（电路与系统专业论文）复合多晶硅栅ldmos器件的结构设计与电学特性分析.pdf

摘要 摘要 近年来，随着以蜂窝式移动通信为主的通信市场爆炸式的增长，人们对于性 能优异的r fl d m o s 器件的需求越来越广泛，例如通讯基站使用的发射放大器， 其工作频率在9 0 0 m h z 到2 4 g h z 之间，工作电压在3 0 v 左右。对于射频l d m o s 器件，除了电流电压特性方面的要求外，还对器件在频率方面提出了更高的要求， 所以，在设计新的应用于通讯i c 的l d m o s 器件时，必须在高压和高频两方面 进行考虑。基于以上两点的考虑，本文提出了一种复合多晶硅栅( d m g ，d u a l m a t e r i a lg a t e ) l d m o s ，这种结构同时改善了l d m o s 的高压与高频特性，适用 于射频放大电路。 本文首先介绍了l d m o s 在射频领域中的应用和其具有的优势，接着介绍了 l d m o s 的器件结构和特性，然后针对当前改善l d m o s 特性所采取的主要手段， 介绍了几种具体的l d m o s 结构，并比较了其主要性能参数。 本文提出的d m g l d m o s 结构采用了栅工程的概念，所设计的栅a s g a t e 和 d g a t e 两块并列组成，s - g a t e 用高功函数p + 多晶硅，d g a t e 用低功函数n + 多晶硅。 在复合多晶硅栅的实现工艺上，本文采用了一种补偿注入的方法，只需利用一块 s - g a t e 掩模板就可形成复合栅电极结构，工艺简单可行，同时，本文利用工艺模 拟软件t s u p r e m 4 对d m g l d m o s 器件进行了工艺模拟，并给出了简明工艺流程。 阈值电压是m o s 器件的重要参数之一，为了使电路模拟软件能够正确模拟 电路的特性，建立精确的闽值电压模型是非常重要的。由于d m g - l d m o s 的栅 电极由掺杂类型和浓度不同的多晶硅材料构成，而且沟道是非均匀掺杂，因此很 难通过解泊松方程来求阈值电压的解析模型。本文通过m e d i c i 模拟软件分析了 d m o - l d m o s 的闽值电压与复合栅长度比例、功函数差之间的关系，并在普通 l d m o s 阙值电压模型的基础上建立了含有经验参数的d m g - l d m o s 的阈值电 压模型，模型中的参数与衬底材料、复合栅结构与材料有关。将模型的计算结果 与m e d i c i 的模拟数据进行了比较，两者的误差很小，说明该模型可以精确地描 述d m g - l d m o s 的阂值电压，在电路模拟中有一定的参考价值。 在对d m g - l d m o s 器件直流、交流特性的研究过程中，通过仿真软件 m e d i c i 的模拟结果表明，由于s g a t e 和d g a t e 分别由低功函数的n + 多晶硅与高功 复合多品硅栅l d m o s 器件的结构设计与电学特性分析 函数的p + 多晶硅构成，因此在复合栅的界面处会产生一个阶梯电势和一个峰值电 场，在这个峰值电场的作用下d m o l d m o s 的载流子在沟道区的平均速度增大， 从而提高了器件的跨导与截止频率；另外这个阶梯电势使的器件的表面电场分布 更加均匀，可以在导通电阻变化不大的情况下提高击穿电压；同时这个阶梯电势 对漏端电场峰值起到屏蔽的作用，从而减小了热电子效应，增加了器件的使用寿 命。 关键词：l d m o s 、复合栅、阈值电压、跨导、截止频率 a b n t a c t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，c o m m u n i c a t i o nm a r k e tw h i c hg i v ep d o h 何t oh o n e y c o m b m o b i l ec o m m u n i c a t i o ni n c r e a s e se x p l o v s i v a l y s ot h ed e m a n df o rr fl d m o s b e c a m em o r ea n dm o r ee x t e n s i v e l ys u c ha se m i s s i o na m p l i f i e rw h o s eo p e r a t i n g f r e q u e n c yi sf r o m9 0 0 m h z t o2 4 g h za n dv o l t a g ea b o u t3 0 v t or fl d m o s n l o r e a t t a t i o nh a sb e e np a i dt od e v i c ef r e q u e n c yb e s i d e si n t f i n i ei - vc h a r a c t e r i s t i c s a n d b o t ht h eh i g hv o l t a g ea n dh i 曲f r e q u e n c ys h o u l db ec o n c e r n e dw h e nd e s i g nan o v e l l d m o su s e di nc o m m u n i c a t i o ni c a c c o r d i n gt ot h i s ，an e wd u a lm a t e r i a lg a t e ) l d m o sw a sp r o p o s e di nt h i sd i s s e r t a t i o nf o rr fa m p l i f i e rw h o s eh i 曲v o | t a g ea n d h i g hf r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c sw e l ei m p r o v e ds i m u l t a n e o u s l y 。 f i r s t l y ，t h ea p p l i c a t i o na n ds u p e f i o d t yo fl d m o sa r ei n t r o d u c e df o l l o w e db y i t ss t r u c t u r ea n dc h a r a e t e f i s t i e s c o n s i d e r i n gf o rt h ed i f f e r e n ta p p l i c a t i o nf i e l d s ，s o m e c o n c r e t el d m o ss t r u c t u r e sw e r ep r e s e n t e di nc o n j u n c t i o nw i t ht h ec o m p a r i s o no f m a i np e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s t h ep r o p o s e dd u a l m a t e r i a lg a t e ( d m g ) l d m o se m p l o y e da ne f f e c t i v ec o n c e p t o fg a t ee n g i n e e r i n g t h eg a t e so ft h ed m g - l d m o sc o n s i s to fs - g a t ew i t hh i 曲 w o r k f u n c t i o nm a t e r i a lp + p o l ya n dd g a t ew i t hl o ww o r k f u n c t i o nm a t e r i a ln + p o l y a n da r ep a r a l l e lt oe a c ho t h e r m e a n w h i l e ，p r o c e s so f t h ec o m p o s i t eg a t ei ss i m p l ea n d f e a s i b l e ，w h i c hc a nb er e a l i z e db yo n l ys - g a r em a s kt h r o u g hc o m p e n s a t i o ni m p l a n t i n g a n ds i m u l a t e db yp r o c e s ss i m u l a t i o ns o f tt s u p r c m 4 t h ec o m p a c tp r o c e s sf l o wi s p r e s e n t e da f t e r w a r d t on l a k et h ec i r c u i ts i m u l a t i o ns o f tm o r ea n dm o r ea c o u r a t e l y , i ti si n d i s p e n s a b l e t os e tu pap r e c i s em o d e lf o rt h r e s h o l dv o l t a g ew h i c hi sab a s i cp a r a m e t e ro fm o s d e v i c e b u tb e c a u s et h eg a t eo fd m g l d m o si sm a d eu po ft w ok i n d so fm a r e r i a l s a n dc h a n n e li sd o p e du n i f o r m l y , i ti sh a r dt oo b t a i nt h ea n a l y t i c a lm o d e lb ys o l v i n g p o i s s o n se q u a t i n c o n s e q u e n t l y ，w ea n a l y s e dt h er e l a t i o n so ft h r e s h o l dv o l t a g et o l e n g t hr a t i o no f t h ec o m p o s i t eg a t ea n dw o r k f u n c t i o n a n dt h e nt h ee x p e r i e n t i a lm o d e l l 复台多晶硅栅l d m o s 器件的结构吐计与电学特性分祈 o ft h r e s h o l dv o l t a g ei sb u i l t 印b a s e do nt h em o d e lo fn o r m a ll d m o s ，i nw h i c ht h e p a r a m e t e r sa t ee o n c e m e dw i t hs u b s t r a t e sm a t e r i a l c o m p o s i t eg a t e l sm a t e r i a la n d s t r u c t u r e c o m p a r i s o n sw i 也m e d i c i ss i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ee r r o ri ss o s m a l lt h a tc a nb eu s e df o rc i r c u i ts i m u l a t i o n b e c a u s es - g a t ea n dd g a t ea r ec o m p o s e do fl o w w o r kf u n c t i o nn + p o l y s i l i e o n a n dh i g hw o r kf u n c t i o np , r - p o l y s i l i c o n , as t e pe l e c t r i cp o t e n t i a lw h i c hr e s u l t si nap e a k e l e c t r i cf i e l di sg e n e r a t e d t h ep e a l 【e l e c t r i cf i e l dc a t li m p r o v et h ea v e r a g es p e e do f c h a n n e lc a r r i e r s , w h i c hm a k et h ed e v i c eah j 啦e rt r a n s c o n d u c t a n c ea n dc u t - o f f f r e q u e n c ym e a n w h i l e ，t h es t e pe l e c t r i cp o t e n t i a ln o to n l yi n c r e a s e s b r e a k d o w n v o l t a g eb yam o r eu n i f o r ms u r f a c ee l e c t r i cf i e l db u ta l l e v i a t e sh o tc a r r i e re f f e c t sa n d 备- u p r o v e sd e v i c el i f et i m eb ys c r e e n i n g e l e c t r i cf i e l do f d m i ns i d e k e yw o r d s ：l d m o s ，d u a lm a t e r i a lg a t e ，t h r e s h o l dv o l t a g e ，t r a n s c o n d u c t a n c e ，c u t - o f f f r e q u e n c y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，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，也不包含为获粼或其他教育机构 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谢意。 糊黼鲐叫司雩 鳓期：矽。卜月力日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解嬲学有关保留、使用学位论文的规定 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阆。本人授瓣可以将学位论文的金部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：袅j 争妒 导师签名酶弱 签字日期：刃口7 年尹月刀日 签字日期： 加p 7年4 月2 c ) 日 学位论文作者毕业去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 引言 第一章引言 1 1 课题的研究意义 移动通信是半导体器件的一个重要的应用领域，移动通信系统基站和手机中 的功率放大器需要性能优异的射频功率晶体管。近年来，随着以蜂窝式移动通信 为主的通信市场爆炸式的增长，随着人们对通信质量和业务范围的要求越来越 高，几年前作为射频功率晶体管的主要产品的硅双极晶体管和g a a $ m 0 s f e t 的 性能逐渐难以满足通信发展的要求。l d m o s 与双极器件相比较，具有线性放大动 态范围大、线性增益高、输出功率大等突出优点，同时l d m o s 制造工艺简单， 易于和普通低压工艺兼容，因此制造价格比g s a s 器件低很多【l 】。l d m o s 射频 功率器件正在逐步发展，以满足下一代无线通信网络需求带来的各种挑战，并将 在未来几年内继续成为放大器设计者的技术选择之一。最新一代的l d m o s 器件 在增益、线性度和效率等所有的关键参数都有了明显的改进，能帮助设计者为新 的蜂窝无线标准开发最新一代的功率放大器。毫无疑问，通过半导体技术的不断 创新，l d m o s 器件的性能也将得到不断的提升。 移动通讯系统中大量采用射频电路，工作频率在几百m h z 之间，工作电压 在3 0 v 左右【2 】因此，对m o s 器件，除了电流电压特性方面的要求外，还对器 件在频率方面提出了更高的要求。所以，在设计新的应用于通讯i c 的m o s 器 件时，必须在高压和高频两方面考虑。文献嘲提出了r fm o s f t 的关键参数：截 止频率，功率增益，线性度和可靠性等。其中截止频率序是衡量工作在高频环 境中的功率器件性能好坏的一个重要的参数，可以用公式( 卜1 ) 表示： f g 。， 0 7 7 2 月c 其中i l 是器件的跨导c 酶是输入电容。同时器件的功率增益由公式( 1 - 2 ) 表示： 鼢= 砥i 舀惫i 酮 a 其中c 。= 0 + g 。晚) ，c 。代表m i l l e r 反馈电容，c 一代表输出电容。由这两 个公式可以看出器件的截止频率与跨导成正比而功率增益与跨导成二次方比例 关系。由公式( i - ! ) 与( 1 - 2 ) 可以看出，如果我们能够提高l d m o s 的跨导或 复合多晶硅棚l d m o s 器件的结构设计与电学特性分折 是减小输入电容c i s s ，就能提高器件的频率特性。在本文中我们提出了一种新型 的复合多晶硅栅l d m o s 结构，这种结构可以提高器件的跨导，从而提高器件的 截止频率和功率增益，改善l d m o s 在射频功率放大器中的性能指标。 通过对目前国际和国内对r fl d m o s 器件研究工作的整理，我们发现目前 对r fl d m o s 器件的改进工作主要是对沟道材料与结构、栅电极结构和漂移区 结构的设计来提高沟道载流子的速度以便减小导通电阻，提高跨导从而提高截止 频率或通过减小栅漏和栅源电容来增大器件的截止频率。在对r f 啪s 器件的研 究过程中，有的研究者从栅工程的角度出发，将栅电极设计成两种金属材料组合 而成，如文献提出的( d u a l m a t e r i a lg a t em o s f e t ) 结构。研究表明这种栅 结构能够在增大跨导的同时抑制短沟道效应，同时，d m g 栅结构可以有效降低 漏附近的电场峰值，提高了沟道中的平均电场，减小了器件的热载流子效应，还 能够增强栅对沟道电导的控制能力，故而提高了栅传输效率。而本课题借助了这 种异质栅的思想来设计l d m o s ，并且考虑了多晶硅栅可以通过不同的掺杂来改 变其功函数，从而工艺实现上比较容易，因此本文提出了一种复合多晶硅栅 l d m o s ( d m g l d m 0 s ) 器件结构，其结构示意图如图1 - i 。由于复合栅具有 金属异质栅的一些特性，因此本文提出的d m g l d m 0 s 能够提高l d m o s 的跨 导、截止频率等频率特性，以便使u ) m o s 能应用于高频的场合，同时我们还利 用场极板技术和r e s u r f 技术来保证d m g l d m o s 的高压特性。 l dl 略l l i 叫t 叫j 图1 - 1 d m g l d m o s 的结构示意图 f i g 1 ，1s c h e m a t i cs t r u c t u r eo f d m g - l d m o s 在d m g - l d m o s 结构中，我们将栅电极分成s - g a t e 和d g a t e ( 靠源端栅和 2 引言 靠漏端栅) 两块并列，s - g a t e 用高功函数材料，d - g a t e 用低功函数材料，这样源 端有较高的电场提高了载流子速度，而漏端电场比普通l d m o s 低，又减小了热 电子效应“1 。同时，沟道中的阶梯分布电势使得电场沿沟道分布比较均匀，载流 子在源端加速较快，电子平均漂移速度增加，其结果是提高了驱动电流、跨导和 截止频率，减小了导通电阻。 1 2l d m o s 器件简介 l d m o s 是横向双扩散( l a t e r a ld o u b l ed i f f u s i o n ) m o s 晶体管的简称，是目 前十分常用的一类功率器件。l d m o s 被广泛用于各种消费类电子产品，如通信 ( 包括手机) 、汽车电子、电脑及便携式电器、工业、航天，家电等。经过几十 年的发展，l d m o s 器件产生了许多成熟的结构及技术，这些结构和技术对器件 的高压和高频特性等方面的性都有巨大的提高。 1 2 1l d m o s 的结构和特性 图1 2 给出了普通l d m o s 的结构示意图。l d m o s 采用双扩散技术，即在 同一窗口相继两次进行硼磷扩散，通过两次杂质扩散横向的结深之差来形成 l d m o s 器件的沟道，沟道的长度由注入剂量、杂质相对扩散系数、扩散时间和 温度来进行精确的控制，因此沟道长度可以做得很小且不受光刻精度限制。与普 通的c m o s 器件相比，它在结构方面的特点主要有两个：一是它的沟道区由两 次不同杂质类型、不同扩散深度的扩散形成；二是它的漏极由单一的重掺杂变成 了由承受电压的轻掺杂区和用于引出电极的重掺杂区构成。l d m o s 的源区和漏 区之间有一个被称为漂移区的高阻层，高阻漂移区的存在提高了击穿电压，并减 小了漏源之间的寄生电容，有利于提高器件的频率特性。同时，漂移区在沟道和 漏之间起缓冲作用，减小了m o s 器件的短沟效应，由于v d s 的绝大部分降落在 漂移区上，因此在沟道夹断后，基本上没有沟道的长度调制效应。当v 如增大时， 输出电阻不会降低，沟道区也不易穿通，从而l d m o s 的击穿电压不受沟道长度 和掺杂水平的限制，可以进行独立的设计。另外在正常工作时( 饱和区) 漂移区 时全耗尽的，因而栅漏电容是很小的 5 1 。l d m o s 是电压控制器件，输入阻抗高， 驱动功率低，易与前级耦合。它具有负的迁移率温度系数，负反馈使过大的局部 复台多晶硅栅l d m o s 嚣件的结构设计与电学特性分析 电流不致形成双极型器件那样的二次击穿，因此安全工作区( s o a ) 宽，热稳定 性好州，易与c m o s 电路集成。 在射频应用方面，与双极晶体管相比较，l d m o s 也有许多优点 7 1 ：由于在 大电流范围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；交叉调制失真较低；l d m o s 是多子器件，抗辐 照能力强，无少子存储效应，开关速度快，而且可以多单元并联工作，这是较双 极型晶体管很重要的一点，由于场控器件的输入阻抗高，电流是负温度系数，才 能完成双极型晶体管所没有的多单元若联，实现低导通电阻的大电流工作；由于 多单元并联工作，容易利用其部分单元实现过压、过流、过热保护等功能。 l g l f i _ 刮忙州 i - 2 l d m o s 的结构示意图 f i g i - 2s c h e m a t i cs t r u c t u r eo f l d m o s 1 2 il d m o s 结构和特性改的进方法 目前应用与r fi c 中的l d m o s 结构的改进主要是针对上述几种参数的改进 来提高其高压与高频特性，下面列举了一些当前主要的改进结构。 文献。提出的d u a l l a y e rr e s u r fl d m o s 结构如图i - 3 所示：这个结构 通过在漂移区内增加卜t o p 阱和n - t o p 阱来改善器件性能。其实现的方法是在临 界击穿电压下p - t o p 和n 阱、衬底和n 阱全耗尽，这样可以提高n 阱的掺杂浓度， 从而在不减小击穿电压和不减小沟道穿通电压的基础上减小了导通电阻，同时 n - t o p 层可以在导通的情况下增加电流通道，提高漏电流的值。这种结构通过减 小了漂移区电阻从而减小了凡，同时还增大了跨导g m 来增大截止频率“。 4 引言 文献1 0 “1 提出的s t a c k e d l d dr fl d m o s 结构如图1 - 4 所示：这个结构通 过分步注入不同杂质来形成层积式的漂移区。其中l d d l 掺入n 型高浓度杂质， 以此来减小导通电阻；l d d 3 掺入n 型低浓度杂质，这样可以减小输出电容；l d d 2 掺入较高的p 型杂质，用来使l d d l 和l d d 3 在l 临界场强的情况下全耗尽，这样 可以提高击穿电压。这个结构经验证比普通的l d dl d m o s 结构在击穿电压上 提高了1 6 ，饱和电流提高了6 7 ，跨导提高了1 4 8 ，截止频率提高了1 0 8 。 s o 嘲g m d f 韵1 l 南 p - b a s o i 乏竖) 弋岫酬州棚吧卿 d 曩由科墒怕 图i - 3 。d u a l - l a r y e rr e s u r fl d m o s 结构 f i g i - 3s c h e m a t i cs t r u c t u mo f d u a l - l a r y c r r e s u r f l d m o s o 5 图i - 4 s t a c k e d l d dr fl d m o s 结构 f 嘻1 _ 4s c h e m a t i cs t r u c t t no f s t a c k e d l d dr fl d m o s 文献 1 2 1 1 3 1 提出的1 h n c h g a t el d m o s 结构如图1 5 ( a ) 所示：这个结构通将栅 电极做在一个深的沟槽内如图所示，其电学参数如图1 5 ( b ) t 1 4 1 所示。这样的结构 带来的好处有：首先这个结构减小了源、漏的覆盖电容即减d , t c 。和c 。的值，从 而提高了器件的截止频率；其次这个结构还能提高击穿电压值( 与相同参数的普 通l d m o s 相比击穿电压从6 5 v 提高至u 7 9 8 v ) ，同时t r e n c h g a t e 能很好的控制沟 复合多晶硅栅l d m o s 器件的结构设计与电学特性分析 道长度，减小热载流子效应，减小了阈值电压的漂移，因此这种器件结构能改善 饱和区的线性特性，提高转移特性曲线的线性度，从而提高了器件的可靠性和寿 命。文献“”提出了用完全自排列的方法通过增加四块掩模版来制造高密度的t g 功率m 0 s 器件。t r e n c h g a t e 功率器件最近几年被研究的较多，文献“”制造出了导 通电阻为2 8 mq r a m 2 ，击穿电压为4 2 v 的t r e n c h - g a t el d m o s 器r 件。 ( a )( b ) 图1 - 5 t r e a c h - g a t el d m o s ( a ) 结构示意图( b ) 电学参数示意图 f i g 1 - 5t r e a e h - g a t el d m o s ( a ) s c h e m a t i cs t r u c t u r ed ，) p a r a m m ro f e l e c t r i c i t y 文献1 1 7 1 提出的f o l d e d g a t el d m o s 结构如图1 - 6 所示：此结构在硅衬底上 刻槽形成波浪纹，使得沟道密度加倍( 相当与在相同芯片面积上增加了栅宽) 。 这个结构在相同的沟道宽度下可以使沟道的载流子浓度提高到普通l d m o s 的 两倍，用数值模拟软件模拟得到f g l d m o s 的导通电阻为1 0 5 8 m q m m 2 比普通 l d m o s 的导通电阻减小了4 5 6 6 ，f g l d m o s 的最大跨导为1 8 2 s u r n 比普通 的l d m o s 跨导值增加了7 3 3 3 ，但是f o l d m o s 的栅漏和栅源本征电容要比 普通的l d m o s 大很多，因此该结构的最大截止频率提高了只比普通l d m o s 提 ( a )( b ) 图1 - 6f o l d e d - g a t el d m o s 结构示意图，( a ) 三维结构示意图( b ) 纵向剖面图 f i g 1 - 6s c h e m a t i cs h u c t u r co f f o l d e d - g a t el d m o s ( a ) t h r e e - d i m e n s i o n a ls t r u c t u r e ( b ) c r o s s - s e c t i o n a ls b u c l u m 6 引言 高了1 0 左右。f g l d m o si 艺比普通l d m o s 工艺多出一个在硅衬底刻槽形 成波浪纹的步骤，这就需要增加一个形成衬底沟槽的掩膜版，为了使沟槽的侧墙 和底部有均匀的掺杂和保持最小的杂质扩散，在s d 和p - b o d y 区掺杂过程中需 要精确控制杂质的扩散时间、注入角度和扩散温度，因此实现工艺比较复杂。 上述几种结构l d m o s 器件的部分电学参数如表一所示：表中空缺是文献中 没有给出相应的参数。 表1 - 1 。几种l d m o s 器件的部分电学参数 t a b l e l - 1p e r f o r m a n c e sc o m p a r i s o no ft h ea b o v es e v e r a ll d m o ss t r u c t u r e s 击穿电压 导通电阻 跨导截止频率 结构名称工艺 b v d 酬m or a m 2 )g 由( m s )f t ( g h z ) d u a l l a y e r 同普通 r e s u r f 1 1 0 2 8 0 3 2 l d m o s l d m o s s t a c k e d l d d 7 01 3 77 同普通 r f l d m o sl d m o s t r e n c h - g a t e 4 22 87 5 较难( 需增加 l d m o s四块掩膜版) f o l d e d g a t e 2 0 6l o 5 8o 1 8 21 3 5 较难( 需增加 l d m o s一块掩膜版) 1 3 本文的主要工作 本文在国家自然科学基金项目“异质栅多阶梯场极板l d m o s 晶体管”的资 助下，完成了复合多晶硅栅l d m o s 器件结构的设计和关键工艺的实现；同时对 复合多晶硅栅l d m o s 的直流和交流特性进行了大量的模拟，分析了该器件的电 学特性与器件参数的关系；在这个基础上给出了复合多晶硅栅l d m o s 阈值电压 的经验公式。 第一章简单介绍了l d m o s 的结构特性和r fl d m o s 的发展趋势与新型的 l d m o s 结构。然后介绍了研制高频l d m o s 器件的商业意义，同时提出了复合 多晶硅栅l d m o s 的结构与可能存在的优势。 第二章详细研究了复合多晶硅栅l d m o s 的器件结构与关键工艺的实现：并 对本课题采用的复合栅结构、场极板结构和r e s u r f 终端技术进行了分析；对 比了金属复合栅与多晶硅复合栅的实现工艺，提出了一种较简单的工艺方法来实 7 复合多晶硅栅l d m o s 器件的结构设计与电学特性分析 现复合多晶硅栅l d m o s ，最后利用工艺模拟软件对该器件工艺进行了模拟，并 给出了简明的工艺流程。 第三章对复合多晶硅栅l d m o s 的阈值电压特性与复合栅结构与材料的关 系进行了大量的模拟，对模拟结果进行了分析与比较，找出了影响复合多晶硅栅 l d m o s 阈值电压特性的关键参数；然后在普通l d m o s 闽值电压模型的基础上 给出了复合多晶硅栅l d m o s 阈值电压的经验模型，并对该模型的精确度进行了 研究。 第四章对复合多晶硅栅l d m o s 的直流特性与交流特性进行了研究，通过大 量的数值模拟给出了该器件各种电学与器件参数之间的关系，通过与相同器件参 数的普通l d m o s 的对比，得到复合多晶硅栅在高压与高频两个方面都有所改 善，特别对于器件高频特性的改善更加明显。 第五章对本文的工作进行了总结与展望。 8 第二章d m g l d m o s 结构的设计与关键工艺的实现 第二章d m g l d m o s 器件的结构设计与 关键工艺的实现 文献。1 提出了异质栅( h e t e r o - m a t e r i a lg a t e ) m o s f e t 结构，这种结构能够增 加m o s f e t 沟道中载流子的运动速度，因而可以提高器件的跨导和截止频率。我 们借助这种异质栅的思想来设计l d m o s ，提出了一种适用于射频领域的复合多 晶硅栅r e s u 江l d m o s 简称d m g l d m o s ( d u a l m a t e r i a lg a t ei 迕s u i 强l a t e r a l d i f f u s i o nm o s f e t ) 。本章对d m g - l d m o s 功率器件的结构进行了设计，并且针 对实现复合栅的关键工艺( 复合栅的制备) 给出了解决方案。 2 1d m g l d m o s 器件的结构设计 对于射频l d m o s 器件，除了电流电压特性方面的要求外，还对器件在频率 方面提出了更高的要求，所以，我们在设计d m g l d m o s 器件结构时在高压和 高频两个方面进行了充分的考虑。目前对与提高l d m o s 器件击穿电压的技术有 很多种。如r e s u r f 技术“”l i l t 、场板技术嘲1 、场限环技术、变化横向掺杂唧 和结终端扩展技术。”等，在本文中我们采用了场极板技术和r e s u r f 技术来提高 d m g - l d m o s 的高压特性；同时利用复合栅结构来提高d m g - l d m o s 器件的跨 导、截止频率等频率特性。 2 1 1 复合栅电极的结构设计 普通l d m o s 的结构示意图如图1 2 所示，我们提出的d m g - l d m o s 与普 通l d m o s 的不同之处在与栅电极的结构，如图1 - 1 所示。d m g l d m o s 利用 栅工程的概念将栅电极设计成由两种功函数不同的材料相连来构成l d m o s 的栅 电极，在图卜1 中l g l 是d m g l d m o s 的s - g a t e ( 源栅) 长度，s - g a t e 主要由功 函数较高的栅材料制作，例如功函数为4 6 3 e v 的钨和在本课题中使用的功函数 为5 2 5 e v 的p + 多晶硅材料：l 萨是复合多晶硅栅l d m o s 的d g a t e ( 漏栅) 长度， d - g a t e 由功函数较低的材料制成，如金属铝或本文中使用的n + 多晶硅材料；l f 是场极板的长度，它的材料与d g a t e 材料相同。 9 复合多晶硅栅l d m o s 器件的结构设计与电学特性分析 本课题主要研究了p * n + 多晶硅复合栅结构，也就是s - g a t e 是由p + 多晶硅材料 构成，d g a t e 是由n + 多晶硅材料构成。p * n 多晶硅复合栅电极比金属异质栅电极 在工艺上更容易实现，在下面的章节中我们对于多晶硅复合栅的实现、工艺流程 进行了设计。同时对复合栅的结构与l d m o s 器件特性的关系进行了详细的分 析。 2 1 2 场极板的结构设计 场极板是一种常用的提高p n 结击穿电压的终端技术，其结构如图2 1 所示。 在p n 结反偏时，它可有效地降低p n 结的峰值电场，避免p n 结过早击穿。图 2 - 2 是没有场极板和有场极板结构时表面电场的比较情况。从图2 - 2 中可以看出， 没有场极板时p n 结的冶金结界面处出现一高电场峰值，很容易造成p n 结击穿； 当应用了场极板后，p n 结的电场峰值大大降低。因为有场极板时，一部分电力 线从半导体的表面出发终止于场极板，相当于在结的表面引入了附加电荷，附加 电荷的电场方向和原来的空间离子电荷的电场方向相反，降低了结的电场，因此 提高了器件的击穿电压。 场极板可以分为金属场极板和阻性场极板两种1 2 5 1 。阻性场极板即在半导体表 面制作一层电阻膜( s i p o s ) ，若膜的方块电阻是均匀的，由电流连续性可知， 沿表面的电场也是均匀的，这样p n 结在表面扩展，使得电场峰值降低且变得平 坦。金属场极板又可以细分为接触式场极板和浮空场极板，接触式场极板可由多 晶硅栅材料制备。，由于场极板的作用，在结的表面引入了附加电荷，附加电荷 在场极板的边缘会出现一个新的电场峰值，为了避免场极板边缘的电场峰值对器 件击穿电压的影响，可采用斜场极板结构1 2 6 1 。斜场极板结构如图2 1 ( a ) 中第 一个图形结构所示，该结构可降低场极板边缘的电场峰值，是一种较好的改进场 极板结构。但是斜场极板在工艺实现上比较麻烦，一般的设计都是采用阶梯场极 板1 2 7 j ，如图2 一l ( b ) 所示，阶梯场极板工艺比斜场极板的实现相对容易，同时 兼顾了提高器件击穿电压和工艺实现两个方面的问题。 对于本课题d m g - l d m o s 的场极板设计，我们采用了单阶梯接触式场极板， 因为单阶梯场极板在工艺上更加容易实现。文献2 7 1 指出，场极板的长度和场氧化 层的厚度对l d m o s 的击穿电压有很大的影响，因此我们利用m e d i c i 模拟了不 第二章d m g - l d m o s 结构的设计与关键工艺的实现 同场极板长度和场氧化层厚度下l d m o s 的击穿电压，最终选择了一个较优的场 极板长度与场氧厚度，具体参数列与第三章中表3 1 。 n n a ) 斜场极板结构脚阶撵场极板结构 n ( c ) 浮空场极板结构 图2 1 几种场极板结构示意图 f 晷2 一ls c h e m a t i c so f t h r e e 虹n do f 矗e i dp l a t e s ( a ) f i l t c dk i dp l 疵( b ) s c e p so f f i e l dp l a t e ( c ) f l o m i n gp l a t e 图2 3 有、无场极板结构时的表面电场图( a 表示没有场极板的电场分布；b 表示有场极 板时电场分布) f i g 2 2s c h e m a l i c so f s u r f a c ee l e c 喇cf i e l d ( a ) w i t h o mf i e l dp l a t e ( b ) w i t l lf i e l dp a l t c 复台多晶硅栅l d m o s 器件的结构设计与电学特性分析 2 1 3 漂移区r e s u r f 原理设计 另外本文研究的复合多晶硅栅l d m o s 为了提高击穿电压，在对漂移区结构 设计时采用了r e s u 】疆技术。r e s u r f ( r e d u c e ds u r f a c ef i e l d ) 技术在横向高 压器件中应用非常广泛，它使得高压器件与低压电路集成在一起，并实现结隔离 成为可能，因此，在体硅l d m o s 和s 0 1 l d m o s 中都使用这种技术。r e s u r f 技术是在1 9 7 9 年被j a a p e u s 等人提出的1 2 9 】，它是在p 型衬底上外延一层n 型 掺杂的外延层或是通过离子注入形成轻掺杂的n 阱( 即l d m o s 器件中的漂移 区) ，然后通过使结构中轻掺杂外延区域在表面达到临界击穿电场前全部耗尽， 由轻掺杂区的耗尽区域来承受大部分的横向电压，从而让表面电场分布更加平坦 以消弱表面最大电场峰值，使器件的击穿点从表面转移到体内，其电场分布如图 2 3 所示【3 川，这样就达到了提高器件击穿电压的目的。 图2 - 3 采用r e s u r f 技术时器件表面和体内的电场与等势线示意图 f i g s c h e m a t i c so f e l e c t r i cf i e l da n de q u i p o t e n t i a le u l v e $ i nd e v i c es u r f a c ea n db o d yu s i n g r e s u r ft e c t t o t o g y r e s u r f 技术又分为s i n g l e r e s u r f 与d o u b l e r e s u r f ，它们的结构剖面 如图2 4 所示，s i n g l e r e s u r f 结构由一个横向p + n 二极管( p b o d ，n w c l ! ) 和一 个纵向p n 二极管( p , d n w 。1 1 ) 构成。此横向二极管决定了器件导通电阻的特性， 此纵向二极管则提供了维持高耐压的空间电荷耗尽区。s i n g l e r e s u r f 结构的击 穿电压由三个参数来决定：衬底杂质浓度( p 吼i b ) ，n 型漂移区杂质平均浓度( n 删1 ) 和n 型漂移区结深( x j n w c l l ) 。假设n 型漂移区杂质为均匀掺杂，因此n w d l 中积 分电荷为q = 。x x 删，当q 。在一定范围内时，纵向二极管在n w , j l 侧的耗 1 2 第二章d m g l d m o s 结构的设计与关键工艺的实现 尽区与横向二极管在n 。i l 侧的