【E問(wèn)E答】搞清楚MOS管的幾種“擊穿”？

　　MOSFET的擊穿有哪幾種?

　　Source、Drain、Gate

　　場(chǎng)效應(yīng)管的三極:源級(jí)S 漏級(jí)D 柵級(jí)G

　　(這里不講柵極GOX擊穿了啊，只針對(duì)漏極電壓擊穿)

　　先講測(cè)試條件，都是源柵襯底都是接地，然后掃描漏極電壓，直至Drain端電流達(dá)到1uA。所以從器件結(jié)構(gòu)上看，它的漏電通道有三條：Drain到source、Drain到Bulk、Drain到Gate。

　　1) Drain->Source穿通擊穿:

　　這個(gè)主要是Drain加反偏電壓后，使得Drain/Bulk的PN結(jié)耗盡區(qū)延展，當(dāng)耗盡區(qū)碰到Source的時(shí)候，那源漏之間就不需要開(kāi)啟就形成了通路，所以叫做穿通(punch through)。那如何防止穿通呢?這就要回到二極管反偏特性了，耗盡區(qū)寬度除了與電壓有關(guān)，還與兩邊的摻雜濃度有關(guān)，濃度越高可以抑制耗盡區(qū)寬度延展，所以flow里面有個(gè)防穿通注入(APT: Anti Punch Through)，記住它要打和well同type的specis。當(dāng)然實(shí)際遇到WAT的BV跑了而且確定是從Source端走了，可能還要看是否PolyCD或者Spacer寬度，或者LDD_IMP問(wèn)題了，那如何排除呢?這就要看你是否NMOS和PMOS都跑了?POLY CD可以通過(guò)Poly相關(guān)的WAT來(lái)驗(yàn)證。對(duì)吧?

　　對(duì)于穿通擊穿，有以下一些特征：

　　(1)穿通擊穿的擊穿點(diǎn)軟，擊穿過(guò)程中，電流有逐步增大的特征，這是因?yàn)楹谋M層擴(kuò)展較寬，產(chǎn)生電流較大。另一方面，耗盡層展寬大容易發(fā)生DIBL效應(yīng)，使源襯底結(jié)正偏出現(xiàn)電流逐步增大的特征。

　　(2)穿通擊穿的軟擊穿點(diǎn)發(fā)生在源漏的耗盡層相接時(shí)，此時(shí)源端的載流子注入到耗盡層中，

　　被耗盡層中的電場(chǎng)加速達(dá)到漏端，因此，穿通擊穿的電流也有急劇增大點(diǎn)，這個(gè)電流的急劇增大和雪崩擊穿時(shí)電流急劇增大不同，這時(shí)的電流相當(dāng)于源襯底PN結(jié)正向?qū)〞r(shí)的電流，而雪崩擊穿時(shí)的電流主要為PN結(jié)反向擊穿時(shí)的雪崩電流，如不作限流，雪崩擊穿的電流要大。

　　(3)穿通擊穿一般不會(huì)出現(xiàn)破壞性擊穿。因?yàn)榇┩〒舸﹫?chǎng)強(qiáng)沒(méi)有達(dá)到雪崩擊穿的場(chǎng)強(qiáng)，不會(huì)產(chǎn)生大量電子空穴對(duì)。

　　(4)穿通擊穿一般發(fā)生在溝道體內(nèi)，溝道表面不容易發(fā)生穿通，這主要是由于溝道注入使表面濃度比濃度大造成，所以，對(duì)NMOS管一般都有防穿通注入。

　　(5)一般的，鳥(niǎo)嘴邊緣的濃度比溝道中間濃度大，所以穿通擊穿一般發(fā)生在溝道中間。

　　(6)多晶柵長(zhǎng)度對(duì)穿通擊穿是有影響的，隨著柵長(zhǎng)度增加，擊穿增大。而對(duì)雪崩擊穿，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)也有影響，但是沒(méi)有那么顯著。

　　2) Drain->Bulk雪崩擊穿:

　　這就單純是PN結(jié)雪崩擊穿了(Avalanche Breakdown)，主要是漏極反偏電壓下使得PN結(jié)耗盡區(qū)展寬，則反偏電場(chǎng)加在了PN結(jié)反偏上面，使得電子加速撞擊晶格產(chǎn)生新的電子空穴對(duì)(Electron-Hole pair)，然后電子繼續(xù)撞擊，如此雪崩倍增下去導(dǎo)致?lián)舸?，所以這種擊穿的電流幾乎快速增大，I-V curve幾乎垂直上去，很容燒毀的。(這點(diǎn)和源漏穿通擊穿不一樣)

　　那如何改善這個(gè)junction BV呢?所以主要還是從PN結(jié)本身特性講起，肯定要降低耗盡區(qū)電場(chǎng)，防止碰撞產(chǎn)生電子空穴對(duì)，降低電壓肯定不行，那就只能增加耗盡區(qū)寬度了，所以要改變doping profile了，這就是為什么突變結(jié)(Abrupt junction)的擊穿電壓比緩變結(jié)(Graded Junction)的低。這就是學(xué)以致用，別人云亦云啊。

　　當(dāng)然除了doping profile，還有就是doping濃度，濃度越大，耗盡區(qū)寬度越窄，所以電場(chǎng)強(qiáng)度越強(qiáng)，那肯定就降低擊穿電壓了。而且還有個(gè)規(guī)律是擊穿電壓通常是由低濃度的那邊濃度影響更大，因?yàn)槟沁叺暮谋M區(qū)寬度大。公式是BV=K*(1/Na+1/Nb)，從公式里也可以看出Na和Nb濃度如果差10倍，幾乎其中一個(gè)就可以忽略了。

　　那實(shí)際的process如果發(fā)現(xiàn)BV變小，并且確認(rèn)是從junction走的，那好好查查你的Source/Drain implant了

　　3) Drain->Gate擊穿：這個(gè)主要是Drain和Gate之間的Overlap導(dǎo)致的柵極氧化層擊穿，這個(gè)有點(diǎn)類(lèi)似GOX擊穿了，當(dāng)然它更像Poly finger的GOX擊穿了，所以他可能更c(diǎn)are poly profile以及sidewall damage了。當(dāng)然這個(gè)Overlap還有個(gè)問(wèn)題就是GIDL，這個(gè)也會(huì)貢獻(xiàn)Leakage使得BV降低。

　　上面講的就是MOSFET的擊穿的三個(gè)通道，通常BV的case以前兩種居多。

　　上面講的都是Off-state下的擊穿，也就是Gate為0V的時(shí)候，但是有的時(shí)候Gate開(kāi)啟下Drain加電壓過(guò)高也會(huì)導(dǎo)致?lián)舸┑?，我們稱(chēng)之為On-state擊穿。這種情況尤其喜歡發(fā)生在Gate較低電壓時(shí)，或者管子剛剛開(kāi)啟時(shí)，而且?guī)缀醵际荖MOS。所以我們通常WAT也會(huì)測(cè)試BVON，

　　不要以為很奇怪，但是測(cè)試condition一定要注意，Gate不是隨便加電壓的哦，必須是Vt附近的電壓。(本文開(kāi)始我貼的那張圖，Vg越低時(shí)on-state擊穿越低)

　　有可能是Snap-back導(dǎo)致的，只是測(cè)試機(jī)臺(tái)limitation無(wú)法測(cè)試出標(biāo)準(zhǔn)的snap-back曲線。另外也有可能是開(kāi)啟瞬間電流密度太大，導(dǎo)致大量電子在PN結(jié)附近被耗盡區(qū)電場(chǎng)加速撞擊。