ESD防护设计—LDMOS的ESD应用(一

电子电容全能解 2024-04-03 02:23:21

LDMOS属于功率半导体器件,主要应用于高压场合。而针对高压芯片的ESD防护领域,可采取GGNLDMOS的设计思路。

在讲解LDMOS的ESD防护机理之前,先要简单解释下LDMOS的工作原理。

图一.nLDMOS结构示意图。

N-LDMOS为了提高器件的耐压性能,在器件内部制作了n-drift区,同时为了提高器件栅极的耐压能力,N-drift上方的栅极是需要盖在场氧之上,将场氧作为氧化层。也是因为这样的设计,整个NLDMOS器件的VGD和VSD的负向耐压很高。(V:D→G,D→S)

而嵌入器件中的N-drif阱的掺杂浓度会低于p-well和n-buffer,其与p-well接触区会形成空间电荷区,根据之前文章的讲解,存在浓度差的线性缓变结其接触面的空间电荷区会主要分布在N-dfift内,如图。

图二. N-drift空间电荷区分布示意图。

当整个器件关断时,这部分空间电荷区等效于在NLDMOS中嵌入一个高耐压“电阻”,也正是因为这个“电阻”的存在,使得器件的Drain端能承受高电压。当栅压开启整个MOS管后,P-well上方的栅还和正常MOS一样在P-well内形成沟道,而N-drift上方的栅会在靠近场氧的区域内形成积累层,从而形成沟道,就如同栅压将空间电荷区往器件内部推进,在场氧下方推出一条“沟道”。

图三. LDMOS的工作原理示意图。

而随着对高耐压性能的追求,越来越多的tips也开始应用到LDMOS的设计中。目前常见的有RESURF、场板、super junction等。

因为NLDMOS的耐压性能也决定了其作为ESD器件的耐压上限,所以这里大概介绍下这三种设计。

RESURF:

图四.体硅RESUFR结构示意图。

RESURF就是在N-drift中继续埋入一层P-Buried,使得N-drift中的空间电荷区分布更大,同时调制电场分布,改变反向击穿的节点。

2.场板:

场板就是图一中Drain上方的M1,M2金属层,金属延伸在Gate上方形成场板。场板通过改变表面电势分布来抑制表面电场的集中,获得更均匀的表面电场分布,从而提高器件的整体耐压性能。

图五.场板电场分布。

场板能一定程度缓解了电力线在冶金结处的集中,降低了冶金结的峰值电场,同时在场板末端引入新的电场峰值,提高耐压能力。

3.Super Junction

超结工艺广泛应用于超高耐压器件,超结是RESURF技术的延伸,通过制造出很深的阱来提高器件耐压能力。

图六.超结示意图。

目前超结工艺能提供600V到1000V的超高压耐压能力,但是超结自身也存在着诸多问题。

因为LDMOS主要应用于工业级和车规级中产品,工作环境更加复杂多变,其对ESD、浪涌的需求也相对较高。所以针对高压ESD设计难度也较大。

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