時(shí)達(dá)到最大,高達(dá)4.2×10⁵V/cm;耗盡區(qū)在0.62 ns時(shí)向p區(qū)一側(cè)的擴(kuò)展由于“過(guò)耗盡”而達(dá)到最大。  
  2.2 負(fù)阻振蕩階段
  0.62 ns實(shí)際是電壓過(guò)沖與負(fù)阻振蕩的分界時(shí)刻。由圖5(b)可見(jiàn),在該時(shí)刻,pn結(jié)處的雪崩倍增實(shí)際已使載流子大量增加,大部分n-區(qū)的載流子濃度已超過(guò)背景摻雜,形成了顯著的雪崩注入和電導(dǎo)調(diào)制。隨著時(shí)間的推移,如圖6(b)所示,至0.65和0.7 ns,雪崩注入的載流子濃度達(dá)到最大,E為電場(chǎng)強(qiáng)度。這些載流子開(kāi)始對(duì)外電流的維持做出貢獻(xiàn)。同時(shí),考慮到載流子漂移速度此時(shí)因電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)1×10⁵V/cm而達(dá)到了速度飽和v_d,sat,因而電流密度必須靠足夠大的載流子濃度來(lái)維持。例如,對(duì)于空穴而言,為了維持一個(gè)電流密度j,其空穴濃度需要達(dá)到p=j/qv_d,sat。此時(shí),當(dāng)j超過(guò)一個(gè)臨界值j_crit(j_crit=N_Dqv_d,sat)時(shí),則p>N_D。式中,N_D為n-區(qū)摻雜濃度。
 
  這種情況下,pn結(jié)附近n-區(qū)一側(cè)原有的空間電荷密度N_D將增加至p+N_D(pn結(jié)附近n<<p，可忽略)。根據(jù)泊松方程，此處電場(chǎng)下降的斜率將增大。當(dāng)p>>N_D時(shí)(如0.62 ns以后)則電場(chǎng)下降率將取決于p,并急劇增加。同理,在n-n+結(jié)附近,電場(chǎng)也因大量電子的存在而發(fā)生類似變化,最終呈“U”型分布。  
  這種電場(chǎng)分布的改變,縮小了所包圍的面積,所以相應(yīng)外加電壓將迅速減小,這就形成了瞬時(shí)的微分負(fù)阻效應(yīng)。至0.8 ns,電場(chǎng)所包圍的面積達(dá)到最小,外加反壓降至100 V以下。
 
  之后,電壓波形開(kāi)始振蕩,其內(nèi)在的原因是漂移速度趨于飽和(強(qiáng)化了載流子濃度與電流密度的關(guān)聯(lián))、載流子的雪崩注入(尤其是過(guò)耗盡階段所造成的過(guò)電場(chǎng)及相應(yīng)的過(guò)量雪崩注入)以及過(guò)剩載流子被清除等因素之間的相互作用。
 
  由圖6和圖7可見(jiàn),在0.65～5ns,載流子濃度和電場(chǎng)強(qiáng)度分別出現(xiàn)兩次反復(fù)的漲落。這些變化與電壓在相應(yīng)時(shí)段的振蕩是相符的。  
  2.3 平緩發(fā)展階段
  圖7和圖8表明,n-區(qū)載流子濃度和電場(chǎng)強(qiáng)度在5ns以后基本呈單調(diào)且緩慢的變化。隨電流的減小,載流子濃度開(kāi)始下降,這就使得pn結(jié)和n-n+結(jié)附近的空間電荷密度下降,電場(chǎng)下降變緩,U型電場(chǎng)分布所包圍的面積有所增加,所以相應(yīng)的外壓變高,器件實(shí)際仍處于微分負(fù)阻區(qū)。至90 ns,電流下降為1 A,電場(chǎng)開(kāi)始由U型分布向梯形分布轉(zhuǎn)變,器件再次回到微分正阻區(qū)(參見(jiàn)圖3)。  
  2.4 討論
  如前所述,本文的仿真計(jì)算忽略了實(shí)際電路中的寄生參數(shù)和分布參數(shù),但仍然明確得到了電壓過(guò)沖和振蕩的結(jié)果。這表明,考察實(shí)際ESD測(cè)試中波形振蕩的成因時(shí),既要充分考慮線路中的分布參數(shù),也決不能忽視器件的固有特性。本文采用簡(jiǎn)單電流源模型所做的分析,實(shí)際正是針對(duì)后者進(jìn)行的,所得的結(jié)果可認(rèn)為是器件的“本征”ESD過(guò)程。實(shí)際測(cè)試中發(fā)生的振蕩會(huì)更加激烈,持續(xù)的時(shí)間更長(zhǎng),但總趨勢(shì)與本文是一致的。
 
  此外,前述的反偏ESD過(guò)程中載流子密度與電場(chǎng)強(qiáng)度的演化,涉及到了強(qiáng)場(chǎng)下的碰撞電離和雪崩注入。顯然,這些情況會(huì)優(yōu)先在電場(chǎng)最強(qiáng)的位置發(fā)生,而且由于負(fù)阻效應(yīng)的存在,這個(gè)過(guò)程一旦發(fā)生,電流就會(huì)集中在這個(gè)位置。對(duì)于本文給出的參考二極管結(jié)構(gòu)而言,這個(gè)位置就是pn結(jié)的拐角處,即x=35µm附近。
 
  圖9給出了0.63 ns時(shí)刻的電流線分布,直觀地表現(xiàn)出二維結(jié)構(gòu)中的這種電流集中。電流集中加大了局部的電流密度,使得在外電流的表觀密度遠(yuǎn)小于由式(1)給出的臨界電流密度時(shí),就可以發(fā)生負(fù)阻效應(yīng)。事實(shí)上,這種由電場(chǎng)增強(qiáng)和集中引起局部電流集中,進(jìn)而在高電流密度下出現(xiàn)負(fù)阻效應(yīng),引起電場(chǎng)U型再分布的現(xiàn)象,與L.Egawa的二極管靜態(tài)二次擊穿分析和M.Domei的二極管動(dòng)態(tài)雪崩分析是一致和相通的?？梢哉J(rèn)為是一種動(dòng)態(tài)二次擊穿。  
  二維結(jié)構(gòu)中電流的集中還只是相當(dāng)于一個(gè)垂直于紙面的電流帶,在真實(shí)的三維器件結(jié)構(gòu)中,電流集中實(shí)際會(huì)演變?yōu)殡娏鹘z。電流絲的形成會(huì)引發(fā)局部溫度出現(xiàn)迅猛的上升,極端情況下會(huì)在幾十納秒內(nèi)燒毀器件,這與動(dòng)態(tài)雪崩問(wèn)題是類似的。本文中參考二極管二維結(jié)構(gòu)的熱仿真并未得到很大的溫升。通過(guò)大大增加有源區(qū)寬度(計(jì)算量亦大增),可使電流集中趨近于三維情況下的電流絲。后續(xù)的改進(jìn)工作正在進(jìn)行中。
 
3. FRD結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)抗ESD沖擊的影響
  研究FRD反偏ESD沖擊的最終目的是為了尋求提高器件抗ESD能力的方法。為此在參考二極管的基礎(chǔ)上改變相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù),以考察不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)抗ESD能力的影響。
 
  n-區(qū)的摻雜濃度和厚度決定了二極管的耐壓等級(jí),當(dāng)參考二極管n-層的摻雜濃度提高到2×10¹⁵cm^-3時(shí),10ns時(shí)刻n-n+結(jié)處的電流密度峰值與相應(yīng)的參考二極管相比下降了62.5%,電場(chǎng)亦減弱。由式(1)可知,n-區(qū)摻雜濃度高,對(duì)應(yīng)負(fù)阻臨界電流密度就增大,使電流集中較不易發(fā)生。因此,低壓二極管的抗ESD能力比高壓二極管強(qiáng)。
 
  為加快二極管的反向恢復(fù)過(guò)程,往往采用減小陽(yáng)極注入效率,即降低表面摻雜濃度來(lái)實(shí)現(xiàn)。但仿真發(fā)現(xiàn),若將參考二極管陽(yáng)極濃度降低到1×10¹⁶cm^-3,則10 ns時(shí)刻n-n+結(jié)處的電流密值上升了31.7%。仿真計(jì)算表明,在器件引線孔邊緣處,即x=20µm附近(見(jiàn)圖3),由于在反偏ESD最初的過(guò)耗盡階段,耗盡區(qū)已穿通整個(gè)p區(qū),到達(dá)表面電極,從而在引線孔邊緣處形成了急劇的電場(chǎng)增強(qiáng),并引起電流集中,如圖10所示?？梢?jiàn),低表面濃度器件對(duì)抗ESD可能是不利的。  
  另外,FRD中常用的n型緩沖層結(jié)構(gòu),對(duì)抗ESD能力也是有利的。仿真發(fā)現(xiàn),在10ns時(shí)刻,帶有緩沖層的結(jié)構(gòu)在n-n+結(jié)處的電流密度峰值比參考二極管下降了70%。
 
  由于簡(jiǎn)單的參考二極管結(jié)構(gòu)與實(shí)際二極管的結(jié)構(gòu)不盡相同,同時(shí)本文的“本征”二維仿真與三維結(jié)構(gòu)和實(shí)際電路亦有差距,所以上述結(jié)果與實(shí)際情況并不能精確一致,但其反映出來(lái)的總趨勢(shì)與實(shí)際生產(chǎn)中的經(jīng)驗(yàn)是一致的,即:高n-區(qū)濃度(低耐壓)、高陽(yáng)極表面濃度及緩沖層結(jié)構(gòu)有利于器件抗ESD能力的提高。由此可見(jiàn),本文的仿真是合理有效的和具有指導(dǎo)意義的。
 
  4. 結(jié)論
  采用簡(jiǎn)明分段線性電流源,對(duì)參考二極管結(jié)構(gòu)的本征反偏ESD過(guò)程進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果表明,其端電壓波形的變化經(jīng)歷了電壓過(guò)沖、負(fù)阻和振蕩以及平緩發(fā)展3個(gè)階段。相應(yīng)地,器件內(nèi)部則經(jīng)歷了過(guò)耗盡、雪崩注入、電場(chǎng)分布U型化、載流子及電場(chǎng)分布漲落等復(fù)雜變化,并在pn結(jié)拐角處造成局部電流集中。在此基礎(chǔ)上,計(jì)算了器件結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)抗ESD能力的影響,所得結(jié)論與實(shí)際的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)是一致的。這也驗(yàn)證了本文仿真分析的合理性和有效性。



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