LDMOS在ESD设计中的应用设计思路

LDMOS在ESD设计中的应用。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，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。

上期讲解了LDMOS的工作原理，在高压BI-CMOS工艺中ESD防护目前有两种设计思路：一种是将低压器件进行stack，另一种是直接使用高压ESD防护器件。第一种思路的劣势是对面积需求过大，优点是工艺偏差小。而高压防护器件对面积的需求小，但是工艺偏差大，同时具有latch-up风险。

无论哪种设计思路都需要定制ESD器件，fab厂也会给出相应的ESD design rule。LDMOS在ESD防护中的连接方式如图所示：

图一.GGLDMOS结构示意图。

与GGNMOS类似，GGNLDMOS也同样源，栅，体三端接地，漏端接IO PAD。而因为LDMOS本身具有漂移区，漏端空间较大，所以其漏端的耐压能力较高，内部击穿电压较高，Trigger voltage和Holding Voltage也相对较高。因其本身所具有的优异耐压性能，并不需要针对器件版图进行大改，只需要关注器件隔离就行。

但是部分fab厂并不建议GGNLDMOS的原因主要出于热电效能的考虑。LDMOS的热失效风险较高。具体表现为冶金结处电场强度过大，会造成热量过于集中，容易造成软失效。所以GGNLDMOS的设计难点在于预防电场过于集中，需要对电场进行再分布处理。

改善电场分布的手段主要有两种：一种是改变版图尺寸，一种是改变器件结构。

版图尺寸： 

图二.LDMOS版图示意图。

L1是 Gate在P-weLL上方的距离；L2是厚栅氧层跨在N-well上方的距离;L3是栅极长度;L4是无栅级的漂移区距离;L5是N—implant与contact的距离。调整L4与L3的距离能改变器件耐压能力，同时要缩短L5和L1的的距离，在提高耐压能力的同时，提高器件的电流导通能力，防止冶金结过热，造成的器件损坏。

器件结构：

为了提高GGNLDMOS的抗静电性能需要在阱与阱之间添加缓变结，就是改变阱结构，在DRC允许的情况下在HNWELL中嵌套NWELL以实现浓度梯度，改变单一结载流子过于集中的现象，用以缓解热电效应。

审核编辑：黄飞