（电路与系统专业论文）高压resurfldmos的研究与设计.pdf

摘要 摘要 l d m o s ( l a t e r a ld o u b l e d i f f u s e dm o s f e t ) 作为一种横向功率器件，其电极 均位于器件表面，易于通过内部连接实现与低压信号电路以及其它器件的单片集 成，同时又具有耐压高、增益大、失真低等优点，如今已被广泛应用于功率集成 电路中。这当中，l d m o s 结构设计的优劣以及l d m o s 自身工作的可靠性决定了 整个功率集成电路的性能。传统l d m o s 的设计主要围绕着击穿电压和特征导通 电阻之间的合理折衷来进行，但由于功率集成电路自身大电流、高电压的特点， 其许多应用都要求在高温下工作，因而对l d m o s 的安全工作区进行设计也是必 不可少的。因而需要对三者综合考虑，以提高器件性能。 基于此，本文通过二维器件模拟软件m e d i c i 对高压l d m o s 的主要参数如 场极扳、漂移区等进行了细致的模拟与分析，同时对l d m o s 的安全工作区，击 穿特性以及主要的高温特性进行了分析与建模，这些分析将有助于设计者对 l d m o s 进行优化设计。 本文首先回顾了功率器件的发展历史，接着介绍了几种结终端技术，如场 极板、场限环、横向变化掺杂等，这些结终端技术在l d m o s 的设计中被普遍运 用。然后，考虑到l d m o s 的各种具体应用范围，结合当今l d m o s 的设计现状介 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。 l d m o s 的场极板设计一直是l d m o s 设计中容易忽略和遗漏之处。本文针 对单阶梯l d m o s 的场极板进行了全面的模拟与分析。模拟发现，对于以l o c o s 工艺为基础制作的多晶硅场极板，场极板的长度、高度以及该有源区表面被侵蚀 厚度等对击穿电压均有一定的影响。在此基础上，我们提出了一种双阶梯场极板 l d m o s ，通过优化设计，其击穿电压和导通电阻均比单阶梯l d m o s 大大提高。 由于l d m o s 的漂移区对击穿电压和导通电阻的影响最大，本文接着对l d m o s 的漂移区进行了设计，对于采用r e s u r f 技术的l d m o s ，通过调节漂移区结深、 长度、注入剂量等工艺参数，可以在击穿电压和导通电阻之间达到最合理的折衷。 对于l d m o s 击穿特性的建模是l d m o s 研究的热点和难点，本文在其他作 者研究的基础上对l d m o s 的击穿特性进行了全面的研究。首先分析了l d m o s 的击穿机理，通过对l d m o s 的击穿位置的模拟，归结出l d m o s 的击穿位置可 高压r e s u r f - l d m o s 的研究与设计 分为在表面击穿和漏区下方体内击穿两种，并相应的予以建模。 通过对l d m o s 的非等温模拟，本文对l d m o s 的安全工作区( s o a ) 进 行了初步研究。l d m o s 的安全工作区是一个综合的参数，它和多种因素相关联， 基本上可以分为短期s o a 和长期s o a 两种，本文相应地给予了改进方案。鉴于 温度效应对l d m o s 的可靠性影响甚大，本文对l d m o s 阂值电压、导通电阻的 温度效应进行了研究与建模，结果表明l d m o s 的阈值电压随温度的上升近似线 性降低，导通电阻则呈平方律抛物线增长，与模拟结果十分吻合。 在工艺设计上，抛弃了传统外廷工艺，器件直接在单晶衬底上实现。所设计 的l d m o s 既可应用于h v c m o s ，也可由b c d t 艺实现，即降低了成本，又大大 增加了实际流片的灵活性。文中使用工艺模拟软件t s u p r c m 4 x f f 器件进行了工艺模 拟，给出了简明工艺流程，最后对u ) m o s 单管的版图进行了设计。 关键词：l d m o s 、场极板、击穿特性、安全工作区、温度特性 a b s t r a c t l d m o sa sal a t e r a lp o w e rd e v i c ea l lo fi t se l e c t r o d e sl o c a t ea tt h es u r f a c e t h u s e a s i e rt ob ei n t e g r a t e dm o n o l i t h i c a l l yw i t ho t h e rl o wv o l t a g es i g n a lc i r c u i t st h r o u g h i n t e r c o n n e c t s n o wi th a sb e e ne m p l o y i n gm o r ea n dm o l ew i d e l yi np o w e ri n t e g r a t e d c i r c u i t si nv i e wo fs u c ha d v a n t a g e sa sh i pb r e a k d o w nv o l t a g e ，l a r g eg a i na n dl o w d i s t o r t i o n , e r e ，t h ed e s i g nq u a l i t ya n dr e l i a b i l i t yo fl d m o sd e t e r m i n et h e p e r f o r m a n c eo ft h ew h o l ec i r c u i t t r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o do fl d m o sm a i n l y s t l r r o n n d st h et r a d e - o 仃b e t w e e nb r e a k d o w nv o l t a g ea n ds p e c i f i co n - r e s i s t a n c e b u t t h e r ee x i s t st h ef a c tt h a tl d m o sh a st oe n d u eb i gc u r r e n ta n dl l i g hv o l t a g ea n dt h e n o p e r a t e si nh i 班t e m p e r a t u r er e g i o n s ot h ed e s i g no fs a f eo p e r a t i o na r e a ( s o a ) i s a b s o l u t e l yn e c e s s a r y a sar e s u l t , b r e a k d o w nv o l t a g e , s p e c i f i co n - r e s i s t a n c ea n ds o a s h o u l db ec o n s i d e r e ds y n t h e t i c a l l ys 0a st oo b t a i nt h eb e s tp e r f o r m a n c eb o t ho f d e v i c e l e v e la n dc i r c u i tl e v e l u n d e rt h e s ec o n d i t i o n s ，w es i m u l a t e da n da n a l y z e dt h em a i ns t r u c t u r ep a r a m e t e r s o fl d m o s ，s u c ha sf i e l dp l a t e ，d r i f tr e g i o ne ta 1 w i t h2 ds i m u l a t i o ns o f tm e d i c i m e a n w h i l e ，w eh a sr e s e a r c h e dl d m o s ss a f eo p e r a t i o na r e a ( s o a ) ，m o d e l e dt h e b r e a k d o w nc h a r a c t e r i s t i c sa n dh i 曲t e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i c s ，w h i c ha l lc a nb eu s e d t 0o l 坩m i z ct h ed e s i g no f l d m o s i nt h i sd i s s e r t a t i o n , w er e t r o s p e c t e dt h ed e v e l o p m e n to fp o w e rd e v i c e sf i r s t l y , a n d t h e ni n n - o d u c e ds e v e r a lj u n c t i o nt e r m i n a t i o nt e c h n i q u e sl i k ef i e l dp l a t ea f p ) ，f i e l d l i m i t i n gp a n g ( f l r ) ，a n dv a r i a t i o no fl a t e r a ld o p i n g ( v l d ) e t c ，w h i c ha r ea d o p t e d p r e v a l e n t l yi np r a c t i c a ll d m o sd e s i g mc 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 n 丘e l 幽s o m ec o n c r e t el d m o ss t l u c t u r e s 眦p r e s e n t e di nc o n j u n c t i o nw i t ht h e c 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 a sf p sd e s i g ni sp r o n et ob eo v e r l o o k e da n dl e f t 毗w eh a v er e s e a r c h e ds i n g l e f pc o m p r e h e n s i v e l y t h er e s u l t ss h o wt h a tt h el e n g t h , o x i d eh e i g h t ，s u r f a c ec o r r o d i n g d e p t ho fs i l i c o na c t i v ea aw h i c hf a b r i c a t e sb yl o c o st e c h n o l o g ye x e r tg r e a t i n f l u e n c eo nb r e a k d o w nv o l t a g e , r e s p e c t i v e l y a n dt h e nan e wd o u b l ef pl d m o s l 高压r e s u r f - l d m o $ 的研究与设计 w a sp r o p o s e d ，w h o s eb r e a k d o w nv o l t a g ea n do n - r e s i s t a n c ea l eh i g h e rt h a ns i n g l ef p l d m o s b e c a u s eo f t h ef a r - r e a c h i n gi m p a c to nb r e a k d o w nv o l t a g ea n do n - r e s i s t a n c e ， t h ed r i f tr e , o ni sd e s i g n e da n ds i m u l a t e di nd e t m l f o rl d m o sw i t hr e s u r f t e c h n o l o g y , w ec a l l o b t a i np e r f e c tt r a d e - o f fb e t w e e nb r e a k d o w nv o l t a g ea n d o n - r e s i s t a n c et h r o u g ha d j u s t i n gs u c hp a r a m e t e r sa sd r i f tr e g i o nj u n c t i o nd e p t h , l e n g t h a n di m p l a n t e dd o s e t h em o d e l i n go fb r e a k d o w nc h a r a c t e r i s t i c si sah o t s p o ta n dn o d u so fl d m o s w eg a v et h ea l l - s i d e dr e s e a r c ho f b r e a k d o w nc h a r a c t e r i s t i c sc o n t a i n i n gt h eb r e a k d o w n m e c h a n i s m , b r e a k d o w np o s i t i o na n dc o m p a c tm o d e lw i t ht h eh e l po fs o m eo t h e r p u b l i s h e d w o r k w ea l s or e s e a r c h e dt h es a f eo p e r a t i o na r e ao fl d m o sw i t hn o n - i s o t h e r m a l s i m u l a t i o n s o ai ss u c has y n t h e t i c a lp a r a m e t e rt h a ti tm a t t e r sm a n yf a c t o r s t h e c o r r e s p o n d i n gs o l u t i o ni sp r o p o s e dt ot h et w os o a c a t e g o r i e s ，n a m e l yl o n gt e r ms o a a n ds h o r tt e r ms o a a c c o r d i n gt ot h eh i o at e m p e r a t u r ee f f e c t s ，t h r e s h o l dv o l t a g ea n d o n - r e s i s t a n c ew 雠a n a l y z e d , w h i c hs h o wt h a tt h r e s h o l dv o l t a g er e d u c e sn e a r l y l i n e a r l ya n do n - r e s i s t a n c ei l l c r e a s e sw i t hp a r a b o l i cc r r v ea g a i n s td e v i c et e m p e r a t u r e s e n h a n c e m e n t a tl a s t , p r o c e s so fl d m o si sd e s i g n e d , w h i c hd on o te m p l o yt h et r a d i t i o n a l e p i t a x yt e c h n o l o g yb u tf a b r i c a t eo ns u b s t r a t ed i r e c t l y t h ep r o p o s e dp r o c e s sf l o w c a n b et a p e do u ti ne i t h e rh v c m o st e c h n o l o g yo rb c dt e c h n o l o g y w es i m u l a t e dt h e p r o c e s sw i t hp r o c e s ss i m u l a t i o ns o f tt s u p r e m 4 f i n a l l y , t h el a y o u to fs i n g l el d m o s i sd e s i g n e df o rf o l l o w i n g st a p e - o u tw o r k k e yw o r d s ：l a t e r a ld o u b l e - d i f f u s e dm o s f e t , f i e l dp l a t e ，s a f eo p e r a t i o na r e a , h i g h t e m p e r a t u r ee f f e c t s l v 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，也不包含为获蚴或其他教育机构 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。 学位论文作者签名：二卅锄 i 签字日期：加口7 年乒月加日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了镌嬲有关保留、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 借阅。本人授怒獬以将学位论文的全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) 猢蝴警：叫锄 签字日期：加口7 年步1 月即日 工作单位 通讯地址 导师签名 薛孑号 p 小弋卜l 签字日期： 伽p 7 ，年4 - 月肋日 电话 邮编 第一章概述 第一章概述 1 1 功率器件的发展历史 1 9 4 7 年晶体管的发明标志着二十世纪电子工业革命的开始，从此人们开始 步入电子信息社会。1 9 5 7 年晶闸管( s c r ) 的问世则标志着半导体器件扩展到 强电领域。此后，随着新型功率半导体器件的不断涌现，形成了一门新的边缘学 科一电力( p o w e r ) 电子学。而后电子学随之开始向两个方向发展：一个以追 求单元器件的小功率、高集成度、高工作频率的集成电路为核心的微电子技术； 另一个就是以追求大功率、小驱动电流、高工作电流密度、短开关时间的大功率 半导体器件为代表的功率电子学。 功率电子学是一种采用功率半导体器件进行功率变换的技术。在功率电子 学的发展过程中，无论是分立功率器件还是功率集成电路，其核心均是功率器件， 要求其具有耐高压、输出电流大、工作频率高、驱动电流小等特点。回顾功率器 件的发展，迄今为止大致经历了四个阶段。 第一代功率管诞生于五十年代，主要由晶闸管及其改进器件组成。1 9 5 7 年， 硅晶闸管( s c r ) 由j l m o l l 等人f l 】发明，它属于半控型器件，当时工作电流为2 5 a ， 阻断电压为3 0 0 v 。但它关断速度太慢，因此只能在低频下工作( 一般低于4 0 0 k h z ) ，同时门级不能关断阳极电流并且只能控制单向电流。鉴于这些缺点，各种 派生器件相继问世，但由于其本身固有缺点使得这种器件的发展基本处于停滞状 态。六十到七十年代是晶闸管统治功率器件的全盛时代，到了八十年代，晶闸管 的发展已完全成熟。晶闸管主要应用于高压直流输电、马达传动等低频大功率领 域。 六十年代产生了以电力晶体管( g 1 限) 为代表的第二代功率管功率双 极型晶体管，这类功率管解决了第一代不可控的问题，但却又顽临驱动电流大， 功耗损失大的问题。同时由于功率型双极晶体管还要受到基区和集电区中的少予 存储效应的限制，其工作频率虽然比晶闸管有很大提高，但是仍然较低，一般在 1 m h z 以下。这类功率器件主要用于高压输电等电力控制领域。以上这两类可以 归结为一种，即双极型的传统功率半导体器件。 高压r e s u r f - l d m o s 的研究与设计 七十年代末，随着微电子技术和电力电子技术的发展出现了高频化、全控型 的第三代功率器件，即场控功率器件。场控功率器件为中小功率器件，主要包括 功率m o s f e t 、静电感应晶体管( s i t ) 以及静电感应晶闸管( f c t ) 等。这代 产品以压控为特征，与双极型功率器件相比，具有开关速度快、输入阻抗高、无 二次击穿现象、驱动电路简单等诸多优点，在功率半导体器件中占有越来越重要 的地位，现已成为主流的功率器件。功率场控器件的进一步发展，除了继续提高 器件的功率控制容量和器件的性能参数指标外，一个重要的发展趋势是向集成化 方向发展，即将功率器件与信息处理系统及其外围接口电路、保护电路、检测诊 断电路都集成在同一片芯片上，这就是所谓的功率集成电路( a i c ) 。 八十年代后出现了第四代功率管复合型高功率管，主要有两种：由功 率m o s f e t 分别与双极型功率晶体管和晶闸管相结合而成。前者如绝缘栅双极型 晶体管( i o s t ) 、m o s 晶体管( m g t ) 等，后者有如静电感应晶闸管( s 删) 、 m o s 晶闸管( m c t ) 等。 由此，根据功率器件的工作机理结合其发展历程，可以将功率器件简单分为 以下三类：第一类为双极型双极性器件为主的传统功率半导体器件，第二类为以 m o s f e t 和i c 为主的现代功率半导体器件，第三类即前两者基础上发展起来的 特大功率器件。 功率器件的分类及其应用如图1 1 所示。其中，功率m o s 主要是中小功率器 件，大多用在一些消费电子领域，应用领域非常广泛。从输入整流，到电路控制， 再到信号逆变，都可以看到功率m o s f e t 的身影。功率m o s 晶体管从其诞生至今也 已发展了三十多年，总结其发展轨迹，可以看到它一壹在向两个方向发展：一是 向着传统的双极型功率器件，即希望器件有较高的击穿电压又有较低的导通电 阻。典型的器件如：i g b t , m c t 等；另一个方向就是对其自身结构，材料等方面 的提高，并向极低的内阻方向发展。这方面如l d m o s ，v d m o s 性能的优化， s o i 材料的启用等。 功率m o s 的发展推动了功率集成电路的产生。功率集成电路( p i c ) 是功率 半导体技术与微电子技术相结合的产物。目前功率集成电路主要用于马达控制 ( m o t o rc o n t r o l ) 、电子镇流计( e l e c t r i c a lb a l l a s t ) 、平板显示驱动 ( p a n n e ld i s p l a yd r i v e ) 、开关电源( s w 玎n gp 0 w e r ) 、汽车电子 2 第一章概述 以及射频基站( r fb a s es t a t i o n ) 等。根据实现的功能不同，功率集成电路 可以分为两类，一类是高压集成电路( h v i c ) ，它是高压电子器件与起控制作 图卜1 功率半导体器件发展概貌 2 1 f i g 1 1s c h e m a t i c so f p o w e rd e v i s 用的传统逻辑电路或模拟电路的集成，目前主要采用了两种技术，一是r e s u k f 技术，二是硅直接键合技术( b c d 技术) ；另一类是智能功率集成电路( s p i c ) ， 它是功率电子器件与控制电路、保护电路、驱动电路以及传感器电路等多功能的 单片集成，与分立元件相比，体积减少了三分之二，成本下降了三分之一，而效 率和可靠性均大幅度提高。 对于功率器件，根据电极引出情况和电流流动方向的不同，又可以分为横向 功率器件和纵向功率器件两大类。顾名思义，横向器件的电极主要位于芯片的表 面，电流呈横向流动，而纵向功率器件的电极位于器件表面和衬底位置，电流星 纵向流动。对于横向功率器件，由于横向功率器件的电极均位于芯片的表面，易 3 高压r e s u r f - l d m o s 的研究与设计 于通过内部连接实现与低压c m o s 电路及其它器件的相互集成，并且驱动电路 简单，因此在高压功率集成电路( h v i c ) 中得到了广泛的应用，其典型代表如 l d m o s 、l i g b t 、l m c t 等。 1 2 功率器件的结终端技术 在平面工艺中，对一个扩散p n 结来说，由于表面曲率的影响，使其表面的 最大电场常大于体内的最大电场，造成器件的耐压常常由表面的击穿电压来决 定。情况更严重的是，当碰撞电离发生器件在表面时，电离过程中所产生的热载 流子( h o tf a r r i e r , 包括e l e c t r o na n dh o l e ) 极易于进入栅氧化层和衬底，导致器件 性能不稳定，可靠性下降。因此对于一个高压功率器件，在调整材料参数、结构 工艺参数来避免击穿的同时，还要采取一些特殊结构，使表面最大电场减小，以 提高击穿电压，这类技术称为结终端技术。结终端技术可以分为以下两种： 1 为增加曲面结的曲率半径，减小边角区电场的集中而采用的终端保护结 构。例如场板、f f l r 、j t e 、v l d 、切角等； 2 为降低器件表面电荷及界面电荷的影响所采用的如s i p o s 钝化技术。 上述两类结终端保护措施可根据实际情况，单独或结合使用。下面介绍几种 常用的结终端技术。 1 ) 场板技术( f p ) 场板技术是目前为止功率m o s 器件中使用最为频繁的一种终端技术，按材 质可分金属场板和阻性场板两种，其中金属场板又可细分为接触式场板和浮空场 板，如图1 2 所示。其中的虚线部分为一等位环，类似于l d m o s 中的p 阱。 ( a ) 接触式场板浮空场板 图l - 2 两种金属场板示意图 f i g 1 - 2s c h e m a t i c so f t w ok i n do f m e t a lf i e l dp l a t e s ：( a ) c o n t a c t i n gf i e l dp l a t ec o ) f l o a t i n gp l a t e 4 第一章概述 阻性场板即在半导体表面作上一层电阻膜( 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。在实际运用中，l d m o s 基本上都使用了一层阶梯 的场板结构，场板在刻蚀出多晶硅栅的同时制作。 2 ) 场限环技术( f l r ) 场限环是平面型功率半导体器件中另外一种经常用到的技术，如图1 - 3 所 示。其制作方法是在扩散形成p n 结的同时，再在其周围依次扩上同类型的数个 结( 称之为环“r i n g ”) ，这些结上并不加任何电压，处于电学上的浮空状态。由 于这些结的存在，使得整个半导体的表面电势发生变化，进而影响主结平面边缘 处的电场，达到减小表面电场的目的。在工艺上，只需多加一层掩膜即可。场限 环的设计关键在于场限环的个数，具体可a i t 3 j 中工式计算。在设计l d m o s 时， 可以将f l r 与f p 相结合，比如a n e z a r 等人【4 】设计了内场限环的l d m o s ，利用 场限环减小场板末端的强电场，提高击穿电压。j i ew u 等人1 5 利用f i r 设计了 新型的6 0 0 vr e s u r fl d m o s 。 刖u 倒，j ，一。、，一- ， ，- 一一一一 一 p 图卜3 场限环结构不惹图 f 嘻1 - 3s c l m m a t i c so f f i e l dl i m i t i n gr i n g 场限环技术虽然具有生产工艺简单，可以达到较高击穿电压的优点，但它对 界面电荷非常敏感。另外，这一技术要求比较精确地控制结深，否则会影响到击 穿电压的大小。 3 ) 变化横向掺杂( v l d ) ，结终端扩展( ，r e ) 变化横向掺杂即在p n 结外侧作随距离变化的同类掺杂来降底表面峰值电场 的方法，工艺中采用一层v l d 掩膜即可实现，如下图1 - 4 ( a ) 所示。这种技术已 经成功运用于l d m o s 整个的漂移区的注入，并获得了较为理想的电场分布。 5 高压r e s u r f - l d m o s 的研究与设计 窿墨蹬蕊圆娶圆圆整墨囡嚣 ( a ) ( b ) 图1 - 4v l d 掩膜( a ) 和j t e 结构( b ) f i g 1 - 4s c h e m a t i c so f v l dm a s k ( a ) a n ds t r u c t u r eo f j t e ( ” 结终端扩展( j t e ) 是一种在重掺杂区一侧掺杂从而增加电荷的方法。最早 由t e m p l e 等人提出，图1 _ 4 ( b ) 为其基本结构，如今已演变为双区或多区结构。 二者的机理在本质上是一样的，区别在于j t e 引入的杂质在重掺杂区，杂质密度 不随距离变化，为一常数，但是其提供的电荷密度决定于耗尽的称度，是变量， 而v l d 的杂质浓度是横向变化的。不过值得主意的是，二者都会由于结面积的 增加而产生较大的泄漏电流和结电容。 另外，由于器件的特征尺寸早已到达深亚微米量级，另外的一种终端技术 切角技术显然己不再是一种现实的方法。 1 3l d m o s 的结构设计 l d m o s ( l 如r a l d o u b l e - - d i f f u s e d m o s ) 由y ：t a m i l 6 等人于1 9 7 1 年提出，其 基本结构如图1 5 所示。相比于常规m o s f e t ，主要有以下两点不同之处：( 1 ) 沟 道长度l c h ( a b 段) 主要由两次扩散时的结深控制，这样l c h 可以做得很小且 不受光刻精度的影响；( 2 ) 采用了l d d 结构，在沟道和漏端之间增加了一个较 长的低浓度n - 漂移区。n _ 漂移区阱主要是高阻区，用以承担漏源压降并形成漏区。 n - 漂移区也被称为l d d 区或是延伸漏结构。高阻漂移区的存在不仅提高了击穿 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，削弱了l d m o s 的短沟道效应。此外，由于漏源 6 第一章概述 电压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 d s 增大的时候，输出电阻不会降低，沟道区由于p 阱的存在也 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。 黝1n 躺缪翮f 髟 j 二 图1 - 5l d m o s 的基本结构 f i g 1 - 5s c h e m a t i cs t r u c t u r eo f l d m o s 对于l d m o s 性能的提升，目前普遍从器件材料和结构这两个角度加以进 行。因此，在研发材料( 如s i c ) 的同时，研究者在原来单r e s u r fl d m o s 的 基础上提出了各种新结构，其中以改变漂移区结构居多，少数器件改变了栅的结 构。比如在原来“超结理论”的基础上，通过改变漂移区的结构来提高击穿电压 f t 蜊，其基本结构如图1 - 6 ( a ) 所示。它将原来同类型掺杂的漂移区加以改进， 变成相互交错的p 型区和n 型区，这样相互间产生耗尽层，完全耗尽后可使漂 移区电场达到均匀分布，其优点在于：( 1 ) 对于给定的漂移区长度，可以获得几 乎最大程度上的击穿电压，并且此击穿电压还独立于漂移区的浓度，仅仅和外延 层的厚度以及原胞密度相关；( 2 ) 通过对n 型区的重掺杂可以大幅度减小特征 导通电阻。据文献川介绍，该结构的r o n 可以做到常规l d m o s 的3 8 ，同时 还可以提高g m 。文献川中对于1 5 5 j m 的超结区，其b v d s 达3 1 7 v ，而导通电阻 仅为4 8 3 加硎2 。z i a h o s s a i n 等人【1 川利用d o u b l e - r e s u r f 技术设计并制作了图 1 - 6 ( b ) 的结构，具体方法是在n 阱的上方加一个p - t o p 层，这样n 阱的上下两侧 同时产生耗尽层，在保持击穿电压的同时n w e l l 的浓度可以达到普通l d m o s 的4 倍，击穿电压为7 5 0 v 时导通电阻仅为1 7 0 r r l q c t 2 ，而同样击穿电压下的 常规l d m o s 的导通电阻达到了4 5 0 m q c r a 2 。 7 高压r e s u r f l d m o s 的研究与设计 p 4 u b s l r l t s ( a ) 超结l d m o s 册v , e s u r fl d m o s 图i - 6 两种高压l d m o s 结构 f i g t - 6t w ok i n d so f h i g hv o l t a g el d m o s ：( a ) s u p e r j u n c t i o nl d m o s ( b ) d o u b l e - r e s u r f l d m o s 以上两种高压器件虽然工艺复杂程度比常规l d m o s 有所增加，但均较好的 解决了击穿电压和导通电阻之间的矛盾。不过对于超结l d m o s ，体二极管反向 恢复硬度高是它的一个重要缺陷，还需要不断的改进和完善。 图卜7f r e s u r f - l d m o s 剖面图 f i 晷l - 7c r o s ss e c t i o no f f r e s u r f - l d m o s v i s h n uk h e m k a 等人【1 1 1 提出了一种f r e s u r fl d m o s ，如图1 - 7 所示。它在普 通l d m o s 下部增加了一层n + 埋层( n b l ) ，它的作用类似于单个场限环，虽然 在电学上浮空，但是当p 耗尽即n w e l 坍，n b l 穿通后，n b l 的电位随漏压的 上升而上升，优化后可钳位在5 2 v - 5 5 v , 击穿电压为n w e l l f 结击穿电压与悬浮 电压之和，优值可达4 7 v o 2 8 厅疵c t t t 2 和9 3 v - 0 8 2 m f 2 c m 2 。不过由于此结构特 有的性质，其最高电压只能达到9 3 v , 同时工艺上也较为复杂。 最近几年，l d m o s 在射频的基站设计上有了较多的应用。y u a n z h e n gz h u 等人提出了叠栅l d m o s 的概念，如图卜8 ( a ) 所示，此结构在硅衬底上刻槽形 成波纹状，再在上面作栅从而使沟道密度加倍，其如，为1 0 5 8 m f 2 埘所2 ，比常 8 第一章概述 规l d m o s 下降了4 5 6 6 ，同时跨导提高了6 4 0 9 。p h w i l s o n l l 3 1 设计了一种 t g l d m o s ，如图卜8 ( b ) 。它将栅极从表面转移到体内，做成沟槽的形式，这 种结构在提高击穿电压( 提高5 0 ) 的同时，还可以减小寄生栅漏电容，获得 更为线性的转移特性，不足的是由于漂移区变长使得，”有所增加。 ( a ) 叠栅l d m o $ ( b ) 沟槽l d m o s 图1 - 8 两种r f - l d m o s 结构 f i g 1 8t w o k i n d so f r f - l d m o s ：( a ) f o l d e dg a t el d m o s ( b ) t m n c hg a t el d m o s 为便于性能的相互比较，我们将文中相关数据整理于表l 中，其中标有 的数据是我们根据m e d i c i 的模拟结果计算得到的。由于前三种为高压功率 l d m o s ，一般不用在射频领域中，故未计算其跨导值。从国中可以看到，在高 压领域中，超结l d m o s 和d o u b k r e s u r fl d m o s 均具有良好的应用前景；而 在射频领域，叠栅l d m o s 则显示了其较高的优越性。 表1 几种l d m o s 结构的性能比较 t a b l e lp e r f o r m a n c ec o m p a r i s o n so 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 工艺器件结构b l i d s ( v ) 屯彳( 州q 铡2 )g 。 ) 超结l d m o s 3 1 74 8 3 s o i d o u b l e - r e s u r f7 5 01 7 0 s l d m o s f r e s u r f l d m o s9 30 8 2c m o s 叠栅- l d m o s 2 0 6溺 1 0 5 8 * 1 0 - 2 1 8 2 1 0 _ 4 + 沟槽l d m o s 9 0 2 9 咖s + 刻槽 7 5 1 0 ，。 9 高压r e s u r f - l d m o s 的研究与设计 1 4 本文主要工作 高压集成电路中高压l d m o s 的设计最大的难点就在于击穿电压如何与特 征导通电阻之间达到最合理的折衷，本文为解决这一问题进行了探讨。文中对高 压l d m o s 的结构和工艺进行了设计，并设计了一种提高击穿电压和导通电阻性 能的多阶梯场板结构，通过器件模拟软件m e d i c i 和工艺模拟软件t s u p r e m 4 对 所设计的器件进行了全面细致的模拟与分析。考虑到可靠性对于实际工作中 l d m o s 的重要性，本文也对于l d m o s 的安全工作区( s o a ) 和温度特性做了一 定的探讨，并对具体问题做出了相应的解决方案。 本文结构具体安排如下： 第一章阐述了功率器件以及功率集成电路的发展历程，并较为详细的介绍了 高压器件设计中常使用的几种结终端技术，最后介绍了当今l d m o s 设计的进 展。 第二章针对r e s u r fl d m o s 的场极板和漂移区进行了设计，重点设计了一 种双阶梯场极板l d m o s 。通过对场极板和漂移区的各个工艺参数的详细模拟， 给出了这些参数对l d m o s 击穿电压和导通电阻的影响。 第三章主要研究了l d m o s 的击穿特性，包括l d m o s 的表面电场电势分布， 对l d m o s 的击穿特性进行了模型建模；同时对l d m o s 的安全工作区，以及 l d m o s 的温度特性进行了研究，给出了相应的简洁模型。 第四章通过工艺模拟软件t s u p r e m 4 对单管l d m o s 的工艺进行了设计，同 时设计了双阶梯场极板的制造方法，最后对l d m o s 进行了单管的版图设计。 第五章对本文的工作进行了总结，指出了存在的问题和下一步研究的重点。 1 0 第二章r e s u r fl d m o s 主要参效设计 第二章r e s u r fl d m o s 主要参数设计 高压l d m o s 的源、漏以及栅极均位于芯片表面，易于通过内部连接与低压 电路集成，因而广泛地应用于高压集成电路( h v i c ) 和智能功率集成电路( s p i c ) 中。在l d m o s 的电学参数中，击穿电压和导通电阻是两个非常重要的参量，但 是高击穿电压和低导通电阻是相互矛盾的，因为由i 啦s 切u 原理可知【1 4 1 ，高的击 穿电压要求n 一漂移区在器件击穿前必须全部耗尽，以便承担尽可能多的压降。这 就要求n 一漂移区的掺杂浓度尽可能低，两低的掺杂浓度将导致高的导通电阻。研 究表明，对于体硅l d m o s ，二者关系可以表示为g o n ，s po cb v d s 2 3 【嘲。l d m o s 的击穿电压是多个参数综合作用的结果，衬底浓度，漂移区的长度、结深、浓度、 场板的长度、场氧厚度等都会影响击穿电压的值。因此，可以从优化场极板和漂 移区参数来提高l d m o s 的性能。本章将主要从这两个方向来讨论对于l d m o s 的设计。由于l d m o s 沟道和栅的设计类似于普通m o s f e t , 这里不再考虑。 2 1l d m o s 单阶梯场极板的设计 在实际的平面制造工艺中，p n 结主要是通过光刻和刻蚀工艺在硅片表面开 窗口，然后通过离子注入杂质源并退火所形成，在这些窗口的边、角处，结面近 似于圆柱面或是球面，而正是由于这些边角处存在的曲率使得表面电场高于体内 电场，致使实际平面结的击穿电压高于理想的平行平面结的击穿电压。因此可以 通过增加曲率半径来降低表面电场，提高击穿电压。场板就是一种通过增加平面 p n 结的曲率半径来有效地抑制表面电场，防止器件表面击穿的终端技术。同时 由于其工艺简单，并且仅占用较小的器件面积，故在高压l d m o s 设计中得到了 普遍使用。目前对于场板的研究仍然相对较少