高壓RESURF-LDMOS的研究與設(shè)計(jì).pdf

1、LDMOS(Lateral Double-Diffused MOSFET)作為一種橫向功率器件，其電極均位于器件表面，易于通過內(nèi)部連接實(shí)現(xiàn)與低壓信號(hào)電路以及其它器件的單片集成，同時(shí)又具有耐壓高、增益大、失真低等優(yōu)點(diǎn)，如今已被廣泛應(yīng)用于功率集成電路中。這當(dāng)中，LDMOS結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣以及LDMOS自身工作的可靠性決定了整個(gè)功率集成電路的性能。傳統(tǒng)LDMOS的設(shè)計(jì)主要圍繞著擊穿電壓和特征導(dǎo)通電阻之間的合理折衷來進(jìn)行，但由于功率集成電路自身大

2、電流、高電壓的特點(diǎn)，其許多應(yīng)用都要求在高溫下工作，因而對(duì)LDMOS的安全工作區(qū)進(jìn)行設(shè)計(jì)也是必不可少的。因而需要對(duì)三者綜合考慮，以提高器件性能。 基于此，本文通過二維器件模擬軟件MEDICI對(duì)高壓LDMOS的主要參數(shù)如場(chǎng)極板、漂移區(qū)等進(jìn)行了細(xì)致的模擬與分析，同時(shí)對(duì)LDMOS的安全工作區(qū)，擊穿特性以及主要的高溫特性進(jìn)行了分析與建模，這些分析將有助于設(shè)計(jì)者對(duì)LDMOS進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。 本文首先回顧了功率器件的發(fā)展歷史，接著介紹了

3、幾種結(jié)終端技術(shù)，如場(chǎng)極板、場(chǎng)限環(huán)、橫向變化摻雜等，這些結(jié)終端技術(shù)在LDMOS的設(shè)計(jì)中被普遍運(yùn)用。然后，考慮到LDMOS的各種具體應(yīng)用范圍，結(jié)合當(dāng)今LDMOS的設(shè)計(jì)現(xiàn)狀介紹了幾種具體的LDMOS結(jié)構(gòu)，并比較了其主要性能參數(shù)。 LDMOS的場(chǎng)極板設(shè)計(jì)一直是LDMOS設(shè)計(jì)中容易忽略和遺漏之處。本文針對(duì)單階梯LDMOS的場(chǎng)極板進(jìn)行了全面的模擬與分析。模擬發(fā)現(xiàn)，對(duì)于以LOCOS工藝為基礎(chǔ)制作的多晶硅場(chǎng)極板，場(chǎng)極板的長(zhǎng)度、高度以及該有源區(qū)表

4、面被侵蝕厚度等對(duì)擊穿電壓均有一定的影響。在此基礎(chǔ)上，我們提出了一種雙階梯場(chǎng)極板LDMOS，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，其擊穿電壓和導(dǎo)通電阻均比單階梯LDMOS大大提高。由于LDMOS的漂移區(qū)對(duì)擊穿電壓和導(dǎo)通電阻的影響最大，本文接著對(duì)LDMOS的漂移區(qū)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，對(duì)于采用RESURF技術(shù)的LDMOS，通過調(diào)節(jié)漂移區(qū)結(jié)深、長(zhǎng)度、注入劑量等工藝參數(shù)，可以在擊穿電壓和導(dǎo)通電阻之間達(dá)到最合理的折衷。 對(duì)于LDMOS擊穿特性的建模是LDMOS研究的熱點(diǎn)和

5、難點(diǎn)，本文在其他作者研究的基礎(chǔ)上對(duì)LDMOS的擊穿特性進(jìn)行了全面的研究。首先分析了LDMOS的擊穿機(jī)理，通過對(duì)LDMOS的擊穿位置的模擬，歸結(jié)出LDMOS的擊穿位置可分為在表面擊穿和漏區(qū)下方體內(nèi)擊穿兩種，并相應(yīng)的予以建模。通過對(duì)LDMOS的非等溫模擬，本文對(duì)LDMOS的安全工作區(qū)(SOA)進(jìn)行了初步研究。LDMOS 的安全工作區(qū)是一個(gè)綜合的參數(shù)，它和多種因素相關(guān)聯(lián)，基本上可以分為短期SOA和長(zhǎng)期SOA兩種，本文相應(yīng)地給予了改進(jìn)方案。鑒于

6、溫度效應(yīng)對(duì)LDMOS的可靠性影響甚大，本文對(duì)LDMOS閾值電壓、導(dǎo)通電阻的溫度效應(yīng)進(jìn)行了研究與建模，結(jié)果表明LDMOS的閾值電壓隨溫度的上升近似線性降低，導(dǎo)通電阻則呈平方律拋物線增長(zhǎng)，與模擬結(jié)果十分吻合。 在工藝設(shè)計(jì)上，拋棄了傳統(tǒng)外延工藝，器件直接在單晶襯底上實(shí)現(xiàn)。所設(shè)計(jì)的LDMOS既可應(yīng)用于HVCMOS，也可由BCD工藝實(shí)現(xiàn)，即降低了成本，又大大增加了實(shí)際流片的靈活性。文中使用工藝模擬軟件Tsuprem4對(duì)器件進(jìn)行了工藝模擬，