【E問E答】搞清楚MOS管的幾種「擊穿」?

　　MOSFET的擊穿有哪幾種?

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201605/290784.htm

　　Source、Drain、Gate

　　場效應管的三極:源級S 漏級D 柵級G

　　(這裡不講柵極GOX擊穿了啊，只針對漏極電壓擊穿)

　　先講測試條件，都是源柵襯底都是接地，然後掃描漏極電壓，直至Drain端電流達到1uA。所以從器件結構上看，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:

　　這個主要是Drain加反偏電壓後，使得Drain/Bulk的PN結耗盡區延展，當耗盡區碰到Source的時候，那源漏之間就不需要開啟就形成了通路，所以叫做穿通(punch through)。那如何防止穿通呢?這就要回到二極體反偏特性了，耗盡區寬度除了與電壓有關，還與兩邊的摻雜濃度有關，濃度越高可以抑制耗盡區寬度延展，所以flow裡面有個防穿通注入(APT: Anti Punch Through)，記住它要打和well同type的specis。當然實際遇到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Poly相關的WAT來驗證。對吧?

　　對於穿通擊穿，有以下一些特徵：

　　(1)穿通擊穿的擊穿點軟，擊穿過程中，電流有逐步增大的特徵，這是因為耗盡層擴展較寬，產生電流較大。另一方面，耗盡層展寬大容易發生DIBL效應，使源襯底結正偏出現電流逐步增大的特徵。

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

　　被耗盡層中的電場加速達到漏端，因此，穿通擊穿的電流也有急劇增大點，這個電流的急劇增大和雪崩擊穿時電流急劇增大不同，這時的電流相當於源襯底PN結正嚮導通時的電流，而雪崩擊穿時的電流主要為PN結反向擊穿時的雪崩電流，如不作限流，雪崩擊穿的電流要大。

　　(3)穿通擊穿一般不會出現破壞性擊穿。因為穿通擊穿場強沒有達到雪崩擊穿的場強，不會產生大量電子空穴對。

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

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

　　(6)多晶柵長度對穿通擊穿是有影響的，隨著柵長度增加，擊穿增大。而對雪崩擊穿，嚴格來說也有影響，但是沒有那麼顯著。

　　2) Drain->Bulk雪崩擊穿:

　　這就單純是PN結雪崩擊穿了(Avalanche Breakdown)，主要是漏極反偏電壓下使得PN結耗盡區展寬，則反偏電場加在了PN結反偏上面，使得電子加速撞擊晶格產生新的電子空穴對(Electron-Hole pair)，然後電子繼續撞擊，如此雪崩倍增下去導致擊穿，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。(這點和源漏穿通擊穿不一樣)

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

　　當然除了doping profile，還有就是doping濃度，濃度越大，耗盡區寬度越窄，所以電場強度越強，那肯定就降低擊穿電壓了。而且還有個規律是擊穿電壓通常是由低濃度的那邊濃度影響更大，因為那邊的耗盡區寬度大。公式是BV=K*(1/Na+1/Nb)，從公式裡也可以看出Na和Nb濃度如果差10倍，幾乎其中一個就可以忽略了。

　　那實際的process如果發現BV變小，並且確認是從junction走的，那好好查查你的Source/Drain implant了

　　3) Drain->Gate擊穿：這個主要是Drain和Gate之間的Overlap導致的柵極氧化層擊穿，這個有點類似GOX擊穿了，當然它更像Poly finger的GOX擊穿了，所以他可能更care poly profile以及sidewall damage了。當然這個Overlap還有個問題就是GIDL，這個也會貢獻Leakage使得BV降低。

　　上面講的就是MOSFET的擊穿的三個通道，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的時候，但是有的時候Gate開啟下Drain加電壓過高也會導致擊穿的，我們稱之為On-state擊穿。這種情況尤其喜歡發生在Gate較低電壓時，或者管子剛剛開啟時，而且幾乎都是NMOS。所以我們通常WAT也會測試BVON，

　　不要以為很奇怪，但是測試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。(本文開始我貼的那張圖，Vg越低時on-state擊穿越低)

　　有可能是Snap-back導致的，只是測試機臺limitation無法測試出標準的snap-back曲線。另外也有可能是開啟瞬間電流密度太大，導致大量電子在PN結附近被耗盡區電場加速撞擊。