（材料物理与化学专业论文）射频soildmos器件设计.pdf

摘要 摘要 r f ( r a d i of r e q u e n c y ) 功率器件是无线通信技术的重要基础。射频功率 l d m o s ( l a t e r a ld i f f u s e dm e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o rf i e l de f f e c tt r a n s i s t o r ) 被广泛 应用于无限通信的窄带和高增益技术中，被认为是一种很成功的射频功率器件， 有如下优点：( 1 ) 在大电流范围内的跨导保持较大并为常数，故线性放大的动态 范围较大，并在较大输出功率时能有较大的线性增益；( 2 ) 交叉调制失真较低；( 3 ) 较高的性价比。然而l d m o s 的寄生输出电容又会直接影响器件的输出特性，包 括功率增益、附加功率效率等，使输出匹配的设计更为困难。s o i ( s i l i c o no n i n s u l a t o r ) l d m o s 不仅具有良好的绝缘性能、较小的寄生电容和泄露电流，提高功 率增益和耐高温操作性能，而且工艺与s o i c m o s 工艺兼容，相对体硅l d m o s 工艺更加简单。 本文采用二维器件仿真软件i s e 对通过数学建模估算的器件参数进行模拟优 化，确定器件的结构参数。采用i s e 建立器件模型，对器件的电学特性进行模拟 分析，并研究了器件的参数对输出特性的影响。模拟发现，器件具有较好的直流 输出特性，较低的寄生电容，较高的截止频率。最后对s o i 器件的失效机理及抑 制方法进行了详细的讨论。 为了提高器件在高压高频领域的应用，学者提出了各种各样的结构。本文研 究了采用在源区下衬底埋p 型层和部分埋氧层下埋n 型层的d b p s o i l d m o s 结 构。重点讨论了d b p s o i l d m o s 结构的击穿特性和输出电容特性。通过模拟，我 们发现与传统s o i l d m o s 相比，d b p s o i l d m o s 结构的击穿电压更高，频率特 性更好。 关键词：s 0 1 l d m o s 参数击穿电压电学特性 a b s t r a c t a b s t r a c t t h er fp o w e rd e v i c ei sc o n s i d e r e d 私av e r yi m p o r t a n tb a s i sf o rw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y r fp o w e rl d m o si sw i d e l yu s e di nn a r r o w - b a n da n d l l i 曲- g a i nt e c h n o l o g yf o rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n di sr e g a r d e d 雒av e r ys u c c e s s f u l r f p o w e rd e v i c e t h ea d v a n t a g e s a r ea sf o l l o w s f i r s t ， i t s h i 曲 c o n s t a n t t r a n s c o n d u c t a n c ei naw i d ec u r r e n tr a n g ec r e a t e sal a r g ed y n a m i cr a n g eo fl i n e a r a m p l i f i c a t i o n , l e a d i n gt og r e a tl i n e a rg a i nw h e no u t p u tp o w e ri sh i g h s e c o n d ，t h ec r o s s m o d u l a t i o nd i s t o r t i o nl e v e li sl o w t h i r d ，t h ep e r f o r m a n c e c o s tr a t i oi sh i g h h o w e v e r , t h ep a r a s i t i co u t p u tc a p a c i t a n c eo fl d m o sw i l ld i r e c t l ya f f e c ti t so u t p u tc h a r a c t e r i s t i c s ， i n c l u d i n gp o w e rg a i n ，p o w e r - a d d e de f f i c i e n c y ，a n ds oo n ，e s p e c i a l l y ，c a nm a k et h e d e s i g no fo u t p u tm a t c h i n gh a r d e r c o m p a r e dw i t hl d m o s ，t h es o i - l d m o sh a s m a n ya d v a n t a g e st h a tc o m p l e t e l yd i e l e c t r i ci s o l a t i o n , l o wo u t p u tc a p a c i t a n c e ，h i g h p o w e rp l u sa n dh i g ht e m p e r a t u r er e s i s t a n tc h a r a c t e r i s t i c i t st e c h n o l o g yw h i c h i se a s i e r t h a nl d m o si sc o m p a t i b l ew i t hs o lc m o s i nt h i sp a p e r ，w es i m u l a t e da n do p t i m i z e dt h ee s t i m a t e dp a r a m e t e r so ft h ed e v i c e f r o mt h em a t h e m a t i c a lm o d e l i n gb yt w o d i m e n s i o n a ld e v i c es i m u l a t i o ns o f t w a r ei s e b yo p t i m i z i n g ，w eh a v eg o tt h eo p t i m a lp a r a m e t e r so fs t r u c t u r e w ee s t a b l i s h e dt h e s t r u c t u r em o d e lo ft h ed e v i c e ，a n ds i m u l a t e dt h ee l e c t r i c a lp r o p e r t i e so ft h ed e v i c ew i t h t h es o f t w a r ei s e s i m u l t a n e o u s l y , w ed i s c u s s e dt h er e l a t i o n so ft h ee l e c t r i c a lp r o p e r t i e s t ot h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r s b ys i m u l a t i n g ，w ef o u n dt h a tt h ed e v i c eh a sg o o d c h a r a c t e r i s t i c so fd co u t p u t ，l o w e rp a r a s i t i cc a p a c i t a n c e ，a n dh i g h e rc u t - o f ff r e q u e n c y f i n a l l y ，t h ef a i l u r em e c h a n i s mo fs o id e v i c e sa n dm e t h o d so fs u p p r e s s i o nw e r e d i s c u s s e di nd e t a i l s i no r d e rt oi m p r o v et h ea p p l i c a t i o no ft h ed e v i c ei nh i g h v o l t a g ea n dh i 曲 f r e q u e n c yf i e l d s ，s c h o l a r sh a v ep u tf o r w a r dv a r i o u ss t r u c t u r e s an o v e ld o u b l eb u f f e d l a y e rp a r t i a ls o il d m o s s t r u c t u r ei ss t u d i e d w ef o c u so nt h eb r e a k d o w nv o l t a g ea n d t h eo u t p u tc a p a c i t a n c eo ft h es t r u c t u r e t h r o u g ht h es i m u l a t i o n , w ef o u n dt h a tt h e d e v i c e o fd b p s o i l d m o ss t r u c t u r eh a sh i g h e rb r e a k d o w nv o l t a g e ，a n dab e t t e r f r e q u e n c yf e a t u r ec o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a ls o il d m o s s t r u c t u r e k e yw o r d s ：s o l - l d m o sp a r a m e t e r s b r e a k d o w n v o l t a g e e l e c t r i c a l p r o p e r t i e s 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：2 基象轧 日期盘哩垒：罩 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攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 本人签名：垄蒸邈 导师签名： 日期圭! 1 2 ：查：望 日期 第一章绪论 第一章绪论 1 1s o i 技术发展概述 绝缘体上硅( s o l ，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间插 入埋氧层来隔断二者的电气连接。图l1 表示了硅基和s o l 基的s p i c 基本结构单 元。可见s o i 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，器件和村产生电气连接，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。，各部分的电气连接被完全消除。这一结构特点为s o l 带来了寄生效应 小、速度快、功耗低、集成度高、抗辐射能力强等诸多优点1 3 - 9 。 h 岫v a l t a gd 押噼 c ! v l o s l 炉” 册_ r 曲镕娃* 目 h 醯砧k 犁d 雌c c m o s sg)gs r 。q 【，。一 s o l 镶构 图1 1 体硅和s o i 结构比较 s o l 技术的研究可以追溯到上世纪6 0 年代。1 9 6 3 年，人们在1 0 0 0 下将硅烷 通过化学气相沉积的方法在蓝宝石上成功生长了单晶硅薄膜，形成所谓s o s ( s i l i c o no ns a p p h i r e ) 结构【1 q ，但是由于蓝宝石衬底和外延层硅膜晶格尺寸的不 一致使得s o s 界面的缺陷密度高，载流子迁移率低加上昂贵的成本，限制了s o s 技术的进一步发展，也促使了人们寻找其它更合适的绝缘体衬底材料。8 0 年代后， s o i 的制各技术有了突破性的进展，多种以s i 0 2 为绝缘材料的s o l 制各方法被开 发出来，硅和二氧化硅稳定的界面性能，低廉的价格优势，使其逐渐取代s o s ， 成为s o l 结构的主流。9 0 年代以后，美日俄欧等都大力开展了多途径s o i 技术的 研究工作，形成了相当的工业生产规模。同时，各种s o i 新材料、新结构也不断 涌现，已经不仅仅局限于硅结构，锗硅、砷化镓、氮化镓、碳化硅等都可以形成 s 0 1 结构。用作绝缘层的除了二氧化硅和蓝宝石也可以采用氮化硅、或其中两种 或几种的层叠结构。因此，s o i 的涵义止由“绝缘体上硅”( s i l i c o n o n i n s u l a t o r ) 拓 2 射频s 0 1 l d m o s 器件设计 宽到“绝缘体上半导体”( s e m i c o n d u c t o ro ni n s u l a t o r ) 。 为了得到低成本、高质量的s o l 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 i ) 、外延层转移( e l t r a n ) 、键合膜转移 ( u n i b o n d ) 等。目前成熟并已商品化的技术主要有二种，一种是s i m 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，主要用于制备厚膜s o l 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 09 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 0 n 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体的损伤，要保持晶体表 面和减小位错的产生，硅片应置于5 0 0 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。 毓离了注入 a 、岛觏缴辍盥 了注入 坟爵；垂 乏； 黼 酵务 底 b ，高溢逗火麝 彤成陶l 始趵 图1 2 利用s i m o x 技术形成s o l 原理图 蚀嚣肾硝屡 s i g e 碳离子洼入 p 。外延 多孑乙矗睾 囝 冀l 上刘缝阻拄篷上艺行2i ：氧化 圉b 囝o x 片l i 片2 键台 背砸刻毁 图1 3b e s o i 工艺示意图 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 i ) 的基础之上。在最初的s d b s o i 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l 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1 岬厚s o l 膜圆片。为了提高s o l 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 3 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。 第一章绪论 采用了s o i 技术后，与体硅m o s f e t 相比，s 0 1 m o s f e t 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。特别是薄膜s 0 1 m o s f e t ，能有效地抑制m o s f e t 器件的小尺 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 l 技术 也因此被认为可能成为2 1 世纪集成电路的主流技术。 1 2s o i 功率器件研究现状 s o l 材料有别于体硅材料，如何利用s 0 1 材料，实现高耐压，低导通电阻， 并且与常规c m o s 工艺兼容的s o l 器件是研究开发的重点。s o l 功率器件在结构 上大多是横向功率器件，其设计原则和结构大多数来源于体硅功率器件，并结合 s o i 特点进行改进。研究主要包括耐压结构研究，频率特性研究，输出特性研究， 以及与之对应的器件的研究。 1 2 1s o i l d m o s 的耐压结构 击穿电压是功率m o s 器件的一个重要参数，提高输出功率要求提高击穿电压， 同时还决定了m o s 器件的运用范畴。例如，功率开关管就对高耐压有特殊要求。 因此，必须采取措施提高器件的击穿电压。下面将目前国内外一些主要提高 s o i l d m o s 器件击穿电压的方法进行介绍和分析。 为了提高s 0 1 结构击穿电压，根据二维数值模拟和实验，已经提出多种s o l 耐压结构，例如，场板结构、降低表面电场( r e s u r f ) 结构、漂移区线性掺杂、 超级结结构等。现在运用最广泛而且最成熟的是r e s u r f 结构。还有一些结构对 提高击穿电压很有帮助，但目前工艺上实现起来比较困难。 ( 1 ) r e s u r f 原理的应用 r e s u r f 原理已经成功的应用于体硅l d m o s 晶体管，r e s u r f 技术也可以 应用于s o i l d m o s 晶体管中提高器件的击穿电压【l 。 i 、常规r e s u r f 结构【l l j 如图1 4 所示，漂移区杂质均匀分布，当漏源电压为正向压降时，在顶层硅膜 中会形成两个耗尽层，一个是p 阱与n 。漂移区的p n 结，另一个是在埋氧化层上面 称为底部耗尽层。当外加电压足够高时，底部耗尽层将形成反型层，反型层中的 空穴浓度将随外加电压增加而增大。 此结构场氧化层厚度为2 1 t m ，漂移区厚度为1 2 1 x m ，埋氧化层厚度为2 1 t i n ，漂 移区长度为7 0 9 m ，杂质浓度为1 1 0 ”c m 刁。当漏源电压s 较小时，两个耗尽层 是相互隔离开的，随着s 的增加，两个耗尽层都在扩展，当v d s = 8 8 v 时，两个 耗尽层会连在一起，此时底部反型层的空穴将被高的电场扫出而逐步使反型层消 4 射频s 0 1 l d m o s 器件设计 失；当v d s = 2 8 0 v 时，底部反型层消失了，此时承受高压的是埋氧化层，而s i 0 2 的击穿电场比s i 高很多，一般可达到6 x 1 0 6 - - - - 8 x 1 0 6 v e m ，所以耐压可以提高很多。 为了尽量减小导通电阻而同时获得高的击穿电压，器件漂移区杂质浓度存在一个 最佳值d 。，常规r e s u r f 结构只能用于厚膜器件。 图1 4 常规r e s u r fs 0 1 l d m o s 结构 i i 、漂移区非均匀掺杂的r e s u r f 结构 g dl ， n + d 2d 3 p d i p + b o x ps u b 图1 5 漂移区阶梯掺杂s 0 1 l d m o s 用于薄膜s 0 1 l d m o s 的r e s u r f 结构，经常采用漂移区线性掺杂和阶梯分 布掺杂。有人提出了漂移区阶梯分布掺杂的结构如图1 5 所示【1 2 】。在此结构中漂移 区分3 段，掺杂浓度分别是d l ，d 2 和d 3 ，其中d l 量事o=曩oi蕾 ! !塾塑! q ! ：! 壁竺q 墅堑垡生 p + n 结电场开始高于n n 结电场，表面电场又开始变得不均匀，使得峰值电场重新 转移到表面，井在p + n 结处发生击穿击穿电压随漂移区浓度提高迅速下降。当漂 移区浓度足够太时，器件击穿时漂移区不能完全耗尽，器件的耐压非常低。 图2 4 为漂移区浓度为3 x 1 0 1 m 。时，用i s e 软件模拟的器件漂移区的电场分 布图。此时漂移区完全耗尽，峰值电场位于n n 结和p + n 结处，器件击穿电压龉高- 图2 4 漂移区浓度为3 x l o 吒m 3 时电场分布 锄2 5 潦移区浓度为6 1 0 m3 时屯场分布 幽25 为漂移区浓度为6 x 1 0 1 6 c m 。3 时 从图中可以看出，当漂移区浓度较高时 p + n 结处，击穿电压较低。 用i s e 模拟的器件漂移区电场分布图。 漂移区不能完全耗尽。击穿点重新回到 研究发现：i ) 漂移区完全耗蟮时的击穿电压较高。并且随着结构参数的变化击 穿位置发生在p + n 结、n + n 结和顶层硅埋氧层表面三个位置变换。2 ) 当击穿发生在 n + n 结或顶层甜埋氧层表面时，击穿电压较高，耐压对结构的敏感性降低，利于工 艺实现。而当击穿发生在p + n 结时，击穿电压随结构参数的变化剧烈。3 ) 漂移区不 完全耗尽时的击穿电压非常低，并且对结构参数的变化不敏感，击穿位置都位于 p + n 结处。 此外，器件的导通电阻会随着漂移区浓度的增加而上升。由于s o l l d m o s 的沟道是通过p 阱和漂移区的双扩散形成的，所以随着漂移区注入剂量的增加， 漂移区的横向扩散长度也增加，所以沟道长度会随着有一个微小的变短。从公式 第二章s o i l d m o s 参数设计 1 7 ( 2 - 2 ) 可以得到，截止频率会随着沟道长度的缩短而上升。如图2 6 所示，截止频率 随着漂移区注入剂量的增加而上升。综合考虑，最终漂移区掺杂浓度为3 x 1 0 1 6 c m 一。 0 鼻d52 02 63 03点404 66 d 漂移区注入置1 0 。c m 4 图2 6 截止频率随漂移区注入剂量变化的关系曲线 2 2 2 沟道浓度优化 前面我们讨论了漂移区浓度对击穿电压的影响，而对于击穿电压的影响，沟 道区也有非常显著的作用。l d m o s 和m o s 的一个显著区别就是通过横向扩散形 成沟道区，而扩散的浓度大小会使耗尽区在漂移区内范围的改变，影响电场分布， 进而影响击穿电压的大小。在漂移区浓度为3 1 0 1 6 c m 弓时，沟道区浓度和击穿电压 的关系如图2 7 所示。从图中可以看出，在沟道浓度小于1 x 1 0 1 7 c m 。3 的情况下，击 穿电压随着沟道浓度的增加而增加。当沟道浓度大于1 x 1 0 r 7 c m 。3 时，击穿电压趋于 稳定。 9 0 681 01 2 c h a n n e lc o n c e t r a i t i o n e 1 6 c m s 图2 7 沟道掺杂浓度和击穿电压的关系 在沟道浓度较低的时候击穿电压较低，这是由于沟道区的p 型注入剂量过低， 付 惶 o 8 7 zho莘爵毯d稿 阳 、龆5一ol口)i曰譬 射频s 0 1 l d m o s 器件设计 达不到耗尽浅掺杂的n 型漂移区的目的，漂移区没有完全耗尽使得器件的耐压能 力较弱，随着沟道区浓度的增加，击穿电压不断提高，当沟道浓度上升到使漂移 区完全耗尽的时候，击穿电压达到了最大值。当进一步增加沟道区的浓度的情况 下，击穿电压也就没有明显的变化。 在l d m o s 的设计中往往对阈值电压有一定的要求，即需要阈值电压有固定 取值范围。阂值电压和沟道区浓度之间有着紧密关系，在漂移区浓度为3 x 1 0 1 6 c m 一， 衬底浓度为lx 1 0 1 5 c m 一，漂移区深度为0 3 9 m 时采用器件模拟软件i s e 得到的阂值 电压和沟道浓度关系如图2 8 所示。也就是阈值电压和沟道浓度是几乎线性的增 加。而我们设计的射频l d m o s 的阈值电压的取值为2 0 v 到3 0 v 之间，这也就 限制了沟道区的浓度范围，即设计过程中沟道区的浓度范围要首先确定，要保证 阈值电压满足设计的要求，所以，r e s u r f 技术应用到我们设计的s o l l d m o s 器件过程中，也就是只考虑在沟道浓度为定值的情况下，击穿电压和漂移区及衬 底浓度的关系了。在沟道浓度为1 x 1 0 1 7 c m 。3 的情况下，设计出了符合应用要求的阈 值电压。阈值电压的大小如图2 9 所示。 1 o152 02 53 0 c h a n n e l n c e t r a l i o n e 1 7 c m 3 图2 8 沟道浓度和阈值电压的关系 图2 9 满足条件的s 0 1 l d m o s 阈值电压 o 5 o 5 o 5 o 5 o 6 5 5 4 4 3 3 2 2 m 第二章s 0 1 l d m o s 参数设计 1 9 2 2 3s o l 层厚度优化 由于薄层s o i 器件的s o i 层厚度一般都小于l g m ，在器件的工艺制造过程 中，长时间的退火后，s o i 层的厚度就是漂移区的深度，漂移区的深度也是r e s u r f 技术的一个主要因素，所以对s o i 层的厚度也要进行一定的优化。根据上面的优 化结果，取漂移区注入剂量为3 x 1 0 1 6 c m 。，沟道浓度l x l 0 1 7 c m 一，改变s o i 层的厚 度得到s o i 层厚度与击穿电压的关系，如图2 1 0 的所示。 0 20 40 ，60 8 1 0 1 2 1 4 t h i c k n e s so f s o l u m 图2 1 0 击穿电压与s o l 层厚度关系 从图中可以看出，随着s o i 层厚度的增加，击穿电压随着上升，达到一个最 优值后又逐渐下降。产生这种现象的原因是：随着漏端电压的增加，漏端左侧的 电场强度也随着增大。当s o i 层很薄时，电场强度就集中在漏端左侧很小的区域 内，造成击穿，击穿发生在1 1 + 1 1 结处，击穿电压较低。随着薄膜层厚度的增大， r e s u r f 效应逐渐发挥作用，缓解了这一侧的电场强度，从而提高了击穿电压。 0 j0 4o鼻0童1o 21 4 s o l 层犀度u m 图2 11 截止频率随s o i 层厚度的变化曲线 鼍墨oi尸-，o工曩2m 2 ， o 9 e zho芷野繇爿搦 射频s o i l d m o s 器件设计 对于截止频率，模拟如图2 1 1 所示。当s o i 层很薄的时候，源漏结的底部与 氧化埋层相接触，在这种情况下，源左端所作的衬底接触不再起作用，整个器件 出现了衬底偏置效应，使得它与其他厚度s o i 层的器件不再有可比性，这里不作 考虑。从图中可以看到，除了s o i 层非常薄的情况外，截止频率随s o i 层厚度的 增大而不断下降。当s o i 层具有一定的厚度，使得源漏结不再与氧化埋层接触时， 随着s o i 层的增厚，漂移区的纵向扩散加强，浓度降低，横向扩散减弱，由双扩 散形成的沟道长度也随着增加，所以截止频率也随之下降。 2 2 4 埋氧层厚度优化 在对器件埋氧层厚度设计时，计算得到的为器件埋氧层的最小厚度，而不是 最优厚度。在对漂移区模拟优化中可以看到，在耗尽区下面和未耗尽的区域下面 的氧化埋层中等压线的形状不同，耗尽区下等压线是弯曲的，而未耗尽的区域下 等压线是平的，说明两者的电场强度不同。而建立模型时假设二者电场相同，所 以需要对埋氧层厚度进行模拟优化。采用i s e 软件模拟击穿电压与埋氧层厚度龟o x 的关系如图2 1 2 所示。 0 60 81 o1 21 41 6 o ) c ，u m 图2 1 2 击穿电压与勘x 关系 通过模拟发现，埋氧层厚度大于1 1 t m 时，随着埋氧层厚度的增加，器件的击 穿电压越低；在埋氧层厚度小于1 岬时，器件的耐压随埋氧层厚度增加逐渐升高。 分析在埋氧层厚度较厚和较薄时的等压线发现，在埋氧层厚度较薄时，漂移区内 的等压线分布比较均匀，等压线在靠近器件表面的的地方弯曲程度较小。而埋氧 层较厚时，等压线在靠近漂移区左边的区域要比漂移区右边的区域密集许多，也 就是漂移区左边的电场要明显大于右边的电场。而且，对比图2 1 3 和2 1 4 发现， 埋氧层厚度较大时，靠近器件表面的等压线弯曲程度要比埋氧层较薄时大很多， 弱 诗 加 酷 之d莹一oa量0p酱2 第二章s o l - l d m o s 参数设计 这也造成了电场强度增大，使器件容易击穿。所以埋氧层厚度为l p m 时器件的击 穿电压为9 0 v 而埋氧层为1 6 ) a n 时，器件的击穿电压只有6 5 v 。 圈21 3 埋氧层较薄时电势分布 囤2 1 4 埋氧层较厚时电势分布 2 3 晟终参数确定 根据21 节数学建模估算的结构参数为基础，采用固定部分参数的器件模 型，用器件二维模拟软件i s e 优化出某个参数的最优值，然后将优化出的最优值 取代模型中估算值，再对其它参数进行模拟优化，分别找出各个参数的最优值， 最中得出满足击穿电压大于6 5 v ，阈值电压为20 v - 3 0 v 的器件最优参数值如下： 衬底浓度为1 1 0 c r n ，s o i 层厚度为o 8 i i i i l ，埋氧层厚度为l 叫l ，沟道长度为l g m ， 沟道掺杂浓度为1 x 1 0 ”c i 一，漂移区长度为3 4 岍，漂移区掺杂浓度为3 x 1 0 。6 c 一， 漂移区结深为0 3 $ u n 。优化后的器件i s e 模拟结构如图2 1 5 所示。击穿特性曲线 如图2 1 6 所示。 圈21 5 优化后的s 0 1 l d m o s 模拟结构图 圈2 1 6 优化后的s 0 1 l d m o s 击穿特性图 2 4 本章小结 本章通过器件参数建模，结合经验估算出满足要求的器件的各个结构参数， 然后通过二维器件仿真工具i s e 建立器件模型，在该模型的基础上，分析器件的 内部场强分布，击穿特性，频率特性，以及阈值电压等特性，通过反复选代优化 出嚣件最优结构参数。最终得到击穿电压为9 0 v ，阈值电压为2 2 v ，截止频率( 具 体提取方法在33 节中详细讨论) 为1 5 6 g i - i z 的s 0 1 l d m o s 器件，符合高压射频 功率器件的要求。 第三章器件特性研究 第三章器件特性研究 在第二章中，我们通过参数建模和i s e 模拟确定了射频功率s o i l d m o s 器 件耐压结构参数。本章在已经确定耐压结构参数的器件基础上，采用二维器件仿 真软件i s e 对其直流特性和r f 特性进行模拟分析。 3 1 1 亚阈值特性 3 1 直流输出特性 器件的亚阈值特性决定了器件从关态到开态的转换过程，会影响电路的泄露 电流和静态功耗，在电路中十分重要。所谓的亚阑值区是指器件工作在弱反型区， 此时器件所加栅压小于阈值电压，沟道表面处于弱反型，沟道中载流子密 度非常小。 亚阈值斜率s 也称为亚阈值摆幅，其定义为亚阈值区漏端电流增加一个数量 级所需增大的栅电压，反映了电流从关态到开态的转换陡直度【2 2 1 ，具体对应于采 用半对数坐标的器件转移特性曲线( 厶- 关系) 中亚阈值区线段斜率的倒数，表示 为 =丽df南(3-1s ) = 卫 ) d ( 1 0 9 厶) 7 随着器件特征尺寸的缩小，器件需要在低压下工作，为了保证一定的速度需 要降低阈值电压，这就要求器件具有陡直的亚阈值斜率以降低关态电流。第二章 所设计的器件的转移特性曲线和器件漏端电流与栅压关系的半对数曲线如图3 1 ， 3 2 所示。 图3 1 阈值电压曲线 射频s 0 1 一l d m o s 器件设计 ；厂 蚓 q 兰一一 网3 2 漏流与栅压的半对数曲线 从图中叮以看出器件的闽值电噩为22 v ，亚闽值斜率为2 1 4 m v d e c ，即器件 的栅源电捱每变化2 1 4 m v ，漏电流就会下降一个数量级。 3 l2 r 特性 f 特性是一个m o s 器件最重要的特性之一，其决定m o s 器件应用于放大电 路中的功率密度。饱和电流越大，