（材料物理与化学专业论文）射频ldmos的击穿电压与静电保护.pdf

摘要 摘要 横向高压功率器件l d m o s ( l a _ t e m ld i f n l s e dm e t a l0 x i d es e i i l i c o n d u c t o rf i e l d e 圩e c tt r a n s i s t o r ) 以其高耐压、高增益、高跨导、宽动态范围、低失真和易于与低 压电路工艺兼容等优点，广泛应用于射频功率集成电路中。射频大功率l d m 0 s 由于具有p 、l 波段以上的工作频率和高的性价比而成为3 g 手机基站射频放大器 的首选器件。如今l d m o s 已经发展到了第五代，设计者们都在努力的通过改变 器件的结构或者工艺来提高器件的整体性能。因此，本文在频率特性和电学特性 满足使用要求的情况下，主要集中在可靠性的研究方面。 本文利用二维器件模拟软件i s e ，建立了射频l d m 0 s 器件的模型，比较了射 频l d m o s 器件的击穿电压和衬底浓度、漂移区浓度、沟道区浓度的关系，分析 了r e s u i 强技术原理，验证了r e s u r f 技术对提高l d m o s 击穿电压的作用。最 后，通过对各个参数的模拟比较，得到了优化的射频l d m o s 结构，在大量模拟 实验的基础上，最终为射频l d m o s 的设计奠定了数据基础。 射频l d m o s 可靠性的研究主要从两个方面进行。一方面是从击穿电压方面 研究，击穿电压是射频l d m o s 一个重要的电学参数，同时也是器件可靠性的一 个重要方面，我们主要从结构上进行调整，使器件的击穿电压满足使用要求，同 时分析了r e s u i 江技术原理，讨论了击穿电压和衬底浓度、漂移区浓度、沟道区 浓度的关系。另一方面是从e s d 方面进行研究，由于静电放电引起的局部电热击 穿也是l d m o s 可靠性关键的一个方面，在论文中主要讨论了电热击穿的基本机 理和在不增加器件尺寸的情况下不同的l d m o s 结构在提高二次电流方面的作用。 我们在二维器件模拟软件i s e 平台下，采用i 冱s u r f 技术，提出了在器件内 部嵌入一个寄生晶闸管的横向双扩散m o s f e t ( e s c r l d m o s ) 结构。模拟了基 于r e s u r f 技术的r f l d m o s 的频率参数哳、g m ) 、电学参数( 攻、几；、引么) 和反应可靠性的雪崩击穿电压( b ) 和二次电流( 昆) 。文中重点讨论了 e s c r - l d m o s 器件的击穿电压、电热击穿机理和由于e s d 引起的二次电流见和 频率特性，最后给出器件的各个电学参数的模拟结果。在工作频率为1 g h z 、阈值 电压为3 8 v 且在不增加器件尺寸、并保持相同的漂移长度( 2 7 啪) 和击穿电压 ( 4 0 v ) 的情况下，与传统的l d m o s 器件结构相比，e s c r l d m o s 新结构的二 次电流见是普通l d m o s 的7 5 倍，并表现出优异的频率特性。 关键词：r e s u r f雪崩击穿电压e s c r - l d m o s静电放电二次电流 a b s t r a c t a b s t r a c t la _ t e r a lh i g h - v o l t a g ep o w e rd e v i c el d m o sh a sa d v 孤t a g e so fh i 曲v o l t a g e ，l a 玛e g a i l l ，h i g h 订a 1 1 s c o n d u c t a n c e ，w i d ed y n 砌cr a n g e ，l o wd i s t o n i o na n dc o m p a t i b i l i 哆w i t h l o w v o l t a g ec i r c u i tp r o c e s s l d m o si sm o r ca n dm o r ew i d e l yu s e di np o w e rm d i o 舶q u e n c yi n t e g r a t e dc i r c l l i t s l d m o si st h ep r e f 孤dd e v i c el l s e d 协t h er f 锄p l i 丘e r o f3 gb a s es 诅t i o 船b e c a u s eo f i t sh i 曲o p e r a t i n g 丘e q u e n c yu pt opo rlb a l l d 锄d a _ 哳a c t i v em t i oo f p e r f o n n a l l c ea 1 1 d 面c e n o w a d a y s ，l d m o sh a sd e v e l o p e dt ot h ef i f n l g e n e r a t i o l l ，d e s j g n e f s 仃yt 1 1 e i rb e s tt oi m p r o y e 也ew b o 】ep e d b n n a l l c e st l l r o u g ha 】t e r i n g d e v i c es n c t l 】r e 粕dc h a i l g i n gp r o c e s s t h e r e f o r e ，t h eh o ts p o to f t h i sa n i c l ec o n c e n 仃a t e o nr e l i a b i l i t yo fl d m o sw 1 1 e n 缸q u e n c yb e h a v i o ra i l de l e c t r i c a lb e h a v i o rm e e t a p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t i nt h ep 印e r ，t h es t n l c t 砒ea 1 1 dm o d e lo fr f l d m o sh a db e e ne s 协b l i s h e d ；t h e r e l a t i o n so ft l l eb r e a l 【d o w nv o l t a g et ot 1 1 es u b s 觚t ec o n c e n t r a t i o n ，d r i rd o s e sa 1 1 d c h a i l l l e lc o n c e n t r a t i o nh a db e e nd i s c l l s s e di l ld e t a i l 谢t ht h es o r w a r ei s e n l et 1 1 e o d ro f t h ef r e s u ft e c 王1 1 1 0 1 0 9 ) rh a db e c i la n a l y z e d ，t 1 1 ee 腩c to f 吐屺r e s u r ft ot h el d m o s h a db e e np r o v e d a tl a s t ，m eo p t i m a ls t m c t i l r eo fr f - l d m o sh a sb e e nr e c e i v e da 矗e r t h es i m u l a t i o i l so nt l l ep a r 锄e t e r so ft h er f l d m o s l o t so fd a t ah a v eb e e nr e c e i v e d f o rt h ef i n a ld e s i 印o f r f - l d m o s w br e s e a r c hm er e l i a b i l 时o fr f l d m o s 丘d mt 、v 0a s p e c t s f i r s t l y ，b r e a k d o w n v o l t a g e b r e a k d o w nv 0 1 t a g ei sa ni m p o r t a n te l e c t r i c a 重p a r 锄e t e r ，a n di s a l s oa n i m p o r t a mr e l i a b i l i t ) rp a r 锄e t e ro f r f l d m o s w em a i n l yi i n p m v ed e v i c es n l l c t u r ea n d m a i 【eb r e a l ( d o w nv 0 1 t a g em e e ta p p l i c a t i o nr e q u i r c m e n t ，a n a l y s et 1 1 e t h e o r yo fm e f r e s u ft e c h n o l o 鼢a i l dd i s c l l s st h er e l a t i o n s h j pt h eb r e a k d o w nv o l t a g et om e s u b s 破l t c c o n c e n t r a t i o n ， 出f td o s e s觚dc h 咖e lc o n c e n n 锨i o n s e c o n d l y ， e s d p m t e c t i o n l o c a le l e c 仃o - m e 加a lb r e a k d o w nc a u s e db ye s di sa l s o a ni m 】) o n a n t r e l i a b i l 毋p a r 锄e t e ro fr f l d m o s w bm a i l l l ys t u d yt l l eb a s i cl o c a le l e c 仃o t l l e n n a l b r e l l ( d o w nm e c h a l l i s ma 1 1 dt l l ef h n c t i o nw l l i c ha l lk i n d so fs 仃1 l c t u r e so fl d m o sc a i l i n c n 冶s em a x i m 吼s e c o n db “则o w nc u r r e n t i f d e v i c em e a s u r ei sn o ti n c r e a s e d u n d e r2 d d e v i c es i m u l a t i o ns o f h a r ei s e ，h ，ep r o p o s ean e wl a t e r a ld o u b l e d i f m s e dm o s f e t 、j v i me m b e d d e ds c rw h i c hb a s e do nr e s u r ft e c h n o l o g y ，w h a tw e c a l l e di se s c r - l d m 0 s w es i m l l l a t e 疗e q u e n c yp a r a m e t e rr f l d m o s 以g m ) ， e l e c 仃i c a lp a r 锄e t e “如s ，曰矿玉) ，a v a l a i l c h eb r e a k d o 啪v o l t a g ep ) a i l dm a x i i n 啪 s e c o n db r e a k d o w nc u r r e n t ( 如) w 1 1 i c hc a nr e f l e c tr e l i a b i l i 够w b m a i l l l y d i s s c i l s s 堑塑兰里坚q ! 塑重茎皇堡兰堂皇堡篓 a v a i a i l c h eb r e a k d o w nv o i t a g e ，i o c a le i e c t r o t h e n n a lb r e a l c d o w nm e c h a 血s m ，m a x i m 咖 s e c o n db r e a l ( d o w nc u 丌e mb ye s d a i l d 舶q u e n c yc h a r a c t 耐s t i co fe s c r l d m o s ，a t l a s tw eg i v e 吐l es i i l l u l a t i o nr e s u l t so f e v e r ye l e c t r i c a lp a r a m e t e lu n d e r1 g h zo p e r a t i o n 疗e q u e n c y ，3 8 vt l l r e s h o i dv o i t a g e ，t i l es e c o n dc u r r e mo f t h en e ws t m c n l r ew i n lt h es a m e 1 e n 豇ho ft h ed e v i c em e a s u r e ，d r i f tr e g i o na n d4 0 vb r e a k d o w nv 0 1 t a g ei s7 5t i m e sn l a n c o n v e l l i o n a il d m o s ，a n dw i me x c e l l e n ti 强c h a r a c t e r k e yw o r d s ：r e s u r f a v a l a n c h eb r e a k d o w nv o i t a g e摹) e m b e d d e d s e m i c o n d u c t o rc o n t r o ir e c t i f i e rl d m o s( e s c r - l d m o s ) e l e c t r o s t a t i cd i s c h a r g e ( e s d )m a x i m u ms e c o n db r e a k d o w n c u i r e n t ( 矗) 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 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 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技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做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：丑氢垂 日期 1 0 0 8 卜彳 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 本人签名 导师签名： 习訇丸 第一章绪论 第一章绪论 1 1l d m o s 功率器件的发展和研究进展 l d m o s( l a t e m ld o u b i ed i 疏s e dm e t a io x i d es e m i c o r l d u c t o rf i e l de 虢c t t r a n s i s t o r ) 横向双扩散金属一氧化物场效应晶体管最早是1 9 6 9 年由y ：t a n l i 等人 提出的，它的典型结构如图1 1 所示，它是在保持普通m o s f e t 优点的基础上， 通过横向双扩散技术形成沟道区，并在漏极和沟道之间引入漂移区。漂移区可以 采用外延工艺，也可以采用离子注入。l d m 0 s f l 】与早期的m 0 s f e t 之间的不同 主要有两点：( 1 ) 在沟道与漏极之间增加了一个较长的低浓度n 漂移区。高阻漂 移区的存在提高了击穿电压，并减小了漏、源两极之间的寄生电容，有利于提高 频率特性。同时，漂移区在沟道和漏之间起缓冲作用，削弱l d m o s 的短沟道效 应。由于该漂移区的杂质浓度比p 型沟道区的低，当漏电压增加时，耗尽区主要 向低浓度的漂移区延伸，所以只要适当选取漂移区的长度及p 型沟道区和n 型漂 移区的电阻率就可使这种结构的m o s 承受较高的电压而不会产生击穿或穿通，即 漂移区是l d m o s 承载高压的区域。( 2 ) 沟道区的长度主要由两次扩散的结深来 控制， 所以沟道区长度可以做得很小而不受光刻精度的限制，这样就可以对沟道 区进行精确控制，再加上增加沟宽的措施后，器件的电流也可以做得较大。 图1 1l d m o s 器件结构和浓度分布 l d m 0 s 具有高增益、高跨导、高线性、频率响应好、控制简单、开关速度快、 大的安全工作区、无闭锁、热稳定性好、易与c m 0 s 电路集成等优点而得到了广 泛的应用。 1 9 7 2 年h j s i g g 等人首次研制出了1 g h z ，1 0 d b 的微波l d m o s f e t ，并给 出了较全面的微波分析及测试。该器件在1 g h z 时噪声系数为f n = 4 o d b ，3 0 m h z 2 射频l d m o s 的击穿电压与静电保护 时，f n - 1 5 d b ；在振荡电路中l g h z 时器件输出功率为9 5 m w ，效率大于4 0 。 在5 0 0 m h z 的窄带放大器中，增益为1 6 d b ，在o 5 1 0 g h z 的宽带放大器中，增 益为7 士1 d b ，而且该器件在2 g h z 时仍有7 d b 的增益。此后至8 0 年代初，研究者 们的努力方向是提高击穿电压和增大输出功率。1 9 8 0 年e d i s o nf o n g 等人研制出了 1 5 0 m h z 输出功率为1 7 w 、增益为1 2 3 d b 和4 5 0 m h z 输出功率为1 1 w 、增益为7 4 d b 的l d m 0 s 。同年t 0k a b e 等人又研制出了2 “m 沟道长度在1 1 g h z 下连续波输 出功率为2 2 w 、增益8 5 d b 、漏极效率达5 1 的l d m o s 。 1 9 9 2 年i s a oy os h i d a 等人在源金属尚未延伸覆盖住栅极的情况下，研制出了 高效率的靠电池供电移动通信用的低压m o 栅l d m o s ，其沟道长度为0 1 8 “m ，在 6 v 工作时1 5 g i z 下输出功率为2 w ，增益为8 d b ，漏极效率达6 5 ，功率附加效 率为5 5 。1 9 9 4 年又研制出了在1 5 g h z 下连续波输出功率为3 5 w ，增益为1 3 d b ， 漏极效率5 0 的微波功率l d m o s 。 1 9 9 6 年，m o t o m i a 的a l a i l w o o d 等人研制出了2 g h z 下连续波输出功率为6 0 w 的高性能的微波功率l d m o s ，其增益为1 1 d b ，漏极效率为4 4 。1 9 9 8 年又报道 了采用推挽结构实现了2 g h z 下连续波输出功率为1 2 0 w ，增益为1 0 6 d b ，漏极 效率为4 2 的微波功率l d m o s ，而且显示了良好的线性。1 9 9 9 年3 月e r i c s s o n 公司也推出了系列化高性能的微波功率l d m o s 产品，如l g h z ，6 1 2 5 w ；1 4 1 7 g h z ，3 0 1 3 5 w ；1 8 2 o g h z ，1 2 1 2 0 w ：2 1 2 2 g h z ，6 1 0 0 w 的p t e 系列和p t f 系列【2 j 。 目前摩托罗拉和爱立信在射频大功率l d m o s 方面的研究处于领先地位，在 1 9 9 9 年相继推出了用于9 2 5 9 6 0 m h z 的g s m 波段和8 6 9 8 9 4 m 王zc d m a 波 段的l d m o s 之后，2 0 0 0 年又研制出适合于第3 代移动通信系统用的l d m o s 及 相应的放大器。摩托罗拉公司于1 9 9 9 年已开发出了g s m 基站用的塑料封装 9 0 0 m h zl d m o s 晶体管。目前摩托罗拉正在开发第5 代l d m o s 产品，已推出 了两种l d m o s 产品，即m i 啦2 1 1 8 0 和m i 江2 1 1 2 5 。爱立信公司相继研制出了工 作于1 8 2 o g h z 的增强型l d m o s 器件。爱立信公司开发的p t f l o l 3 4 是适用于 p c s 基站的金金属化l d m o s 晶体管。晶体管在2 1 2 1 7 g h z 的w c d m a 中可 提供l o o w 的峰包功率( p e p ) ，l d b 压缩点的c w 输出功率为1 1 0 w 。工作于a b 类方式时，典型的功率增益为1 0 d b 。 射频微波大功率l d m o s 器件的研制与商品化目前主要以m o t o r o l a 、e r i c s s o n 、 p 1 i l i p s 为主流，国内研制基本空白。p 、l 、s 波段、1 0 0 w 输出功率以上的射频 放大系统( 如手机基站、雷达) 上使用的功率放大器目前1 0 0 依赖进口，随着3 g 系统的发展，基站的数目也将急剧增加，对于性能卓越的l d m o s 器件的需求也 日益增加。大功率、线性好的l d m o s 是基站最具竞争力的器件。开展射频大功 率l d m 0 s 器件的研究与开发并逐步实现产业化，不仅能填补国内微波射频通信 第一章绪论 器件国产化的一项空白，而且还可以打破国外在此领域的垄断，具有经济和战略 上的双重意义。 1 2 与l d m o s 可靠性相关的国内外科技发展动态 随着3 g 时代的到来，通信系统所用的半导体技术和器件也在不断更新，横向 双扩散金属一氧化物一半导体l d m o s 也不例外。l d m o s 最早是1 9 6 9 年由y t 删i 等人提出的，它是在保持普通m o s f e t 优点的基础上，通过横向双扩散技术形成 沟道区，并在漏极和沟道之间引入漂移区，提高了m 0 s f e t 的工作频率和功率， 并在九十年代进入实用阶段。目前已经发展到了第五代，摩托罗拉、爱立信和飞 利浦处于领先的地位。 目前国外对l d m o s 可靠性的研究较多，范围也比较广，而国内却研究的很 少。电子科技大学主要从事l d m o s 在高压方面的研究，而在e s d ( e l e c t m s 协t i c d i s c h a r g e ) 和射频领域内的研究基本上还是空白。西安电子科技大学在研究 m o s f e t 、c m o s 的e s d 方面取得了一定成果【2 1 5 1 ，为研究l d m o s 的e s d 打 下了一定基础。 我的工作主要是对u ) m o s 的可靠性进行研究。可靠性的研究主要从击穿特 性来研究，击穿特性主要是从两个方面进行：一方面是从雪崩击穿电压方面研究， 主要是从结构上进行调整，在频率和导通电阻满足要求的情况下提高器件的击穿 电压，主要的新结构有：栅的改进结构、漂移区的改进结构、s o i 结构等。另一方 面是从e s d 引起的电热击穿方面进行研究，可采用栅漏同时筘位的外部保护电路； 也可以对结构进行改进，在不增加器件尺寸的情况下使保护结构内嵌在l d m o s 中，主要的结构有：s c 艮u ) m 0 s 结构、深漏极的i 也s u r 结构、t g l d m o s 结 构。 1 3 选题的目的和意义 本课题研究的目的是在i s e 软件平台下，建立l d m 0 s 的物理模型；通过调 整各个部分的结构和掺杂浓度，以及利用大量的模拟实验，使器件的各个参数达 到作为基站功率放大器的要求，且使击穿电压大于4 0 伏，人体静电模型下的抗e s d 能力大于2 k v ，从而提高器件的可靠性。 高可靠性的l d m o s 以其线性度好、增益高、耐压高、输出功率大、热稳定 性好、效率高、宽带匹配性能好、价格低廉、易于和m o s 工艺集成等方面的优势 已经成为基站最具竞争力的功率器件。随着3 g 系统的发展，基站的数目也将急剧 增加，几大知名半导体公司都在研制相应的器件，以抓住这个巨大的市场。我国 4 射频l d m o s 的击穿电压与静电保护 在p 、l 、s 波段、l o o w 输出功率以上的射频放大系统( 如手机基站、雷达) 上使 用的功率放大器件基本依赖进口。加速研制有自主知识产权的具有高可靠性的 l d m o s 器件，可以填补国内空白，占领国内市场，尤其是在国防领域，打破国外 多年的垄断。 器件的击穿电压和e s d 能力是器件可靠性的两个主要的方面。随着器件的尺 寸不断缩小，栅氧化层厚度越来越薄，其栅的耐压能力显著下降，集成电路失效 的产品中有3 5 是由于e s d 问题所引起的；击穿电压是射频l d m o s 的一个重要 电学参数，同时也是器件可靠性的一个重要方面。因此在集成高压和静电放电保 护电路的设计和自保护结构的设计越来越受到了设计者们的重视。 1 4l d m o s 的研究方向 l d m o s 由于具有高增益、高跨导、性能价格比高、易与c m o s 电路集成等 优点而得到了广泛的应用，同时对于l d m o s 器件的研究也越来越多的得到了大 家的重视。自从1 9 6 9 年提出了l d m o s 的理论到今天，l d m 0 s 已经发展到了第 五代，设计者们都在努力的通过改变器件的结构或者工艺来提高器件的整体性能。 研究的热点主要集中在频率特性的改善， 而设计者们也设计出了很多新颖的结构， 1 4 1l d m o s 的频率特性 击穿电压和静电保护能力的提高等方面。 使l d m o s 的发展日新月异。 射频功率l d m o s 器件是半导体微电子集成电路技术与微波电子技术融合起 来的新一代集成化的固体微波功率半导体产品，l d m 0 s 作为射频功率器件的使 用，除了需要较高的击穿特性，还需要提高器件的特征频率。对于频率特性的改 善，设计者们往往从器件结构上来考虑。 ( a ) l d d l d m o s 结构 o s 图1 2 射频l d d l d m o s 结构 射频l d dl d m o s 埘的结构如图1 2 ，这种结构的特点是漂移区的浓度分布不 第一章绪论 是均一的，而是n p n 分三层的浓度分布来形成漂移区。这种结构的最大跨导值比 传统的l d m o s 提高了1 4 5 ，截止频率提高了1 0 。 ( b ) 喙栅l d m o s 结构 喙栅结构【4 j ”】中间栅氧化层厚度比较薄而与之连接的部分呈鸟嘴形状且氧化 层厚度比较厚，这可以由多晶硅和体硅氧化速度之差形成圆角，使部分氧化层抬 高，器件氧化层抬高的横向长度很小，其他部分结构与r e s u r f 结构相同，如图 1 3 所示。薄的栅氧化层可以提高器件的跨导，而两边厚的氧化层可以减小寄生电 容。 图1 3 喙栅l d m o s 结构 ( c ) s o i 技术的l d m o s 结构 采用s o i 技术的l d m o s 结构如图1 4 所示，这种结构在1 9 5 8 g h z 的范围 内有着非常好的射频特性，这种工艺和c m o s 的s o i 工艺兼容，并得到了高的击 穿电压和高的频率”。l d m 0 s 晶体管由于它的击穿电压高，驱动电流大等特性， 被广泛的应用于体硅功率集成电路中。而s o i 的l d m o s 较之体硅l d m o s 有更 多的优点，例如具有较高的跨导和输出电导，导通电阻小，阈值电压受衬底偏压 的影响小，亚阈值斜率低，漏一衬电容很小，功率增益系数高，可以工作在各种 恶劣的环境中。为了改善频率特性而设计的l d m o s 新结构也日新月异。 图1 4 采用s o i 技术的l d m o s 结构 1 4 2l d m o s 的击穿电压 击穿电压是射频u ) m o s 一个重要的电学参数，同时也是器件可靠性的一个 重要方面，由于l d m o s 低掺杂漂移区的存在，使之有较高的击穿电压，为了使 6 射频l d m o s 的击穿电压与静电保护 之更适合高压大功率的发展需要，对击穿电压的研究就显得格外的重要。为了提 高击穿电压而采用的技术主要有：r e s u r f 技术【8 】【9 】、内场限环技术【1 0 】【l 】和场板 技术【1 2 】【1 3 】。l d m o s 击穿电压的下降主要是由于受p n 结界面的影响，表面电场常 常在掺杂浓度突变的地方( 耗尽区) 突然增大，远大于体内的最大电场。故器件 的击穿电压往往由表面电场来决定。另外，当碰撞电离发生在表面时，电离过程 产生的热载流子容易进入二氧化硅层，在栅氧化层形成固定电荷，改变了电场分 布，严重降低了器件的可靠性。 ( a ) 单r e s u i ul d m o s 结构 r e s u r f 技术【8 l 【9 】的基本原理是：选择适当的漂移区掺杂浓度和厚度，控制漂 移区表面的二维电场，使击穿发生在体内从而达到高击穿电压的目的。所以器件 必须设计成在沟道和漂移区结的电场尚未达到临界电场之前，即漂移区在表面击 穿前要全部耗尽。漂移区厚度应等于或小于发生表面击穿时漂移区和衬底结在漂 移区的耗尽层厚度。也就是说，通过降低漂移区掺杂，在p 沟道和n 一漂移区耗尽 层的电场尚未达到临界电场之前，利用p 一衬底和n 一漂移区的p n 结将漂移区耗尽， 降低横向电场强度，减小雪崩击穿的可能性，从而提高击穿电压。i 汪s u r f 技术 的原理如图1 5 所示： 氍、，、盼丌 判置印；l ps 曲s 呲( n _ ! i ) 图1 5 采用r e s u r f 技术的l d m o s 器件结构 ( b ) 双r e s u r fl d m o s 结构 smdfa抽 v 图1 6 双r e s u r fl d m o s 的结构和电势分布 双r e s u r fl d m o s 结构1 1 4 】【1 5 1 如图1 6 所示，它是在r e s u i 疆结构的基础上 上ktl土 第一章绪论 7 在漏区和沟道区之间的表面注入了一个p t o p 层，使漂移区更容易耗尽，在获得高 击穿电压的同时可以提高漂移区浓度以降低导通电阻冠。r e s u r f 技术已经广泛 应用于l d m o s 的设计中，我们在后面章节会详细分析采用i 汪s u r f 技术的 l d m o s 器件的原理和应用价值。 ( c ) 场版技术的l d m 0 s 结构 场版技术【12 1 【”】的原理是在漂移区上方形成半绝缘多晶硅电阻场板，如图1 7 所示，b 处电阻场板产生均匀分布的垂直电场施加于漂移区中，与水平电场合成， 迫使漂移区电场分布也均匀化，降低了a 处的电场强度，从而提高了击穿电压。 图1 7 采用场版技术的l d m o s 结构 ( d ) 具有i l + 浮空等位层的l d m o s 结构 图1 8 为r e b u l fl d m o s 结构示意刚】。它与传统r e s u r fl d m o s 结构 的不同之处在于在距离n 。漂移区底部w 处嵌入了一个浓度约1 0 ”c r n 3 的n + 浮空层 且为等位层。当器件处于反向阻断状态并且漏端偏压逐渐增大时，n - p 。结d l 的耗 尽层在漏端处将向衬底扩展。当此耗尽层扩展到漏端的浮空等位层n + 时，浮空等 位层的等电势作用将漏端的高电势引向源端低电场区，d 2 结反偏后耗尽层又向源 端扩展，这就将漏端的高电位引向源端，使体内电场重新分配。同时浮空等位层 与p 。衬底形成的反偏平行平面结d 3 也在浮空等位层以下的衬底中形成耗尽区，这 样又提升了漏端的电位，使得器件纵向耐压由漂移区全耗尽层、浮空等位层以上 的衬底全耗尽区和以下的衬底部分耗尽区共同承担，纵向耐压较传统i 江s u r f l d m o s 结构提高。当没有i l + 浮空等位层时，纵向耐压只由反偏的d l 结承担。 s g d 矿淄 n 一栅 峥 1 w 0 1 f ；1 旷& 她蛳 上“ d 3 午 p n 如出如 图1 8r e b u l fl d m o s 结构剖面示意图 射频l d m o s 的击穿电压与静电保护 ( e ) 漂移区改进结构 槽型漂移区的新结构1 7 1 如图1 9 所示，可以通过提高漂移区的浓度来适当降低 导通电阻，同时可以提高击穿电压。 南广 昨前专 p s u b 1 4 3l d m o s 的e s d 特性 图1 9 槽型漂移区的新结构 由静电放电引起的电热击穿也是l d m o s 可靠性关键的一个方面，虽然 l d m o s 本身就是带自保护结构的器件，但对静电仍非常敏感敏，e s d 损伤仍是半 导体器件性能退化乃至完全失效的主要原因之一。所以为了提高器件的可靠性， 在其它电学参数满足使用要求的情况下，设计合适的电路或结构可以提高器件抗 静电放电的能力。 ( a ) 箝位保护电路 对于l d m o s 器件，可以采用筘位的方法来提高器件的e s d 保护能力，筘位 保护方案和结构保护方案相比的优势在于实施起来比较方便，便于和l d m o s 器 件集成【1 8 1 。而筘位方案的劣势在于，很难达到较高的抗e s d 的能力，但是由于其 简单易行得到了广泛的应用，简单的电路如图1 1 0 所示。 图1 1 0l d m o s 的二极管箝位电路 ( b ) 自保护结构 具有自保护结构的e s c r - l d m o s 如图1 1 1 所示，是在l d m o s 漏极加一个 第一章绪论 9 p + 区，使器件形成一个横向的n p n 晶体管q 1 和一个纵向的p n p 晶体管q 2 ，这两 个晶体管可以组成一个p 叩n 闸流管，当有e s d 冲击时，闸流管会迅速导通进入低 阻抗的导通模式，给e s d 电流提供低阻抗的放电路径。e s c r - l d m o s 是对横向 l d m o s 的改进结构，它有很强的e s d 保护能力，在开态同普通的l d m o s 一样 的工作，在关态有较高的击穿电压b 吃1 9 1 口m 。 o d s 图1 1 1新型e s c r l d m o s 输出端的静电保护结构和等效电路 1 5 本课题所要完成的工作 1 、使用器件模拟软件i s e 对器件进行建模。 2 、设计新的具有e s d 保护的器件结构并确定各部分的掺杂浓度和尺寸大小。 3 、使器件的电学参数满足作为功率器件要求的同时提高击穿电压和e s d 保护 能力。 4 、对器件的击穿电压、e s d 保护能力进行系统讨论。 5 、优化器件结构，使器件达到应用的标准。 6 、分析l d m o s 器件的静电保护原理，研究在e s d 应力条件下，l d m o s 器 件的特性和m o s 器件特性的差别，讨论引起和m o s 结构差异的原因，分析 l d m o s 的e s d 特性对静电保护的影响。 7 、通过设计内、外部保护电路或结构，使器件的e s d 保护能力超过2 k v 的 应用标准，并尽可能少的影响器件的电学参数和射频参数。 8 、设计出具有高耐压、高静电保护能力的l d m o s 。 第二章射频l d m o s 的击穿电压 第二章射频l d m o s 的击穿电压 击穿电压是射频l d m o s 一个重要的电学参数，同时也是器件可靠性的一个 重要方面，由于l d m o s 低掺杂漂移区的存在，使之有较高的击穿电压，为了使 之更适合高压大功率的发展需要，对击穿电压的研究就显得格外的重要。本章分 别介绍l d m o s 的击穿特性、栅绝缘层的击穿、漏源雪崩击穿和几种提高漏源雪 崩击穿电压的技术。 2 1l d m o s 的击穿特性 l d m o s 中产生击穿的机构有栅绝缘层的击穿和漏源击穿【2 6 】【2 _ 7 】。其中漏源击 穿又可分为漂移区和衬底的击穿、漂移区和沟道的击穿。到目前为止，基本上有 三种击穿机理：雪崩击穿、电热击穿和隧道击穿。从击穿的后果来看，可以分为 物理上可恢复的击穿和不可恢复的击穿两类。 器件的栅极和衬底绝缘层一旦击穿，就会短路而永久失效。漏源雪崩击穿实 际上是p n 结的反向击穿，即当施加在p n 结的反向偏压增加到一定值时，反向电 流突然迅速增大，电流增大的基本原因不是由于迁移率的增大，而是由于载流子 数目的增加，属于可恢复的击穿。电热击穿属于不可恢复的击穿，它将造成p n 结 的永久性损坏，在器件应用时应尽量避免，这种击穿将在第三章静电效应一章中 重点介绍。雪崩击穿和隧道击穿属于可恢复性的，即撤掉电压后，p n 结内没有物 理损伤。栅绝缘层的击穿和电热击穿属于不可恢复的击穿，一旦损坏就是永久失 效。由于隧道击穿是一种量子效应，它通常发生在p n 结两侧掺杂浓度较高的情况 下，而u ) m o s 的漂移区、沟道区和衬底的掺杂浓度比较低，所以不会发生这种 隧道击穿。所以这章重点介绍l d m o s 中的雪崩击穿和e s d 引起的电热击穿机理， 并进行相应的分析和计算。 2 2 栅绝缘层的击穿 l d m o s 的栅极和衬底之间所加的电压超过一定限度b 。时，栅极下面的绝 缘层将被击穿，栅绝缘层一旦击穿，器件的栅极和衬底就会短路而永久失效【2 6 。 所0 2 膜的击穿场强为( 5 1 0 ) 1 0 6 矿c m ，而一般射频l d m o s 的栅氧化层厚度为 乞。= 3 0 6 0 h m ，因此栅电压为b p 岛= 3 0 6 0 矿，如图2 1 所示。如果氧化层质量 欠佳，口。将大大降低。当发生击穿时，通过击穿点的电流密度可高达 1 0 6 1 0 ”4 伽2 ，而击穿时的峰值温度可高达4 0 0 0 k ，击穿点附近的材料瞬间将被 熔化烧毁。 1 2 射频l d m o s 的击穿电压与静电保护 t “，n m 图2 1 研d 膜的击穿电压 在实际的l d m o s 中，由于栅氧化层具有很高的绝缘电阻，极易感应产生静 电荷；又由于栅氧化层k 很薄、栅电容c 0 很小，一旦栅上感应有静电荷q ，将 在栅氧化层中产生较强的电场e = q ，c 0 ，当电场强度超过临界电场5 1 0 6 矿c m 时，就会导致栅的击穿。 因此，在存放和使用中，应尽量避免把电荷引入栅极。在存放时最好用金属 片将管腿包住，使各电极之间短路；焊接时，烙铁必须有接地端；测试和使用时， 所有设备应接地良好。此外，在设计时可引入栅保护器件或设计一些栅保护电路， 如在栅极和源极之间引入并联的反向齐纳二极管，但齐纳二极管的击穿电压应低 于l d m o s 的栅击穿电压，这样才能借助于齐纳二极管击穿释放栅电荷，从而实 现对栅绝缘层的保护。 2 3 漏源雪崩击穿 漏源雪崩击穿机理：l d m o s 的漏源雪崩击穿机理与二极管雪崩击穿机理相 似，l d m o s 正常工作时，源极通过扩散于衬底相连，所以漏源击穿实际上就是高 掺杂的漏极通过低掺杂的高阻漂移区与低掺杂的衬底所形成的单边突变结的雪崩 击穿。当漏极施加的电压增加到一定值时，反向电流突然迅速增大，电流增大的 基本原因不是由于迁移率的增大，而是由于载流子数目的增加，撤掉漏极电压后， p n 结内没有物理损伤。由p n 结的击穿理论可知，雪崩击穿电压主要由低掺杂的 衬底浓度决定，可由式( 2 1 ) 计算得出【2 6 】 c of 2 圪= 土= 生l ( 2 1 ) 1 j 2 q nr 其中，艮为临界场强，虬为低掺杂一侧的浓度，为雪崩击穿电压，g ，为 半导体介电常数，为半导体真空介电常数。由式( 2 1 ) 可以看出，击穿电压与 低掺杂一侧的杂质浓度成反比，越高则越低，而越低则越高。 睇 砧 体 、 第二章射频l d m o s 的击穿电压 2 3 1 击穿电压和衬底浓度的关系 r e s u i 江技术已经广泛应用于高压l d m o s 器件的设计中，根据r e s u i 江技 术要求弱化表面电场的要求，当器件发生击穿时，击穿点发生在体内，而不是在 表面，如果这两个击穿点同时发生时，则说明该器件达到了最大击穿电压。 我们使用器件模拟软件i s e ，建立了l d m 0 s 器件的物理模型，确定了器件各 个部分的尺寸，在漂移区浓度为3 1 0 ”c 掰- 3 ，深度为0 3 删，沟道区浓度为 4 2 1 0 ”例一，深度为0 3 肼的情况下，得到了l d m o s 击穿电压随衬底浓度的 变化关系如图2 2 所示。即击穿电压随衬底浓度的增加先增加再减小，当衬底浓度 为1 l o ”c 加- 3 时击穿电压达到最大值7 8 4 4 v 。 00 0 e 0 t ：e 。 ! 坼e + 0 e t r 0l 0 e 0 e p l e 5 h 妇c a n a 目喇| a h o n ，嗽3 图2 2 衬底浓度和击穿电压的关系 漂移区纵向电场分布为【2 8 l ： 一警”盎一， 协z ， ；s l 、j n ) | ，为硅的介电常数，q 为漂移区的离