高压功率IC片上静电防护器件

导语：LDMOS晶体管（Lateral Double-diffused Metal-Oxide Semiconductor, LDMOS）已广泛应用于电源管理集成电路、LED/LCD驱动器、手持和汽车电子等高压功率集成电路。了解LDMOS的静电防护性能，有益于高压功率IC的片上静电防护器件设计。

正文：

高压功率集成电路是半导体产业的一个重要分支，在汽车电子、电源管理、高压驱动、航天航空、武器装备里有着广泛的应用。功率IC往往因为大电压、大电流、强电磁干扰、频繁拔插、室外高低温等特殊工作环境，对其片上ESD设计提出了更高的防护要求。

LDMOS是功率IC的常用器件，它与低压MOSFET一样存在静电泄放电流非均匀分布的问题，因而而器件在不做任何改进的情况下，不能充分发挥其静电防护的潜能，是LDMOS器件静电鲁棒性提高的主要障碍。

1. 单指器件静电泄放电流非均匀分布的TCAD仿真

对单指nLDMOS器件建模，对器件进行瞬态仿真。如图1、图2所示为器件在静电泄放不同的时刻，器件剖面的电流密度分布，证明了单指器件的部分开启，会导致ESD电流非均匀分布，单指器件的失效电流实际上只是开启部分的寄生BJT失效时承受的ESD电流。

图1  t=0.4ns时M1、M2的电流分布          图2  t=3ns时M1、M2的电流分布

2. 多指器件静电泄放电流非均匀分布的TCAD仿真

多指nLDMOS器件，其各叉指等效的寄生三极管基极因被深N阱隔离，使得各个叉指基极电阻一样大。因而从理论上讲，相对于基极电阻差异化的低压多叉指NMOS器件而言，各叉指应该同时触发。但事实上，还有其他因素无法保证所有叉指在ESD应力下被同时触发，比如，材料本身的不均匀性、在物理版图位置上距离IO/GND PAD的远近、金属连线的区别、器件本身的大面积特征。如图3、图4所示的2叉指和4叉指器件，分别只开启了1叉指和2叉指。

   图3  两叉指 nLDMOS的泄放电流分布         图4  四叉指nLDMOS的泄放电流分布

3. 单指、多指器件的TLP测试验证

从图5可以看出，单指器件失效电流不与指长W成正比例增加；从图6可知，多指器件失效电流不与叉指数目F成正比例增加。测试结果从侧面证明了，高压LDMOS的单指、多指器件存在电流的非均匀泄放，简单地增加器件指长或叉指数目，无法有效地提高LDMOS器件的静电防护等级。

图5 单指器件的TLP测试IV曲线对比   图6 多指器件的TLP测试IV曲线对比

湖南静芯微电子技术有限公司经过五年的工作积累，从器件结构、触发方式、版图形式多个角度对LDMOS器件进行专业设计，开发成功系列5kV/8kV/15kV的高压片上LDMOS静电器件，解决了单指、多叉指LDMOS器件的电流非均匀性问题。直接选用本公司静电器件或委托定制设计，可提升客户功率IC的静电可靠性。

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