（微电子学与固体电子学专业论文）30v24ghz+soildmos设计.pdf

摘要 摘要 随着移动通信技术的发展，r f ( r a d i of r e q u e n c y ) 功率放大器在整个r f 电路中有着广阔的应 用前景，而对于高性能、高集成度的r f 电路来说，薄膜s o i ( s i l i c o no f fi n s u l a t o r ) 技术是最有发展 前途的一项选择。s o i - l d m o s ( l a t e r a ld i f f u s e dm o s f e t ) 作为r f 功率放大器中的功率放大管影 响着整个放大器乃至整个电路的性能，r f 电路要求s o i - l d m o s 能有较高的耐压( 3 0 v ) 和较高的 截止频率( 2 4 g h z ) 。高压和高频的要求使得目前所用的r f 功率s o i - l d m o s 工艺复杂，不易集成。 且成本较高，所以设计出满足要求，又能与普通s o i - c m o s 工艺相兼容的s o i - l d m o s 在提高集成 度和降低成本方面有着重要的意义。 s o i - l d m o s 以优良的隔离性能、较小的寄生效应被r f 功率放大器所采用。本文设计了一个击 穿电压在3 0 v 以上，截止频率在2 a g h z 以上的r f 用的r e s u r f s o i - l d m o s 首先介绍了r f 用 r e s u r fs o i - l d m o s 豹历史发展过程和应用发展现状；然后对s o i - l d m o s 进行数学建模，分别 对s o i - l d m o s 的沟道、埋氧层、漂移区和场极板等参数进行计算，得到其理论值；然后通过 t s u p r e m - 4 软件模拟器件工艺过程、m e d i c i 软件模拟器件特性，通过对器件内部电场优化来对前面 计算得到的器件各个参数进行优化，从而得到最佳的击穿电压和截止频率的折衷；接下来通过m e d i c i 软件对前面设计优化得到的器件结构进行电气特性分析，提取器件工艺特性参数和电气特性参数 最后对流水中可能出现的器件失效机理进行分析，并提出改进方法。 本文设计的s o i - l d m o s 在经过优化后，通过软件模拟发现，关闭态击穿电压达到了7 0 v ，开 启态击穿电压达到了5 0 v ，截止频率达到了1 3 6 0 l - l z ，完全达到了设计的目标要求 关键词# r f 功率放大器、s o i - l d m o s 、击穿电压、截止频率 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h et e l e c o m m u n i c a t i o n , r fp o w e ra m p l i f i e rh a sap r o m i s i n gf u t u r e a n df o r h i g hp e r f o r m a n c ei n t e g r a t e dr fc i r c u i t s , t h i n - f i l ms o lt e c h n o l o g yi sab e s tc h o i c e a st h el a s tl e v e lp o w e r m o s p e to ft h er fp o w e ra m p l i f i e r , s o i - l d m o sa f f e c t st h ea m p l i f i e r sp e r f o r m a n c ee v e nt h ew h o l e c i r c u i t sp e r f o r m a u e e r fc i r c u i t sn e e ds o i - l d m o st oh a v eh i g hb r e a k d o w nv o l t a g eo o v ) a n dh i g h c u t - o f ff r e q u e n c y ( 2 4 g h z ) b u tt h et e c h n o l o g yo fh i g hf r e q u e n c yd e v i c et h a t 啪w i t h s t a n dh i g h b r e a k d o w nv o l t a g ei sc o m p l e xa n dd i f f i c u l tt ob ec o m p a t i b l ew i t hs t a n d a r ds o i - c m o st e c h n o l o g y t h i si s a l s oo l o ft h er & l $ o o $ o ft h e1 1 i g hc o s t t h u si ti si m p o r t a n tt od e s i g nap o w e rd e v i c ew h i c hh a sh i g h b r e a k d o w nv o l t a g e , h i g hc a t - o f ff r e q u e n c ya n ds a t i s l yt h ed e m a n da n di 摹c o m p a t i b l ew i t hs t a n d a r d s o i - c m o s s o i - l d m o si sa d o p t e db yr fp o w e ra m p l i f i e rb e c a u s eo fi t se x c e l l e n ti s o l a t i o np e r f o r m a n c ea n d s m a l lp a r a s i t i c a le f f e c t i nt h i st h e s i s 。ar f r e s u r fs o i - l d m o sw h i c hh a sh i g hb r e a k d o w nv o l t a g e ( m o r et h a n3 0 v ) a n dh i g hc u t - o f ff r e q u e n c y ( n m x et h a n2 4 g h z ) i sd e s i g n e d f i r s t l y , i nt h ei n t r o d u c t i o n s e c t i o n , t h eh i s t o r yo fi n v e n t i o no ft h er e s u r fs o i - l d m o sa n dt h ea p p l i c a t i o nm i n t r o d u c e d t h e ni n t h ef w s tc h a p t e r , t h ed e v i c ei sm o d e l e dt og e ta p p r o x i n m ev a l u eo fe a c hp a r a m e t 口i nt h es e c o n dc h a p t e r , t s n p r e m 4a n dm e d i c ia r eu s e dt oo p t i m i z et h ev a l u e sg o ti nt h ef i r s tc h a p t e r t h ep a r a 呦o ft h e s o i - l d m o si se x t r a c t e di nt h et h i r dc h a p t e r , s o m ee f f e c t ss u c ha sk i r ke f f e c t , f l o a t i n gb o d ye f f e c t , s e l f - h e a t i n ge f f e c ta n dh o tc a r r i e re f f e c te t c ，a r ei n t r o d u c e da n dm e t h o dt op r e v e n tt h e mi sa l s os h o w e di n t h i sc h a p t e r t h es o i - l d m o sd e s i g n e di n t h i st h e s i sh a sa7 0 vb r e a k d o w nv o l t a g ei no f fs t a t ea n d5 0 v b r e a k d o w nv o l t a g ei no ns t a t e , 1 3 6 g h zc u t - o f ff r e q u e n c y a n di ti sc o m p a t i b l ew i t hs t a n d a r ds o i - c m o $ s oi ts a t i s f i e st h ed e m a n d k e y w o r d s ：r fp o w e ra m p l i f i e r , s o i - l d m o s 。b r e a k d o w nv o l t a g e , c u t - o f ff r e q u e n c y - 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 研究生签名： 螽霉：垒日期：兰翌：华至 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文本人电子文档的内容和纸 质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包 括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名： 鑫垦车导师签名： 绪论 1 1 s o l 技术发展概述 第一章绪论 绝缘体上硅( s o t 。s i l i c o no ni n s u l a t o r ) 的结构特点是在有源层和衬底层之问插入埋氧层来隔断二 者的电气连接。图1 1 表示了硅基和s o l 基的s p i c 基本结构单元可见s 0 1 和体硅在电路结构上的主要 差别在于：硅基器件或电路制造在外延层上器件和衬底直接产生电气连接，高低压单元之间、有 源层和衬底层之间的隔离通过反偏p n 结完成，而s o i 电路的有源层、衬底、高低压单元之间都通过 绝缘层完全隔开o - 3 1 ，各部分的电气连接被完全消除 h i g hv o l t a g ed e v i o ec m o $ h 袖v o l t a g ed e v i c e c m o $ ( a ) 体硅结构( ”s 0 1 结构 图1 1 体硅和s o i 结构的比较 s o t 技术已有3 0 多年的历史，它的雏形是6 0 年代的蓝宝石上外嫩t ( s o s ) ”。最初的研究主要 是在军用和航天领域。但由于蓝宝石的高额成本和顶层硅的缺陷密度相对于体硅更高，限制了最小 尺寸的加工而不适合复杂结构器件的应用。采用硅衬底代替蓝宝石开发的绝缘体上硅技术，可代替 s o s 。用于低功耗、低压、抗辐射、耐高温电路、传感器及小尺寸高性能的c m o s 工艺的超薄器件。 研究表明，s o i 电路的抗辐射强度比体硅电路提高了1 0 0 倍【，】。 s o t t t 术的发展是根据其衬底技术的发展来划分的，可以分为3 个阶段，首先是在6 0 年代，s o i 结构第一次用s o s 产生，用于开发微处理器电路；第二阶段出现在年代初期，这时提出了在硅衬 底上形成s 0 1 结构，诞生了注氧隔离( s i m o x ) ，在这个阶段，主要开发了作为抗辐射器件的s r a m ； 第三阶段在年代中期，这时开发了键合和背面刻蚀s o i 技术( b e s 0 1 ) ，这一技术一直延伸发展到目 前。现在，s o i 器件的应用领域逐步从军用、航天和工业转向数据处理、通信和消费类电子领域。 为了得到低成本、高质量的s 0 1 材料，已开发了多种制备技术：即s o s 、注氧隔离( s i m o x ) 、 背面刻蚀与键合( b e s o x ) 、外延层转移( e l t r a n ) 、键合膜转移( u n m o n d ) 等。目前最成熟并己商品 化的技术主要有二种，一种是s 订o x 技术。适用于制备薄膜s o l 材料；第二种便是b e s o i 技术。 主要用于制各厚膜s o i 材料。 s i m o x 建立在掺杂工艺的离子注入技术基础之上，高能氧离子穿过一定厚度的体硅表面注入， 形成s i 0 2 层，再经过数小时的1 3 0 0 c 高温退火以提高氧化埋层和顶层硅膜的质量，如图1 2 所示最 大的氧化层厚度一般为4 0 0n m ，更厚的氧化层需要更大的注入剂量，但增大剂量会增大对表层硅晶 1 东南大学硕士学位论文 体的损伤，要保持晶体表面和减小错位的产生，硅片应置于5 0 0 ( 2 以上的环境中进行注入氧离子注 入生成的氧化埋层不如热氧化的s i 0 2 层致密、均匀，而且有相当多的界面态，在高温下工作容易被 电流击穿。 u n i b o n ds o i 是在智能剥离 s m a r t - c u 0 i 艺上发展而来的，它建立在离子注入和片子键合的基 础之上其制备工艺为：首先准备2 枚硅片，即a 片与b 片，b 片用作膜层转换基片，a 片经热氧 化生成s i 0 2 膜层；对a 片注入一定深度的氢离子形成智能剥离层；对两片经严格的清洗之后将 a 片氧化膜层与b 片低温键合为一体；将键合后的片子经5 0 0 1 2 的加热处理使片子在注氢形成的剥 离层形成微小的汽泡；沿剥离层为基准面发生裂解：硅片a 表层几百纳米厚的s o i 膳l 便转移到b 片上， 再经过1 1 0 0 1 2 的氮环境退火后进行化学机械抛光处理，除去1 0n l n 左右的表面，形成表面粗糙度 0 1 1 5n m 的s 0 1 片( 如图1 3 ) 。由于采用这种工艺的s i 0 2 ：l 里层是用热氧化生成的，从而大大提高t s i 0 2 膜的质量，增加了器件的可靠性，延长了器件的寿命此外，裂解后的硅片a 可以回收作为下次膜转 移的基片使用，使其成本大大降低 图l 工s i m 0 x 工艺示意图 图1 3u n l b o n d 工艺示意图 图1 5 给出了e l t r a n 技术的工艺流程，首先在硅片a ( 耔晶片) 的多孔硅层上外延生长一层高质 量的硅膜，再进行热氧化处理在籽晶片的外延硅膜上生成s i 0 2 膜层。将籽晶片的氧化层作键合基准 与硅片b ( 传输片) 键合成一体用高压水喷射键合片的多孔硅界面，使其沿多孔硅界面分裂刻蚀除 去传输片上剩余的多孔硅后经氢退火处理便形成平滑的外延s o i 片分裂后的籽晶片可回收循环使 用，从而大大降低s o i 片的制造成本 b e s o i 是目前最为成熟且广泛应用的技术，它建立在硅片直接键合技术( s d b s o d 的基础之上 在最初的s d b s 0 1 技术中，首先将2 枚硅片的1 枚顶层热氧化生成s i 0 2 层，然后用氧化层作键合界 面将2 硅片键合在一起，随后进行退火促进界面氧化、提高界面的机械应力，最后将1 枚衬底从几百 微米。经过机械研磨和抛光，便形成了均匀性为2 0 3 0 的1p m 厚s o i 膜圆片为了提高s 0 1 材 料的质量( 均匀性、粗糙度) 、降低缺陷率，进而开发了化学刻蚀阻挡层技术如图1 4 所示，改进均 匀性的b e s o i 工艺为：首先在硅片a 上用s i g e 、碳注入、磷外延方法形成刻蚀阻挡层和多孔硅 膜；在硅片b 上进行热氧化形成s i 0 2 膜；以多孔硅层( a 片) 和氧化层( b 片) 为键合界面将a 片与 b 片键合为一体：对a 片阻挡层背面的硅进行腐蚀去除 采用了s o i 技术后，与体硅m o s 肼相比，s o i - m o s f 鄹l 具有许多显著优点如无闩锁效应。寄 生电容小速度快，器件隔离简单，易形成浅结，抗辐射能力强工艺简单等s o i - c m o s 电路功 2 绪论 耗更低。可小于1 0 0 m w ，电源电压可小于l v 。速度可提高2 0 3 0 0 ，工艺特征尺寸可等于或小 于0 1u m ，芯片尺寸可缩, 1 4 0 6 0 使c m o s 电路有了革命性的突破“1 特别是薄膜 s o i - m o s f e t ，能有效地抑制m o s f 壬嘲 件的小尺寸效应。因此在深亚微米v l s i 技术中具有的优势 和潜力日益受到重视。s o i 技术也因此被认为可能成为2 l 世纪集成电路的主流技术一一硅基础电路技 术 刻蚀阻挡层 s i g e 碳离子注入 p + 外廷 吉由宙固 片1 上刻蚀阻挡层工艺 片2 上氧化 目各 片1 与片2 键合 图1 4 背面刻蚀 b e s o it 艺示意图 1 2r e s u r fs o l - l d m o s 发展概述 图1 5e l t r a n3 - 艺流程 人们在对s o i 的高压器件的研究中，最初是采用体硅器件的结终端耐压技术来解决s o i 器件的 耐压问题的1 9 9 0 年，y s h u a n g ，b j b a l i g a 等人首次提出了把砌三s u r f 理论应用到s o i 器件上唧， 可使器件在反偏时漂移区全部耗尽，并把击穿点从表面转移到体内，从而获得较高的击穿电压。如 图1 6 所示，在2 5 u m 厚顶层硅和4 u m 厚埋氧层时得到击穿电压为6 0 0 v 。产生了第一个r e s u r f 的s o i 器件 ! ：_ 卜m f r n e ( i i i d e 幢c t 0 i a t l e n 弹雌 “ 0 , 2 4 m n 佃 图1 6r e s u r fs o l 二极管图1 7 漂移区分区的r e s u r fs o i l d m o s 结构 r s u n k a v a l l i 等提出了在漂移区进行分区变掺杂的方法来改善s o l 器件的击穿特性嗍他们将 漂移区分成两区或多区来改善表面电场分布如图1 7 所示在顶层硅厚度和埋氧层厚度都为3 u r n 时采用两区和三区掺杂，分别设计得到了耐压为3 5 5 v 和6 0 0 v 的高压器件j l u o 等人把该结构应 3 东南大学硕士学位论文 用于r f 领域，发现其还有降低导通电阻和k i n k 效应、提高开态击穿电压和饱和漏电流等优点1 张盛东等人进一步提出了一种通过优化注入窗口( 大小、间距) 和退火条件( 温度、时间) 等手段 来获得线性漂移区杂质分布的新方法，如图1 8 所示。该方法采用一张掩膜版就可以得到近似线性 的漂移区杂质分布，从而获得了近似为矩形的表面电场“2 1 昌 目 才 二 ： sgd 图i s 线性漂移区制作演示图 图1 9 双r e s u r f 结构的s o i l d m o s 另外，为了获得击穿电压和导通电阻之问的良好折衷，人们又做了许多的研究，总结得到了 d o u b l er e s u r f 技术“、采用槽形场氧的方法来缩短漂移区长度1 哪和s u p p e rj u n c t i o n 技术嗍等方 法，分别如图1 1 9 到图1 1 1 所示，获得了良好的效果。通过进一步的研究表明，s u p p e rj u n c t i o n 结 构不但具有高耐压、低导通电阻的特性，而且具有高跨导、大电流驱动能力等优点，在r f 领域中 有着广阏的应用前景“。 图1 1 0 槽形场氧的s 0 1 l d m o $ 1 3r fs o i - l d m o s 发展现状 目前，r f 功率s o i - l d m o s 是器件研究的一个热点，国内外不少企业和研究机构都在对此进行 研究，以期得到截止频率更高、性能更好的r f 功率s o i - l d m o s 。从工作电压和应用频率来划分， 主要可以分为以下几类： l 、低电压、高频( 工作电压在5 v 以下) 的r f 功率s o i - l d m o s 研究：由于要求的电压较低， 所以器件结构非常接近于普通的m o s 管，像多伦多大学，s 啦a p o r c 国立大学等机构都有人员从事 这方面的研究。在研究的时候都是侧重于如何提高r f 功率l d m o s 的r f 性能，如何改进输出功率 4 ( p o u t ) 、线性度( 1 i n e a r i t y ) ，增益( p o w e rg a i n ) 、输出效率( p a e ) 及s 参数( sp a r a m e t 日) 等多 个重要参数以及如何提高集成度等问题。多伦多大学研究的用于混频器的d u a lg a t e 结构的m o s 管， 在l v 电压和i g g h z 频率下工作，具有非常好的抗失真情况l l t ls i n g a p o r e 国立大学的研究员s h u m i n g x u 、p a n g - d o w f o o 等人提出了部分s o i 结构( 即只有漏区和漂移区下有氧化埋层) 的s o i - l d m o s 器件结构，如图1 1 2 所示与体硅m o s 器件相比，可以降低5 7 的输出电容和提高3 7 的输出功 率l l q l 另外他们设计的阶梯状漂移区浓度的l d m o s ，寄生反馈电容c k 可以减小4 0 输出效率 可以达到3 5 ，器件的热阻减小7 0 【l 观 6 s o u r c e s u b s t r a t e 图1 1 2 半s 0 1 结构的l d m o s 圈1 1 3 器件结构图( a ) 俯视图( b ) 翅i 过a - 臀 的剖面圈( c ) 通过b b ，的削面图 2 、电压较高而工作频率较低( 电压在5 v 以上频率在i g h z 以下) 的r f 功率s o i - l d m o s 研究：有一些大学的科研机构和m o t o r o l a 、p h i l i p s 等公司的研发中心在进行着相应的研究，但工作 电压也都在3 0 v 以下由于电压和频率的要求相对较低，所以研究的重点在于如何提高器件的r f 性能和提高集成度2 0 0 0 年香港科技大学的研究人员设计的无线传输用的集成r f 放大器中的r f 功率l d m o s ，击穿电压在2 0 v 左右，在9 0 0 m h z 频率下，具有1 6 d b 增益、4 9 的输出效率刚 美国h l i n o i s 州大学的微系统研究中心研制了工作电压为2 8 v 的r f 功率l d m o s 器件结构，对 l d m o s 的源区进行了修改，在宽度方向上将源区分成多个i l + p + 相间隔的区域，如图1 1 3 所示，首 次将s o i - l d m o s 集成应用到频率为i g h z 集成功率放大器中口l 】 3 、电压和频率都较高( 电压在2 0 v 以上，频率在2 g h z 以上) r f 功率s o i 1 d m o s 研究：由 于电压和频率的要求都比较高，所以这方面的研究主要集中于保证耐压的同时来提高截止频率，在 满足击穿电压和截止频率的同时再来提高器件的r f 性能。2 0 0 1 年，香港科技大学和s i n g a p o r e 的 研究员联合对无线传输用的s o i 集成功率放大器进行了研究，使l d m o s 、c m o s 、b j t 同时集成 到了s o i 衬底上，如图1 1 4 所示。其中l d m o s 的酎压达到了2 0 y 截止频率在 g h z 昀嗍2 0 0 4 5 东南大学硕士学位论文 年l e e 文章表明，美国a g e s y s t e m 公司的研究员设计的l d m o s 器件可应用于2 8 v ，2 i g h z 的 r f 功率放大器中。其增益达到1 4 s d b ，输出功率达1 3 0 w ，效率可达6 0 ，密勒电容c l 。与频率的 关系也有详细的研究鲫。 s p i r a li n d u c t o r l d m o s b i t t 灌笛s f l 卫d ；ct 魁s f l 卫d ；c n + l pi n + ll p + lh | p + b u r i e da z i d e 0 z i d p i t t f o t m 卜s u b s t r t h + l p l 矸- ln + 图1 1 4c m o s 、电感、l d m o s 集成在同 个s o i 衬底上的剖面图 1 4s o i l d m o s 在移动通信电路中的应用 移动通信的最终目标是实现任何人可以在任何地点、任何时间与其它任何人进行任何方式的通 信。现在广泛使用的第二代移动通信，是以t d m a 或c d m a 为主的数字蜂窝系统。如g s m d c s l 8 0 0 、 i s 2 9 5 等，其容量和功能都比第一代模拟系统有了很大的提高，但其业务种类主要限于话音和低速数 据随着对通信业务种类和数量需求的剧增，第二代移动通信系统已不再能满足人们的需要。于是 第三代移动通信系统就应运而生了。称i mt2 0 0 0 。i mt2 0 0 0 计划于2 l 世纪初投入运行和开放业务， 工作于2 0 0 0 m h z 频段范围。传输速率达2 mb p , 由于用户不断在数据容量、互连网存取、视频及其它方面对第3 代无线通信系统提出更高的要求， 促使器件制造商不断开发新工艺。从而带动了半导体技术的发展。第3 代系统对电话射频部分的性能 规定了严格的要求，对手机功率放大器和基站放大器的性能要求也要比第2 代系统严格得多。移动电 话和无线设施( 如基站) 所用半导体技术差别很大，主要因为系统对功率的要求差别较大w c d m a ( 宽带码分多址) 需较高的输出功率和良好的线性，因为传统的窄带c d m a 系统只是在一个通道土 发射对话和传呼信号。而w c d m a 网络将支持大范围的无线数字服务，如h i 【c f n e t ，i 曲硼l c 【和其它网 络服务器( 口) 的应用、视频、高速数字通信和交互服务这些复信号的信号密度要求较好的放大 器线性以满足所需要的相邻信道功率比( a c p r ) 。一些人士认为，功率放大器的发展方向是更新的 芯片结构，更大的功率、更高的增益、更佳的效率和更好的线性度。对用户而言。效率和线性度是 两个非常重要的参数。以l d m o s 技术为基础的功率晶体管可提供大的输出功率，好的线性及简单的 偏置要求瞄1 另外，射频电路的应用越来越多，在移动通信设备、无线局域弼、航空电子设备、雷达、微波 发射电路、m e m s 传感器及执行器等等中，射频电路都是不可或缺的部分从电路的应用情况来看， 6 s som d c s 射频电路所采用的工作电压是各不相同，有低电压就可以实现的，也有需要高电压实现的。例如移 动通信基站的射频电路工作电压就有2 8 v | 【2 6 以上，工作频率为9 0 0 m h z 一2 4 g h z ；数字r f 移动通讯 器件的工作频率一般也在9 0 0 m h z 一2 5 g h z 之间；短距离无线传输设备的工作频率在2 5 g i - i z 以上； 中长距离传输的工作频率在8 0 0 m h z 一2 4 g h z 之间。同样，以l d m o s 技术为基础的功率晶体管作 为整个射频电路的重要组成部分，在电路功能中起着至关重要的作用目前世界上的几个大的r f 功率m o s 器件生产厂商都在开发新型的r f 功率m o s 嚣件，以提高放大器的性能，并且获得了饭 大的成功1 2 7 - 2 埘 1 5 本论文的主要工作 由于r f 器件的特殊要求，作为射频电路功率放大管的高压s o i - l d m o s 在工艺上无法和普通 s o i - c m o s 工艺很好的兼容，很多应用场合中r f - l d m o s 都是以分立器件的形式应用的，造成了成 本的上升，所以能否设计出耐压功率频率都满足要求，节省面积且与普通a s 工艺相兼容的r f s o i - l d m o s 就具有重要意义 本文的主要工作是设计一个能够承受3 0 v 电压，工作频率在2 4 g h z 一下的高低压兼容的r f l d m o s 。首先根据器件要求，通过对s o i - l d m o s 的各个部分进行建模得到一个满足性能要求的器 件各个参数的近似值：然后通过t s u p r e m - 4 软件模拟器件工艺。m e d i c i 模拟器件性能，对器件进行 反复优化，得出器件各个参数的精确值；分析器件的直流、r f 特性和流水中经常遇到的各种失效机 理，对器件的设计给出反馈性的指导。 ， 东南大学硕士学位论文 第二章s 0 1 l d m o s 参数建模计算 设计一个器件。首先应该根据器件要求估算各个参数的值。比较精确的估算方法是进行数学建 模，然后一一计算出各个参数的值。本章通过基本的数学、物理知识对一个s o i - l d m o s 的各个参 数进行详细的建模 2 1 沟道区设计 首先研究的是沟道长度和沟道区杂质浓度的选择。如图2 1 所示是s o i - l d m o s 模型结构分析 示意图，其中阴影部分是耗尽区 2 1 1 沟道的最小长度和最大长度 沟道的最小长度“m 是由穿通击穿来决定的假设沟道下杂质浓度为 k ，漂移区的浓度为 d ，外加工作电压为，根据缓变结的泊松方程容易得到耗尽层在沟道区的展宽距离】为； 上协山。x d = ( 2 - i ) 其中，c 为缓变p - n 结的接触电势差 沟道的最大长度厶n 由s o i - l d m o s 的截止频率决定在m o s 管的小信号等效电路中的输 入端，由于c 矗的阻抗随着输入信号频率的增加而下降使得流过栅源电容的电流随频率增高而上 升。通常，把流过c 0 的电流上升到正好等于交流短路输出电流白时的频率定义为截止频率疗 由于流过漏端的电流= 譬。v p 而流过c | j 上电流等于0 = c ，p ，钌p ，所以由定义可得z 8 s o i - l d m o s 参数建模计算 g _ v p = 脚c f v f ， 2 1 2 沟道区杂质浓度 = 垫! ：堕2 坠l 2 二型 ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) ( 2 _ 4 ) 沟道区杂质浓度主要由器件的开启电压决定： k 一( 西m + 夸+ 竽+ 2 k g o _ _ f _ r - n 百n c k 协” v 甜 v 村 y 开启电压的大小直接决定高压m o s 器件的电流大小，因此要根据实际所需的工作电流进行沟 道浓度的调节 2 2 氧化埋层厚度设计 对于s o i - l d m o s 的击穿电压，主要是横向的击穿电压引和纵向击穿电压占k 对于薄膜的 $ 0 i 器件，s 0 1 硅层的纵向压降几乎可以忽略不计，纵向的压降都分布在氧化埋层上所以s o i 器 件的纵向击穿电压曰u 主要由氧化埋层厚度决定。 根据高斯定理有， e y - 气= 层，_ 矗 其中e y , s 1 0 2 为界面处氧化层中的电场强度；马埘为界面处硅中的电场强度；9 为硅的介电常数； f 。为二氧化硅的介电常数。对于掺杂浓度为1 0 1 6 c m - 3 时的硅，击穿电场在( 2 - 4 ) x l o s v c m ，此时， 氧化层的电场在6 xi o 5 v l c m - - 1 2 xi o 5 v c m ，远低于其击穿电场6 x1 0 6 8 x1 0 6 v 所以纵向击 穿不会发生在氧化埋层中，只会发生在硅层中，氧化埋层的厚度应当大于一个值，使得硅和二氧化 硅界面的硅中电场小于临界击穿电场 = e c i 气。子( 2 - 6 ) - 9 一 甏兰铲 = 一一 一面一 肌一 出口一坐石 = 一 厂一 堂一一 专。：一 东南大学硕士学位论文 2 3 漂移区基本参数设计 漂移区是l d m o s 成为高压器件的最主要原因。漏端所加电压几乎全部由漂移区承担，因此漂 移区设计的好环直接影响器件的耐压。漂移区的杂质浓度远低于标准低压工艺的漏区。工作时，漂 移区完全耗尽，大部分源漏电压分布在漂移区上，从而源漏之间可以承受很高的电压 漂移区浓度太高，工作时漂移区不能完全耗尽，等压线聚集在漂移区左侧，从而耐压降低，击 穿点在漂移区左侧沟道附近；漂移区浓度过低，漂移区完全耗尽，同时p + 区也有一部分耗尽，此处 高浓度的空间电荷产生很高的电场，导致碰撞电离率积分接近l ，从而降低耐压当漂移区浓度适 中，漂移区完全耗尽，沟道附近及漏端电场强度同时达到临界电场，此时器件的源漏耐压最高，称 之为漂移区浓度满足r e s u r f 技术漂移区浓度设计的主要目的是调整漂移区浓度使其满足 r e s u r f 技术 圈2 2 简化s 0 1 l d m o s 纵向翻示图 漂移区模型如图2 2 所示，假设漂移区采用离子注入法，然后再在高温下进行较长时阃推阱， 这样，可以认为是有限源扩散，由于s o i 层较薄，所以认为整个s o i 层都是漂移区。而且漂移区纵 向浓度均匀。如果漂移区全部耗尽，忽略x j 的影响，则漂移区的电荷密度是： 烈工，y ) ：目( h f ) ：一! ! 望生( 2 - 7 ) b 下面分别从横向和纵向推导漂移区参数 x 方向，根据泊松方程得到： 盟：型生 出2 乞 d 2 v 2 ( x ) ：= - q n ( x ) 出2 乞 其中。 x o ) ( o x i _ d ) i o ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) s o i - l d m o s 参数建模计算 ( 工) ：盟 0 ( 2 - 1 0 ) 为漂移区注入剂量。由方程( 2 8 ) 得到，d v ( j ) 出= 一口“吖乞+ c l ，其中边界条件为 x = 一l i 砒，d v t 0 0 d x = o 。c i = - q n 。h l , 。 驯= 掣一警( 毗) l x ( 2 - 1 1 ) 由方程( 柳和( 2 - 1 0 ) 得到：d y 2 ( 力出= 一日q o 以屯+ c 2 ，边界条件为在x = 0 处， e i ( o ) = e 2 ( o ) 得到c 2 = c i = 一日d t 乞 啪，= 掣一鲁工一警t 协 由方程( 2 - 1 1 ) 得到，k ( 曲= 一q n 。h ( x 2 2 + & x ) e , + c s ，边界条件为z 一t 时，v l ( x ) = o 。 得到c 3 = 一叫。t 2 2 乞 嘲一等( h ( 2 - 1 3 ) 由方程( 2 - 1 2 ) 得到k ( 工) = 一q g , x 2 2 e , t d g k l 工乞+ c 边界条件为v 2 f o ) = v t ( o ) ， 既1 、土c i = 一唾n 。l ? | 2 8 i 驰卜篆 警扣等t 2 根据电荷守恒，有： 矾t ：鼋拿厶 0 可以得到： l = 击乙 将式( 2 - 1 6 ) 代入到式( 2 - 1 2 ) ，得到漂移区和沟道接触处的p n 结的电场强度， 一鲁l 在y 方向，根据泊松方程得到。 ( 2 - 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) ( 2 - 1 7 ) 东南大学硕士学位论文 g 掣：- q n ( y , t ) ( o s ) ，s b ) 方2乞 、 。 d 2 y 2 ( ) ，) 匆2 也+ k y ! g t d + f h + f 。) ( 2 - 1 8 ) ( 2 - 1 9 ) ( 2 - 2 0 ) 由方程( 2 - 1 9 ) 得到；a v 2 ( y ) a y = 一口m ) ，乞+ c 2 ，其中边界条件为。y = t a + f h + f i 时 a v 2 ( y ) a y = o 由边界条件可以得到c 2 = 儿( 屯+ r h + f j ) 乞 啪)=竽=qnq“(ta+k+t,-yay ) s ( 2 - 2 1 ) 由方程( 2 - 1 8 ) 和( 2 - 2 0 ) 得到：e ( ) ，) = - q q o y e ，t dy + c i 由于在氧化层中电场强度相同 所以由边界条件e l ( 屯) = e 。( ) ，) 0 = e 2 ( t d + f 蛔) 乞可得到： 轴) = 訾。等沪) ( 2 - 2 2 ) 由方程( 2 - 2 1 ) 得到：v a y ) = j 易( ) ，) 咖= 鼋柚俺。( t d + k + f ，) ) ，一q n d y 2 弛+ q 边 界条件为k 以+ f 蛔+ f j ) = o ，因此可以得到：q = 一m 2 乞( t d + k + f 1 ) 2 ，所以有： k ( _ ) ，) = _ q 1 k - u b r fi l ，2 - r _ 也+ f n + ) y 一三( + l 蛔+ f j ) 2 】 ( 2 - 2 3 ) 由方程( 2 - 2 2 ) 得到：k ( y ) = ( g m t 乞+ q q o e , ) y q q o y 2 2 乞屯+ g 。由边界条件 k ( ) + 以k = k ( + k ) = 一q 。f ，2 碡，可以得到： c l = 一q n 柚2 e i q ? + 2 t l t d ) 一q q o t d 2 , 一q n 吣t h f e 。 k ( y ) = 譬+ 争y 一瓦q q 屯o y z q 毪n , 曲( f 1 2 + 红一等一警k 。：埘， 面= 叫( o ) = 等( f ，2 + 2 t , t a ) + 鲁+ 警f l k 又由电荷守恒，应有。 - 1 2 ( 2 - 2 5 ) s o l l d m o s 参数建模计算 q lh y ，t ) d y = q t , n m 因此得到： = 老 由方程( 2 - 2 2 ) 。可以得到s o i 层底部电场 移附螺界面= e l ( t d ) = i q q o 2 4 场极板设计 2 4 1 场极板长度参数设计 为了提高r e s u r f s o i - l d m o s 的表面击穿电压，常常加上场板，以增加其击穿电压 如图2 1 根据泊松方程： d 2 ( p s ：一里坠 出2 t 可以得到漂移区表面电场： e ：q n o x d 4 乞 表面电势： 纯= 皇擎 ( 2 - 2 6 ) ( 2 2 7 ) ( 2 - 2 8 ) ( 2 - 2 9 ) ( 2 - 3 0 ) ( 2 - 3 1 ) 假设在s i - s i 0 2 表面不存在任何电荷，那么在s i s i 0 2 表面根据高斯电场连续规则可以得到： 。e。=eiei(2-32) 将( 2 - 3 0 ) 代入( 2 - 3 2 ) 可以褥到： ：。：q n 了d x d t o * ( 2 - 3 3 ) - 甜 其中k 是漂移区上方氧化层的厚度假设在漏极所加的工作电压为畅。橱上所加的电压为k 如果m o s 器件的漂移区采用r e s u r f 技术优化，那么漂移区横向各点的电位和它与漏极的距离近 似成正比即漂移区的长度为“，则场极板右边缘下漂移区的电位可近似为z 巧= 苦屹 q 东南大学硕士学位论文 所以从场极板往下的电位可以表示为： 匕一k 。= 巧= 嘭一一览 其中v k 为平带电压将( 2 - 3 1 ) 、( 2 - 3 3 ) 4 协( 2 - 3 5 ) 得到： 虻一巧= 警+ 警 解方程( 2 - 3 6 ) 可以得到勘为： x 4 = 一老。 当场板长度最优化时，场板下的耗尽区刚好到达漏极边缘，所以得到场板的长度为： l s = 厶一x d = l 一 + 老。 ( 2 - 3 5 ) ( 2 - 3 6 ) ( 2 - 3 7 ) ( 2 - 3 8 ) 其中厶为漂移区长度。所以场极板所需的长度最大长度可以由公式( 2 - 3 8 ) 决定；场极板的边 缘距离漏极的最小距离施可以由公式( 2 - 3 7 ) 决定。 2 4 2 场极板的击穿电压 场极板的击穿分为两种情况。一种是在场极板内部击穿，另一种就是在场极板的边缘击穿。 对于场极板的内部击穿，可以看作是无穷大场极板的击穿。 弋s i q r 戥 如i i n t e r f a c e 图2 3 硅和二氧化硅表面电场分布图 在硅和二氧化硅的界咖电场分布如图2 3 所不，根据两册足理硐 。面c o s o c l 丢一面丢 协3 9 ) 口是界面上的自由电荷面密度a l 和a 2 的取值和场强的实际分布有关当发生i n 结击穿时， 体内击穿场强为最m 则有e 二=