（微电子学与固体电子学专业论文）pdp行驱动芯片用200v+pldmos设计.pdf

东南人学硕 ：学化论文 摘要 等离子平板显示器p d p 作为新一代显示器具有广阔的应用前景，其行驱动芯片由于耐压要求较k 高( 2 0 0 v ) 、频率较快( 1 m h z ) ，成为p d p 的几个核心技术之一。而行驱动芯片设计的难点是功率 器件的设计。高耐雕功率器件工艺复杂，很难与标准低压工艺兼容，这也是其成本居高不下的一个 重要原因。因此设计出功能满足要求、与标准低压c m o s 工艺兼容、面积节省的功率器件具有重要 意义。 l d m o s 以其耐压高、速度快等优点- 而被大多p d p 行驱动芯片采用。本文设计了一个2 0 0 vp d p 行驱动芯片专用的高低压兼容r e s u r fp l d m o s 。首先绪论中介绍了r e s u r fp l d m o s 产生的历 史过程及原理；然后在第一章中分别对r e s u r fp l d m o s 的场板、漂移区、沟遂等部分的参数进行 了数学建模，计算得到各个参数的近似值：在第二章中通过t s u p r e m - 4 软件模拟器件工艺过程、m e d i c i 软件模拟器件特性来对第一章中得到的器件各个参数进行了优化：第三章中分析了实际流水中经常 出现的各种失效机理，如k i r k 效应、寄生三极管效应、热电耦合效应、热载流子效应等等，并针对 本文设计的器件结构及i ：艺提出了改善这些效应的措施；最后结合第_ 二章的参数、结构以及第三章 中各种可能的失效机理在第四章中设计了r e s u r fp l d m o s 与标准c m o s 兼绺的工艺及版图，分 析了流水的实际结果并介绍了建模提取参数、电路设计的基本知识。 本文设计的r e s u r fp l d m o s 采用上海b e l l i n g 的1 2 9 m 标准c m o s 工艺进行了四次流水，四 次流水过程中对器件进行了大量的改进，使得器件不但性能满足要求，而且考虑了稳定性、可靠性 等方面的要求。采用k e i t h l y 测试仪测得器件耐压大于2 0 0 v ，开启电压3 0 v ，将器件麻用于p i ) p 行 驱动芯片，负载5 0 p f 时，上升下降时间分别是4 5 n s 和5 0 n s ，完全满足目前市场上大多数p d p 屏的 驱动要求。 目前国外推出的p d p 行驱动芯片用的功率器件大多基于s o i 材料，采用介质与低压部分隔离， 成本相对较高；本文设计的r e s u r fp l d m o s 基于外延材料，采用p n 结与低压部分隔离，其工艺 与标准低压完全兼容，降低了成本，其技术水平在凼内具有一定的领先优势。 关键词：行驱动芯片、r e s u r f 技术、l d m o s 、c m o s 兼容工艺、s o a 东南火学硕j ：学位论文 a b s t r a c t a s 也en e x tg e n e r a t i o no fd i s p l a yt e c h n o l o g y , p l a s m ad i s p l a yp a n e lf f d l ) h a sap r o m i s i n gf u t u r e n e $ c l m d r i v e ri ci so n eo fs e v e r a lk e yt e c h n o l o g i e so fp d pb e c a u s eo fi t sh i 曲w i t h s t a n d i n go fv o l t a g e ( 2 0 0 v ) a n d h i g hf r e q u e n c y ( 1 m h z ) md e s i g no fp o w e rd e v i c ei st h em o s td i f f i c u l tt h i n gi nd e s i g n i n gs c a nd r i v e ri c b u tt h et e c h n o l o g yo fp o w e rd e v i c et h a tc a l lw i t h s t a n dh i g hb 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 o b ec o m p a t i b l e 谢t hs t a n d a r dc m o st e c h n o l o g y t h i si sa l s o 伽eo ft h er e o s o l l so ft h eh i g l lc o s t t h u si ti s i m p o r t a n tt od e s i g nap o w e r d e v i c ew h i c hs a t i s f i e st h ed e m a n da n di sc o m p a t i b l ew i t hs t a n d a r dc m o s l d m o si sa d o p t e db yp d pd i v e ri c sb e c a u s eo fi t sh i g hw i t h s t a n do fv o l t a g ea n dh i g hs w i t c hs p e e d i n t h i st h e s i s a2 0 0 vr e s u r fp l d m o su s e df o rp d p 锄d r i v e ri 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 fr e s u r fl d m o s a n dw o r kp r i n c i p l ea 舱i n t r o d u c e d t h e ni nt h ef i r s t c h a p t e r , t h ed e v i c ei s m o d e l e dt og e ta p p r o x i m a t ev a l u eo fe a c hp a r a m e t e r i nt h es e c o n dc h a p t e r , t s u p r e m - 4a n dm e d i c i 锄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 s o m ee f f e c t ss l e e no f t e n d u r i n gf a b r i c a t i o n , s u c ha sk i r ke f f e c t ，p a r a s i t i ct r i o d ee f f e c t ，h e a ta n de l e c t r o n i cc o u p l i n ge f f e c ta n dh o t c 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 ss h o w e di nt h et h i r dc h a p t e r i nt h ef o r t h c h a p t e r , a c c o r d i n gt ot h ev a l u eg o ti nt h es e c o n dc h a p t e r , l a y o u ti sd e s i g n e dc o n s i d e r i n gt h ee f f e c t s m e n t i o n e di nt h et h i r dc h a p t e r a n dc i r c u i tm o d e l i n gt og e tt h ed e v i c ep a r a m e t e ri sa l s oi n t r o d u c e d t h er e s u r fp l d m o sw ed e s i g n e di sf a b r i c a t e dq u a r t i e l yb a s e do n1 2 岫s t a n d a r dc m o st e c h n o l o g yo f b e l l i n g 。s h a n g h a i d u r i n gt h ef o u rf a b r i c a t i o n s al o to fm o d i f i c a t i o n sa r em a d et ot h e d e v i c e 1 f 1 r e l i a b i l i t yo ft l l ed e v i c ei sa l s oc o n s i d e r e d m e a s u r e db yk e i t h l y , t 1 1 eb r e a k d o w nv o l t a g eo ft h ed e v i c ei s m o l et h a n2 0 0 v t h et l a r e s h o l dv o l t a g ei s3 0 vt h ed e v i c ei si m p l e m e n t e dt ot h es c a nd r i v e ri ca n dt h er i s e t i m ea n dt h e 舢t i m eo ft h eo u t p u ts t a g et i t lea b o u t4 5 n sa n d5 0 n s r e s p e c t i v e l y , w h e nt h el o a di s5 0 p f ，n 砖 r e s u l t sa l ea p p l i c a b l et om o s to ft l a ep d pi nt h em a r k e t m o s tp o w e rd e v i c l ef o rp d p5 c l u ld r i v e ri c su s e da b r o a da l eb a s e do i ls o ia n dd i e l e c t r i ci su s e dt oi s o l a t e p o w e rd e v i c ef r o ml o g i cp a r t t h ec o s ti sh i g h t h er e s u r fp l d m o sd e s i g n e di nt h i st h e s i si sb a s e do i l e p i t a x ya n dp nj u n c t i o ni su s e dt oi s o l a t ep o w e rd c v i c l ef r o mt h el o g i cp a r t t h et e c h n o l o g yo ft h ep o w e r d e v i c ei sc o m p a t i b l ew i ms t a n d a r dc m o st e c h n o l o g y t h ec o s ti sl o w e r e d t h ed e v i c ed e s i g n e di nt h i s t h e s i sk e e p sa h e a di nc h i n a k e yw o r d s ：s c a nd r i v e ri c s ，r e s u r ft e c h n o l o g y , l d m o s ，c m o sc o m p a t i b l et e c h n o l o g y 、$ o a 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：3 础耻日 期：迦必 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( 包括千i j 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：3 雌导师签名：蜂日 期：龇 东南大学硕一l 二学位论文 0 1 、l d m o s 功率器件发展史 绪论 功率m o s 器件由标准m o s 器件发展而来，在保留标准m o s 速度快、功耗小等优点的基础上 努力增大工作电压电流从而提高功率。图o 1 ，1 是标准m o s 管的基本结构截面图。衬底掺杂浓度较 低，源漏高浓度掺杂，漏端电压增加时，耗尽区主要向衬底延伸，因此要提高耐压。需要采用高阻 衬底：j 司时为了防止串通，需要增加沟道长度l 。标准m o s 器件的漏电流与沟道长度l 成反比，即： l 位0 1 1 图0 1 1 、标准m o s 管截面示意图 因此增加l 必然会降低器件工作电流，从而无法提高功率。为了解决这一矛盾。1 9 7 1 年t a m i t o a l 等 人提出了横向双扩散m o s ( l d m o s ) 。如图0 1 2 所示。与标准m o s 器件相比l d m o s 主要有两点 不同：一、沟道与漏之间增加了较长的低浓度1 1 漂移。由于该1 ) ( 的杂质浓度远远低于p 型沟道的 杂质浓度，当漏电压增加时，耗尽主要向低浓度的漂移i x 延伸。因此设计此l d m o s 的主要任务是 调节漂移区长度以及p 型沟道和漂移区的电阻率。二、沟道i x 的长度主要由两次扩散的结深来控制， 因此l 可以做得很小而不受光刻精度的限制。如果需要更大的电流，只要增加沟道宽度。1 9 7 6 年， m j d e c l e 和l 和j d p l u m m e t , t o - - 2 j 采用这种方案作出了第一个高压大屯流l d m o s 器件。 0 2 、r e s u r f 技术及l d m o s 种类 l d m o s 总体上分为n o n - r e d u c e d s u r f a c e f i e l d ( n o n r e s u r f ) l d m o s 和r e s u r fl d m o s 两 种。r e s u r f 的原意是降低表面场技术，实际上是轻掺杂层降低器件表面的电场强度。 0 2 1 、r e s u r f 技术原理 1 9 7 9 年，j a a p p e l s l o 习等人提出了r e s u r f 技术理论。它使传统的耐压上限只有2 5 0 v 的 l d m o s 的耐巨提高到1 2 0 0 v 。同时也使导通电阻降低。图0 2 1 画出了r e s u r f 二极管的基本结构， i制 绪论 它是薄外延层上的横向p + n 结。 取外延掺杂浓度为6 x 1 0 1 4 e m 一，衬底掺杂浓度1 7 x 1 0 1 4 c m 一，当外延层厚度为5 0 9 i n 、反偏压为 3 7 0 v 时，外延层并未完全耗尽，此时电场峰值在p + n - 结边界，而且已经达到将要雪崩击穿的临界 电场强度e c ，此时击穿发生在表面，击穿电压为3 7 0 v ( 如图0 2 2 所示) 。当外延层厚度为1 5 t t m 、 反偏雕为3 7 0 v 时，外延层虽没有完全耗尽，但由于外延层比较薄，衬底p 辅助p + 使外延n 横向的 耗尽长度比外延层较厚时要宽，相同电压加在更长的空间电荷区上，因而与外延较 图0 21k e s u r f 二极管横向截面示意图 i e - 2 掣n - j 。p + 一一一一一一一一一一一一一 ：j 7 ： 仉 图o 2 2 、普通二极管临近击穿耗尽界面示意图。 反向耐压3 7 0 v 。 厚时相比，升_ n - 结边界的电场强度要低得多，因而反偏压为3 7 0 v 时，器件不会击穿( 如图o 2 3 所 示) 。继续增加反偏压，到l l s o v ，外延层全部耗尽，此时硅体内跟表面有三个峰值电场：p + n - 结边 界显然是一个峰值电场，p - n - 结边界也有一个峰值电场，由于n - n + 结处具有较浓的空间电荷因而此 处也有一个峰值电场。三个峰值电场如图0 2 4 所示。随着反向电压的增加三个峰值电场j 列时增 枣一一一j n b + ， j p 一 意图。反向耐压3 7 0 v 。 删n fp + e = e c j p 一 图o 2 4 、r e s u r f 二极管临近击穿时耗尽界_ 面 示意图。反向耐压1 1 5 0 v 。 加，当某一个峰值电场达到临界击穿电场时，器件失效。调节外延厚度、浓度、衬底浓度可以使器 件的耐压达到最大，此时p + n - 结和n + n - 结边界的峰值电场相等，击穿点在体内n p 结处。由此町 见，在r e s u r f 二极管中，在外延层全部耗尽的情况下，由于外延层耗尽i 适中的电场与衬底耗尽区 中电场相互作用，使得表面电场降低，从而击穿点由表面转移到体内，因而击穿电压大大提高。 假设纵向耗尽在横向击穿之前达到硅表面，可以估算出最优的外延注入剂量( h ，其中n 0 是外延参杂浓度，t e p i 是外延厚度) 【o 4 】。由： b = 占e c 2 9 0 0 2 1 得到： ( 万一) = n 印i te p i = 6 e c ，02 2 厄而丽眈3 2 m 南人学碰i 学位论史 假设临界“穿电场是3 0 w p m 由1 23 式得到n 甲+ t _ 尸9 x 1 0 c i t i o 2 2 、l d m o s 分类 l d m o s 分为州种k e s u r fl d m o s 和n o n - r e s u r fl d m o s 。在体砘上将稚个育源k 作为漂 移k 或外蜓层非常厚衬底使漂移耗尽对1 漂移k 的横向展宽几乎没有仆用t 此h 漂移k 的耐k 状况跟普通的p n 结反目耐压尤异电场峰值在p n 爿- 边界，r 0 穿在表面这样形成的l d m o s 称为 n o n - r e s u r fl d m o s ；将0 21 节介皇开的r e s u r f 技术廊用到l d m o s 中称为k e s u r fl d m o s ， 漂移区在有源区上单独扩散形成，或外延层根薄，利底可以辅助沟道使漂移k 耗尽展宽，器什漏端 加较高耐悟时摧个漂移区完全耗尽，三个峰值屯场最= 凡值在体内的p - n - 结，器件失效时在体内击穿。 这种器什称之为r e s u r fl d m o s 。 相比丁n o n - r e s u r f l d m o s k e s u r f l d m o s 具有根多的优点。由于村底和构道婀个方向的 耗尽电荷相互影响降低了峰值电场，吲而相同漂移k 长度的r e s u r fl d m o s 比n o n - k e s u r f l d m o s 具有更高的1 1 j 穿电件。相f 司r b 穿电n - 的r e s u r tl d m o s 的r 。a ( k 是器忭导通电阻， a 是器州面积) 比f l o g r e s u r f l d m o s 小得多只有其六分之一，大大节省丁面积，降低了费用。 但是在口j 稚性稳定性山而。r e s u r f l d m o s 要逊r 1 1 0 n - r e s u r f l d m o s 。r e s u r f l d m o s 漏端 且宵较高的峰值i u 场开态i 作时由 k i r k 教麻”“，峰值电场的人小随电流的增加会更大，热载流 了效麻明显n 向可靠性及寿命会下降。 0 3 、常用l d m o s 基本结构及衍生种类 圜03 1 、r e s u r fp l d m o s 的“q 剖概图 如图0 3 1 所示为常用r e s u r fp l d m o s 基本结构的纵向剖视图。漂移【z 由注 杂质扩散形成。 在高低雕兼辑的功率集成i c 中经适调节可咀用低托p 阱代替为了防j 1 穿通，淘道k 扩以浓度 较高的n 阱，高低城兼容的功率集成i c 中可以将其与低压n 阱台版。 0 3 1 、r e s u r f i | d m o s 基本工作原理 漂移医的杂质浓度远低1 。标准低压1 二艺的漏l 再，工作时，漂移区完全耗尽，又部分源漏电压分 布在漂移k 上从而源漏之问可咀承受很高的电压。厚场氧将场板抬高从而提高了栅漏之间的酎 h 。对此器什设刊需要考虑土要的土要参数有：沟道浓度、长度漂移区结深、k 度、浓度和场板 眭度等。 随漂移k 长度的增加器忭耐压运渐上升，最后达到一定值。此定值由漂移区浓度，外延层派 度，漂移区结椿决定。外延层诳度越低定值越大圜此在保证源漏不穿通情况下，外延浓度应尽 绪论 量低。漂移区结深越大，定值越大，但由于深的结深比较难做，对于耐压为2 0 0 v 的l d m o s 结深 一般取7 - 8 t t m 。 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 穿点在鸟嘴附近；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1 ，从而降低耐压。当漂移区浓度适中，漂移区 完全耗尽，鸟嘴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。 由于栅场板的存在，鸟嘴附近的高电场得到缓解，从而使分布在漂移区的等压线更加均匀，栅 场板过短，容易在鸟嘴及场板端点处击穿。场板过长，关闭态时由于场板跟漏区存在较大的压差， 漏附近的场强很高，从而导致击穿。 0 3 2 、r e s u r fl d m o s 衍生管 r e s u r f 技术之所以能够使导通电阻降低是因为r e s u r f 技术的漂移区边界有两个p n 结，随 着漏电压的增加漂移区从两个方向被耗尽，因而在掺杂浓度较大的情况下，漂移区也能尽快耗尽， 高的掺杂浓度降低了导通电阻。同样道理，如果漂移区能够与三个p n 结相邻，将更容易耗尽，导 通电阻将会更低。于是【0 6 】中提出了称为s u p e r j u n c t i o n 的结构如图o 3 2 所示。作为漂移区的n - n 有 三个p n 结，进一步降低了导通电阻。为了进一步降低导通电阻，可以将p 区n 区进行交叉，于是 图0 3 2 、s u p e r j u n c t i o n 结构 图0 3 3 、3 dr e s u r f 技术 出现了3 dr e s u l 强技术如图0 3 3 所示。 在1 2 节中曾提到过，r e s u r fl d m o s 的漏端电场较高，开态时由于k i r k 效应的影响，漏端 电场将进一步增加，从而影响了器件的可靠性与稳定性，降低漏端的峰值电场需要较浓的漂移区， 但这会使漂移区靠近沟道一端的峰值电场增加，为了解决这个矛盾，文献【o 7 】提出了双层漂移区结 构如图0 3 4 所示。较浓的p 区降低了漏端峰值电场，同时不提高靠近沟道端的漂移区的峰值电场。 经模拟发现此器件的漂移区内有三个峰值电场，除漂移区两端的两个峰值电场外还多了p - p 结边界 的一个峰值电场。可以想象，如果漂移区是由很多的p 区组成，每个p 区的参杂浓度不同，离漏端 越近的p 区参杂浓度越大将会大大改善漂移区内的电场。何进【o 明等人理论上证明了具有线性掺杂浓 度的漂移区具有最优的电场分布。张盛东 o 9 1 等人在工艺上实现了器件的制作如图0 3 5 所示，掩模 版开l 越靠近漏端越大，从而注入剂量变大，推阱扩散后浓度也大，从而基本形成参杂浓度为线性 的漂移区。 将3 d r e s u r f 技术及线性浓度漂移区向结合，出现了如图o 3 6 所示的器件。此器件的漂移区 具有三个r e s u r f 结，因此可髂为3 dr e s u r f 器件。同时由于靠近漏端的n 漂移区变宽，因而越 是靠近漏端漂移区越难耗尽，因而漏端的电场强度不会太大。所以它也兼有线性参杂漂移区的作用。 4 g 自 学厩l n 论女 脚 目0 54 、m 层埭社rr e s u r f p l d m o s 的纵向削桃图 图0 35 、线性漂移区制作演示围 上面提到的衍生器件都是在改变漂移区的基础上产生出来，另外还有场板衍生器件。如导电场板， 带电位场板等等：沟道衍生器件如t r e n c h 沟道等等。 圈036 、s u p c r j 埘c t i o e 与线性参杂漂移m 向结合 0 4 、l d m o s 的应用 ，f j ：，j 】 ! 习：。i 二j 。 目o 4 1p d p 行g 动o h 输j “ l d m o s 具有众多的优点：一、源漏栅三个电极都可以从表面引山，易t 跟标准的m o si ：艺兼 容。一、l d m o s 是多于器件，尤存储效应_ l = 作频率高，开关速度快开关损耗小。三、它是j 卡 控器什，输入阻抗高，电流增益火，驱动功率小驱动电路简单。四、它是短沟器件跨导线性度 高t 放大失真小。雨、它是负电流温度系数器件不易一次击穿，安全】作1 ) ( 宽热稳定性好。由 1 这些优点它已经被广泛麻用在开关电源、d c - d c 变换、d c - a c 变换，快速开关变换高保真 音频放大、并种模拟开关、马达驱动、汽车电子等领域。如下是l d m o s 应用在p d p 驱动电路中的 例子。 p d p 行驱动芯片输出级电路图如图0 4 1 所示垴、如，垴为来自低胝逻辑部分的三略控制信 号线t 其中，岫信号与垴信号相同，与啦信号相反。p l 、p 2 、n l 投n 2 四个l d m o s 管产生个 控制信号来控制n 管的开启与截止；由巧，n 3 管怍o u t 端输出实现电平的位移。该电路的上作过 程是：当m l 面= o 、i n f l 时，n l 导通，m m 截l r ，导致p 2 、p 3 导通，p 1 截止高电压将通过 管，在q 端输出：当i n l = 玛= 1 、i n 2 - 0 时，、m 导通，n l 截止，导致p 】导通p 2 、n 截止，输出 端q 通过n 3 放电至低屯平。由于v d h 是高佳电源( 超过1 0 0 v ) 闻此普通的m o s 不能承受如此 高的电压图中的6 个管于都是l d m o s 。 绪论 0 5 、本论文的主要工作及意义 随着最小线宽的降低，标准c m o s 器件面积也随着下降，然而对于高压器件，由于耐压和功率 密度的要求其面积却下降很小，因而在高低压兼窖功率芯片中功率器件的面积占主导地位，因此能 否设计出耐挑功率都满足要求、节省面积且与低压工艺兼容的l d m o s 具有重要意义。 本文的主要工作是设计一个能够承受2 0 0 v 电压的p d p 行驱动芯片专用的高低压兼容的 r e s u l 心p l d m o s 。首先根据器件要求，通过对r e s u l 玎p 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；然后在分析流水中经常遇到的各种失效机 理、功率密度等因素基础上进行器件的版图设计；最后简单介绍了器件建模提取参数及电路应用方 面的知识。 6 东南人学硕r j ：学位论文 第一章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l d m o s 的各个参数进 行详细的建模。 1 1 、沟道区设计的理论模型 首先研究沟道的最小长度及沟道区杂质浓度的选择。如图1 1 1 所示是l d m o s 模型结构分析示意 图，其中阴影部分是耗尽区。 图1 1 1 、r e s u r fp l d m o s 模型结构分析示意图 1 1 1 、沟道的最小长度 沟道的最小宽度三曲曲是由穿通击穿来决定的。假设沟道下杂质浓度为心，漂移区的浓度为 n d ，外加工作电压为圪。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k 为： 厶一曲= x c h = 其中为缓变p - n 结的接触电势差。 1 1 2 、沟道区杂质浓度 沟道区杂质浓度主要由器件的开启电压决定： 7 第一章l d m o s 参数建模计算 巧= 书埘+ c d q o x _ ) + 4 4 q f n c h s s l c o q f + 2 k 口o _ 笪tl i l 等( 1 - l - 2 )u 0 o d f y ，f 开启屯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。 1 2 、场极板设计的理论模型 1 2 1 、原理介绍 为了提高k e s u r fl 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。图1 2 1 是有 场板的l d m o s 示意图。它的表面击穿电挂较未加场极板时明显提高。为了说明场板的作用，先考 虑场板是无穷大的情况在这样情况下，从m o s 管的漏极d 经过衬底a ，场氧化层b ，再至栅极 g 形成一个同路，形成一个m o s 电窖器。漏极的高压被场氧化层电容器分压，减小了表面a 处的 雪崩击穿电压。 图1 2 1 、有场极板的r e s r u fp l d m o s 示意图 场极板为有限情况时，其降低表面击穿电压的效果，除了受上述介绍的无限大场极板形成的 m o s 电容器的影响外，还要考虑场板的边界效应。有限尺寸场极板的边缘效应，可等效为一个平面 p n 结的击穿电压。因此，可以将无限大m o s 电容器和这个等效p n 结的击穿电压比较，两者之中 较小的击穿电压，就是外加场极板的击穿电压。 1 2 2 、场板长度的计算 如图1 1 1 根据泊松方程： 可以得到漂移区表面电场： 表面电势： d 2 q 丁p s ：一垃( 1 2 1 ) d x 2 占 、 巨：q n o x a ( 1 2 2 ) s 8 东南大学硕士学位论文 仍= 警m 2 圆 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： 将( i - 2 - 2 ) 代入( 1 2 4 ) 可以得到： k = 6 j e 。( 1 2 - 4 )气丘。2 。”【卜 ：k k ：q n _ n x d t 甜( 1 - 2 5 ) p 越 其中f 。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匕，栅上所加的电压为由 图1 2 1 可知，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l d ，则场极板右边缘下漂移区的电位可近似为： 所以从场极板往下的电位可以表示为： 巧= 生l d 矿d 。( 1 2 6 ) 名一y 品= 巧= 巧一y 二一织( 1 - 2 7 ) 其中为平带电压。将( 1 - 2 3 ) 、( 1 2 - 5 ) 代入( 1 - 2 - 7 ) 得到： 解方程( 1 - 2 - 8 ) 可以得到x d 为： 由图1 2 1 可以得到： 根据缓变结泊松方程得到： x d = y ；一y ：= 2 占， ( 1 - 2 8 ) 一旦o ( 1 2 9 ) 弧 t = o 一三= 。一厄而( 1 - 2 1 0 ) w = ( 1 - 2 一1 1 ) 其中为缓变p - n 结的接触电势差。将( 1 - 2 - 9 ) 、( 1 - 2 - 1 1 ) 代入( 1 - 2 1 0 ) 得到： l 窖= 0 一 2 ( 丢k ) 2 瓷c 巧一生6 0 x k 2 q n s u b 、一) 一 _ 一、|q n d ( n o + ) 、| 9 第一章l d m o s 参数建模计算 ( 1 - 2 1 2 ) 所以场极板的所需的长度t 可以由公式( 1 - 2 一1 2 ) 决定；场极板的边缘距离漏极的最小距离l 可 以由公式( 1 2 1 2 ) 决定。 1 2 3 、无穷大场极板的击穿电压 设s i 0 2 的电位移矢量是d 觚，s 的电位移矢量是巩。根据电磁场的边界条件可知，在s i 和 s j 0 2 界面应有下式成立： d 岛。一d 泓。= 盯 。( 1 - 2 一1 3 ) 上式中仃是界面上的自由电荷面密度，式中电位移矢量的下标中n 表示电位移矢量的法向分量。电 位移矢量与电场的关系为： k = 知三k ( 1 2 1 4 a ) d 髓咖= e s i 0 2e 赢。”( 1 - 2 - 1 4 b ) 式( 1 - 2 1 4 ) 代入式( 1 2 1 3 ) 后，得到： g 血一兰竖l 互鼢。：旦( 1 2 1 5 ) 礅s i 式( 1 - 2 1 5 ) 中场强的下标1 1 表示了场强的法向分量。 e s i o ： - p s i 0 ： s i l e 毫： i n t e x f a c e 图1 2 2 、硅中场强与二氧化硅中的场强关系 法向电场与场强的矢量之间关系如图1 2 2 所示。根据图1 2 2 ，可以写成： 。= e 鼢c o s 口2 ( 1 - 2 - 1 6 a ) e 踟2 一(1-2163s：cost；t1 21 6 b ) 厶砌2 【卜。 将式( 1 2 1 6 ) 代入( 1 - 2 1 5 ) 式后得到： e 溉2 嚣去岛一= j 1 2 川， 式中的口l 和口2 的取值应当与场强的具体分布有关。若在发生p n 结击穿时，体内击穿场强为。 1 0 东南人学硕 ：学位论文 则有e 口= e o + ，式( i - 2 - 1 7 ) 可以写成： 5 面c o s 口1 。毒一面杀( m 舶) c o s 口2占跚， c 0 s 口2 占2 所以s i 0 2 层的最小击穿电场为c o s 口2 = 1 时的值。这时的量峨就是最小击穿场强。实际上这时s i 0 2 层中只有法向场强。取s i c 2 的相对介电常数为4 ，s i 的介电常数为1 2 。忽略界面态密度，式( 1 - 2 - 1 8 ) 可以写成： e s i 0 2 ( r a i n ) = 3 c o s a l ( 1 - 2 1 9 ) 由于s i 0 2 中的场强是均匀电场，又只有法向电场，因此有： e + o , ( r a i n ) = k 警( 1 - 2 珈) 式中：是场m o s 管的平带电压：是栅源电压；是图1 2 i 中a 点的电压：f 暇是场板下的 氧化层厚度；血靠是发生击穿的漏源电压。式( 1 - 2 - 2 0 ) 代入式( 1 - 2 - 1 9 ) 得到： 阳叫= 3 c o s ( z l e c m t 西+ y 击+ y 矗+ 匕( 1 - 2 - 2 1 ) 上式中的平带电压可以写成 一毒枷一c 心珑， 式中：如是s i 0 2 中固定正电荷面密度：c o x 是场氧化层的单位电容：懈是金属半导体功函数差。 所以式( 1 - 2 2 1 ) 可以写成： = 3 c o s a i 。+ 一- - 宅 1 - ( ) m s + _ ( 1 - 2 - 2 3 ) 其中是图1 2 1 中a 点的电压 为了体现无穷大场极板的特点，a 点应当选取场极板的中f - - j 点，这里选取p n 结的冶金结处 由于是单边结，a 处电压近似等于p n 结的电压，故可以写出： = c ( 0 c 1 ) ( 1 22 4 ) 式中是漏衬底p n 结的击穿电压，所以式( i - 2 - 2 3 ) 变为 一= 3 c o s 口- k + c + 一老+ q 一( 1 2 - 2 5 ) p n 结的击穿电压依结的类型而定。若是雪崩击穿，其单边结的击穿电压公式是 第一章l d m o s 参数建模计算 划百g g ( 等) 一，将& 峨钆m v 觎 - 6 1 0 1 3 砰( i - 2 2 6 ) 式( 1 - 2 2 6 ) 代入式( 1 2 2 5 ) 后得到击穿电压是 一= 3 c 。s 吼t o 。+ 6 x 1 0 1 3 c j + 一i q o x + 懈( 1 - 2 - 2 7 ) 其中( 0 、 幽 脚 钛 伯 漂移区结深i 闺1 图2 2 2 、击穿电压随漂移区结深变化 如图2 2 1 所示，从图中可以看出当漂移区长度较小时，开启态和关闭态的击穿电压随着漂移i x ：的长 度增加而变大，最后两者分别趋于一定值。产生图示曲线的原因是：当漂移区浓度适当，使得漂移 区全部耗尽，大部分的漏电压分布在整个漂移区，漂移各处电场近似相等，根据公式： = l e ( 2 2 1 ) 式中l 为漂移区长度，e 为临界击穿电场。漂移区越长，击穿电胍越高。随着漂移i x ：增加到一定长 度，击穿点由s i s i 0 2 界面处转移到体内漂移区与外延界面，冈此漂移区与外延界面平行缓变结击穿 电压将是管子击穿电压的上限【z l 】。但图中关闭态的击穿电压曲线的趋向值却远小于这个上限，这是 冈为此处模拟的管子的栅比较长，管子处于关闭态时，栅电压为零，而离其较近的漏端的电挂却为 - 2 0 0 v ，两者之间的电场强度很高，使得漏i 表面在体内达到- 山穿电压之前已经击穿。随着漂移长 度的增加，漂移区电阻成正比。实际芯片中的管子都是采用跑道型结构仁2 1 ，因此管子所占用的面积 平方律地增加。 2 2 2 漂移区结深 根据工艺要求以及前面的计算结果，取外延层浓度8 x 1 0 1 4 c m - 3 ，沟道浓度l x l 0 1 7 c m - 3 ，漂移区注 入剂最3 1 0 1 2 c m - 2 ，漂移区长度1 3 p m ，开启态时栅电压为- 2 0 0 v ，变化漂移i 的结深，得到击穿电 压的变化曲线如图2 2 2 所示，其中的实线为关闭态，虚线为开启态。由图可以看出，开始时，随着 漂移结深的增加，开启态关闭态的击穿电压都增大，当结深超过7 p m 后，随着结深的继续增加， 击穿电挂略有下降。其原因为：当漂移区结深较小时，场强的最高点在漏结的左端靠近表面处，随 着结深的增加，r e s l t r f 效应逐渐明显，缓解了此处的场强，使得击穿电压逐渐趋近最优值。当结 深很大( 大于7 p m ) 时，场板下等压线弯曲程度变大使s i s i 0 2 界面处的水平方向的场强变大，栅板 末端等压线尤为密集，击穿点由漏区左端表面转移到了栅板末端硅表面处。不同结深场板末端等压 线分布如图2 2 3 所示，虚线为浅结的等压线，实线为深结等堆线，明显町以看出后者由于倾斜度大 而使电场强度比前者高，因而更易击穿。开启态的击穿电压一商低于关闭态的原因将在后面讨论。 漂移结深小于1 0 p m 时，随着结深的增加，漂移区的电阻几乎成线性减小，但当结深大于1 0 p m 时， 漂移区电阻几乎没有变化。因此，漂移区结深大于1 0 r t m 没有实际意义 2 1 第二章器件参数模拟及工艺流程 2 2 3 漂移区浓度 图2 2 3 、不同漂移区结深场板末端等压线比 n 外延高低压兼容工艺中，漂移区与外延之间不再是突变结，而是缓变结，这更给问题的分析 带来了困难。模拟中，取外延层浓度8 x1 0 h c m 3 ，沟道调节浓度1 1 0 1 7 c m - 3 ，漂移长度1 3 1 a m ， 开启态时栅电压为2 0 0 v 。采用b f 2 注入，注入能景1 8 0 e v ，随着注