（电路与系统专业论文）具有p反型层的fdldmos建模及数值分析.pdf

摘要 i 摘要摘要 随着功率集成电路飞速发展，功率半导体器件的研究与开发显得愈发重要。 ldmos(lateral double-diffused mosfet)是 dmos 器件的一种横向高压器件。其电极均 位于器件表面，具有耐压高，增益大，失真低等优点，并且更易于 cmos 工艺兼容，因此 在射频集成电路中得到了广泛的应用。目前 ldmos 设计的重点是如何合理缓和击穿电压 与导通电阻之间的矛盾，并且保证其有较高的稳定性。 场板技术是功率ldmos器件中使用最为频繁的一种终端技术。合理的场板设计可以使 漂移区的平均电场增加，减小电场峰值，从而达到抑制热载流子效应，提高击穿电压等目 的。基于此，本文通过二维器件模拟软件medici对高压ldmos的主要参数如场极板、漂移 区等进行了细致的模拟与分析，同时对ldmos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ldmos进行优化设计。 本文第一章首先阐述了集成电路和功率器件的发展历史，指出了功率器件研究的目的 及意义。然后对一般的模型进行了介绍，指出了其与普通的结构、 性能以及工艺上的差异，为之后的各章节做了简单的铺垫。 ldmos 的场极板设计是 ldmos 设计中不可或缺的一部分。 本文通过 medici 模拟软件 对单阶梯场板结构的 ldmos 性能进行了全面的模拟分析。模拟得出，对多晶硅场极板的 长度、位置、所加偏压以及漂移区掺杂浓度、栅氧厚度等对击穿电压均有一定的影响。 并综合考虑了不同场板结构的温度效应和电容效应等因素，在此基础上，我们通过分析 得出了不同场板结构的的使用领域以及部分参数的优化值。 随后，本文对于 ldmos 的漂移区的电场和电势进行了理论计算，对于采用 resurf 技术的 ldmos,通过调节场极板位置、长度、偏压等参数，可以在提高击穿电压和降低导 通电阻之间达到一合理的平衡。 ldmos 可靠性也是设计中所必须考虑的问题。 它不仅和器件本身的结构有关， 还和制 造工艺， 应用条件等因素相关。 随着器件尺寸的缩小， ldmos 的稳定性面对着更大的挑战。 本文具体介绍了 kirk 效应，寄生三极管效应，自加热效应，热载流子效应等发生的原因 以及相应的改善方法。 关键字：ldmos、场极板、击穿电压、导通电阻、自加热效 abstract iii abstract power semiconductor device research has become more and more important with the rapid development of power integrated circuits,. ldmos (lateral double-diffused mosfet) is a lateral high-voltage devices. all of its electrodes locate at the surface, thus easier to be integrated with cmos technology. moreover ，it has a lot of advantage such as high break-down voltage,large gian and low distortion.so it has been widely used in rf areas. now the ldmos design is focus on how to get high breakdown voltage with a low on-resistance ,and ensure a higher stability at the same time. field plate technology is frequently used as a terminal technology. good field plate design can smoothing the electric, reducing the peak electric field,so lead to a low breakdown voltage and weakn the hot carrier effect. based on this, this paper use two-dimensional simulator sofeware medici to analyse many parameters of ldmos, such as high voltage field plate, the drift region, etc. the simulation and analysis in detail,soa, high-temperature breakdown characteristics, these analysis will help designers to optimize the design of the ldmos. the first chapter described the development of integrated circuits and power devices history, then points out the significance of power devices ,then the general ldmos model was introduced, compared its structure, performance and technology differences to normal msofet, so the pave the way to following chapters. ldmos field plate design is an integral part of the hole design. in this paper, medici simulation software is used to anlayse single-step field plate ldmos performance. according to the results, the length and position of the polysilicon field plate, , the biasing and the drift doping concentration, gate oxide thickness will have a certain impact on breakdown voltage. moreover, considering different field plate structures temp-effect and capacitance effect, and other factors.bised on which we point out the range of convenience of different ldmos structures and part of optimize paremeters. 具有 p 反型层的 fp ldmos 建模及稳定性分析 iv subsequently, this paper calculated the ldmos electric field and electric potential in the drift region ,for ldmos which used resurf technology, we can improve the breakdown voltage and reduce the resistance by adjusting the field plate position, length, bias and other parameters, ldmos reliability is also a design issue that must be considered. it is not only related to the structure and the device itself, but also, manufacturing processes, application conditions and other factors. ldmos stability will face of greater challenges with the reduced size of the device,. at last,this article introduce specific effects such as kirk effect, the parasitic transistor effect, self-heating effects and hot carrier, explian the causes of these effects and corresponding solution. key words: lateral double-diffused mosfet, field plate, breal-down voltage,on-resistance, high temperature effects 第一章 绪论 1 第一章第一章 绪绪 论论 1.1 引言引言 集成电路（integrated circuit）是用一定的工艺把大量的晶体管、二极管、电 阻、电容、mos管等元件以及线连在一起，制作在半导体晶片或者介质基片上， 然后经过封装制成的具有一定功能的电路微型结构。 其发展至今仅半个多世纪， 但却具有其他产业所无法媲美的发展速度（著名的摩尔（morre）定律指出：集 成度大约是每18个月翻一番的规律） 。 集成电路可以在一个微小的芯片上实现对 信息进行存储、传输、计算等操作，是各行业实现信息化、智能化的基础。因 此，随着社会信息化程度的提高，集成电路在社会进步和经济发展中所起的重 要作用是毋庸置疑的。 推动集成电路的发展主要靠三个方面的努力：特征尺寸的缩小、芯片面积 不断增大以及器件和电路结构的改进。其中器件结构改进所具备的空间最大。 从1960年到1975年，仅器件和电路结构的改进就使集成度提高了100倍。而器件 尺寸的缩小、集成密度的提高又对器件的结构改进以及器件的制造工艺提出了 更高的要求。 年首先提出了器件等比例缩小（scaling down）定律，即器件所有的几何尺寸同时缩小k倍，电源电压下降k倍，衬底掺 杂浓度增大k倍。这样可以保证器件的内电场强度不变，耗尽层宽度缩小k倍。 即恒定电场（ce）定律。20世纪七十年代到八十年代中期实施的是恒定电压 （cv）等比例缩小定律，即器件所有尺寸缩小n倍，衬底掺杂浓度增大k*k倍， 电源电压保持不变以使耗尽层宽度和外部尺寸等比例缩小。由于其具有增强电 场和增大功耗等问题，20世纪九十年代后采取恒定电场（qce）定律，即几何 尺寸缩小k倍，电源电压变为啊a/k倍（1ak） ，衬底掺杂浓度增大a*k倍，这样 可以保证器件内部电场分布不变而电场强度增大a倍， 耗尽层宽度和器件等比例 缩小。 cmos（complementary metal oxide semiconductor）电路由于其由pmos管 和nmos管共同构成的互补结构，极大地降低了电路的静态功耗，因此成为集 具有 p 反型层的 fp ldmos 建模及稳定性分析 2 成电路的基础。目前，95%以上的集成电路芯片都是基于cmos工艺,并且未来 的集成电路仍将以硅基cmos技术为主。产品已经占集成电路总产值 的以上。随着器件的尺寸减小到纳米数量级，各种新的mos器件结构随 之诞生，如soicmos，bicmos，ldmos，vdmos等,但同时，长沟道 器件可以忽略的一些二级效应也变得愈发突出， 如短沟道效应，窄沟道效应， 饱和区沟道长度调制效应，热电子效应等，而另一方面，一些寄生效应和物理 问题也对mos管的稳定性、功耗、寿命等因素产生影响。这些基本的物理效应 包括：载流子通过薄栅时以及载流子从mos管的源到漏或从漏到体时候的量子 隧穿， 对亚阈值斜率的限定等 因此， 器件的各种那个尺寸不能完全等比例缩小， 根据不同需要改善器件和电路结构就成了微电子发展的一个重要方面。 当然，集成电路也不可能一直按照摩尔定律预测的速度发展，原因主要受 三个方面的限制：1物理极限的挑战，因为器件本身必需有物理尺寸，并且要消 耗能量，2：工艺技术的挑战，器件的特征尺寸减小需要光刻技术等发展到更高 的水平，另外对光刻胶、掩膜板等工具也提出了更高的要求。3：经济因素的制 约。但可以肯定的以集成电路为代表的微电子技术将会一步步朝着更高的目标 迈进。 1.2、功率器件的发展简况功率器件的发展简况 功率器件包括功率ic 和功率分立器件，功率分立器件则主要包括功率 mosfet、大功率晶体管和igbt 等半导体器件，功率器件几乎用于所有的电 子制造业，所应用的产品包括计算机领域的笔记本、pc、服务器、显示器以及 各种外设；网络通信领域的手机、电话以及其它各种终端和局端设备；消费电 子领域的传统黑白家电和各种数码产品；工业控制类中的工业pc、各类仪器仪 表和各类控制设备等。除了保证这些设备的正常运行以外，功率器件还能起到 有效的节能作用。由于电子产品的需求以及能效要求的不断提高，中国功率器 件市场一直保持较快的发展速度。 目前，无论是电源管理ic 还是功率分立器件，都是市场发展较快的电子器 件，其增长率一直高于半导体整体市场的增长率，整体来看，近几年来中国功 第一章 绪论 3 率器件市场的增长率都保持在20%以上，市场的高速发展主要是因为使用功率 器件的下游产品产量的大幅增长以及功率器件技术的快速更新。 功率mosfet 的应用也十分广泛， 其中20v 产品主要用于手机、 数码相机， 30v 产品主要用于计算机主板、 显卡， 40v 产品主要用于机顶盒和电动自行车， 60v 产品主要用于ups、汽车雨刷、汽车音响、马达控制，80v 以上产品主要 用于lcd tv、lcd 显示器和其他仪器仪表等，而150v-400v 的产品主要用于 照明、crt 电视、crt 显示器、背投电视、电热水器和洗衣机等，400v-800v 产品主要用于发动机启动器、车灯控制、电机控制，嵌入式电源和电源适配器 等，800v-1000v 的产品主要用于风力发电、电焊机和中低压变频器等、1000v 以上产品主要用于高压变频器、发电和变电设备等。由于手机、数码相机、计 算机主板、显卡、lcd 显示器等产品产量庞大导致电压在20v-100v 之间的 mosfet 用量最大。 1948年晶体管的发明标志着二十世纪电子工业革命的开始，人们从此进入 电子信息社会。1957年晶闸管的发明标志着半导体器件从此扩展到强电领域， 此后，新型功率半导体器件相继出现，形成了一门新的边缘学科，即电力电子 学。自此，电子学向两个方向发展：第一是以追求单元器件的小功率、高集成 度、高工作频率的以集成电路为核心的微电子技术；第二是以追求大功率，小 驱动电流，高工作电流密度和短开关时间的大功率半导体器件的功率电子学。 功率集成电路（pic）目前应用十分广泛，作为功率半导体技术和微电子技 术相结合的产物,其根据功能不同可以分成两类：高压集成电路（hvic）和智 能功率集成电路（spic） ，前者是高压电子器件与传统逻辑电路和模拟电路的 集成，后者是功率电子器件和控制电路、保护电路、驱动电路以及传感器电路 等集成在同一块芯片上，这种方式不但减小了芯片的成本和体积，并且效率， 可靠性也大为提高。 功率电子学的要求功率器件朝着高耐压、大输出电流、高工作频率、小驱 动电流等方向发展，从五十年代至今，总共经历了四代产品。如图（1-1）所示。 具有 p 反型层的 fp ldmos 建模及稳定性分析 4 图1-1功率半导体器件发展概貌 第一代功率管发明于五十年代，主要由晶闸管及其改进器件为代表。1957 年，由j.l.moll等人 1 发明了硅晶闸管（scr） ，它属于半控型器件，当其工作 电流为25a时候,阻断电压为300v。 但它关断速度太慢， 并且只能控制单向电流。 只能用于低频领域。 六十年诞生生了以电力晶体管（gtr）为代表的第二代功率管功率双 极型晶体管，这类功率管很好解决了上一代半控性的问题，但同时其驱动电流 过大，功耗损失大。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 子存储效应的限制, 其工作频率比晶闸管有很大提高, 但仍然较低， 一般工作在 1mhz以下。 以上两代功率管可以归结为一种， 即双极型的传统功率半导体器件。 七十年代末，出现了高频、全控型的第三代功率器件-场控功率器件。场控 功率器件为中小功率器件，主要以功率mosfet、静电感应晶闸管（fct） 、静 电感应晶体管（sit）等为代表。与双极型功率器件相比，场控功率器件具有开 第一章 绪论 5 关速度快、无二次击穿现象、输入阻抗高、驱动电路简单等优点，目前已成为 主流的功率器件。功率场控器件的进一步发展其中一个重要的发展趋势是向高 集成度方向发展，即功率集成电路(pic)。 八十年代后出现了第四代功率管复合型高功率管，主要分为两种：第 一种以绝缘栅双极型晶体管(igbt)、mos晶体管（mgt）等为代表，是由率 mosfet和双极型功率晶体管结合构成。另一种则是由功率mosfet和晶闸管 结合构成，主要包括静电感应晶闸管（sith） 、mos晶闸管（mct）等。 根据功率器件电极引出情况和电流的流动方向的不同， 可分为横向功率器 件和纵向功率器件两大类。其中横向器件的电极主要位于芯片的表面，电流呈 横向流动， 易于低压cmos兼容， 并且驱动电路简单。 如ldmos、 ligbt、 lmct 等,纵向功率器件的电极位于器件表面和衬底位置，电流呈纵向流动 1.3 ldmos 结构介绍结构介绍 ldmos（lateral double-diffused mos）的结构相比于常规mosfet主要有 两点不同：第一， 在相同的源/漏区域注入两次，一次注入浓度较大（典型注 入剂量 1015cm-2）的砷（as） ，另一次注入浓度较小（典型剂量1013cm-2）的 硼（b） ，这样沟道长度l（ch）用两次扩散的横向结深之差精确控制，可以做 得很小且不受光刻精度的限制；第二，在沟道和漏端之间增加一个较长的n-漂 移区。由于n-漂移区是高阻区，可以承担漏源电压，所以可以提高击穿电压并 且有效了减小源漏两级之间的寄生电容，有利于提高频率特性。同时，漂移区 在沟道和漏间的缓冲作用还可以可削弱ldmos的短沟道效应。 图1-2 结构示意图 具有 p 反型层的 fp ldmos 建模及稳定性分析 6 ldmos设计的核心问题就是漂移区的设计，漂移区的杂质浓度比较低，因 此，当ldmos 接高压时能够承受更高的电压。图1所示ldmos的多晶硅扩展 到漂移区的场氧上面，充当场极板，场极板的存在可以改变漂移区的电场分布， 从而可以影响器件的击穿电压 2 。场极板的设计与其长度密切相关。关于场极 板的设计，要规划好sio2层的厚度、场极板的长度和位置三个方面。 另外，由于漏源电压vds的绝大部分都降落在n-漂移区，所以在沟道夹断后，沟 道的长度调制效应基本不会出现。而且当vds增大时，的输出电阻 不会降低，沟道区由于p阱的存在也不容易被击穿，从而ldmos的击穿电压可 以不受沟道长度和掺杂浓度的限制，可以进行独立的设计。 在制造工艺方面，ldmos制造工艺与标准mos工艺不同，在封装方面没 有采用beo隔离层，而是选择直接接在衬底上，这样使导热性能得到改善，提 高了耐高温性能力， 从而延长了器件的寿命。 另外， 由于ldmos管的负温效应， 漏电流在受热时自动均流，不会在收局部形成过多的热量，所以不易受热损坏 3 。所以ldmos管具有较强的负载失配和过激励的承受能力。 ， resurf(reduced surfaca field)原理在ldmos中的应用：resurf原理在1979年 由j、aappels等人提出。1980年sccotak等人将它应用于ldmos，即通过选取合理的 外延层厚度和掺杂浓度使击穿电压达到最大， 并在击穿电压一定时， 降低寻通电阻和器件面 积。作为一种降低平面pn结表面电场的方法，resurf理论使ldmos器件进一步发展，成 为目前功率mos器件的基础 4 。例如，soi ldmos就是利用resurf原理来获得较高的关 态击穿电压和较低的导通电阻。 1.4 本文主要工作本文主要工作 高压ldmos器件所存在一系列的二级效应对其性能及工作稳定性有着较 大的影响，本文就此问题进行了探讨， ，通过器件模拟软件medici，工艺模拟 软件tsuprem4以及模拟，分析与计算，研究了ldmos器件各种场板结构下的性 能，并指出了最优化方案，另外，关于ldmos各参数对器件自加热效应影响和 工作稳定性的影响也进行了细致的分析并得出了相应的结论。 第一章 绪论 7 本文结构具体安排如下： 第一章 ： 首先阐述了集成电路和功率器件的发展历史，指出了功率器件 研究的目的及意义。并简要介绍了ldmos的结构特点以及工艺特点。 第二章 ：首先分析了高压ldmos的一般模型，指出了ldmos中p型反型层 各参数对器件耐压性能的影响。 然后对各种场板结构的ldmos漂移区模型进行 了全面的分析，比较了不同场板结构和场板参数下soi ldmos的电学特性，电 容特性以及温度效应等，据此提出了场板长度、偏压、位置、栅氧厚度的优化 值。 第三章 ：简单介绍了lmdos的场板类型以及resurf原理，然后建立了 ldmos二维解析模型,通过分段求解泊松方程得出了器件漂移区表面电势分布 和电场分布的解析表达式， 基于得出表达式对场板的各参数进行了细致的分析。 第四章 ：分析了 ldmos 的安全工作区，分别介绍了影响 ldmos 工作稳 定性的个因素，包括 kirk 效应、寄生晶体管效应、自加热效应、热载流子效 应等。 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。 具有 p 反型层的 fp ldmos 建模及稳定性分析 8 第二章第二章 ldmos 一般模型及数值参数分析一般模型及数值参数分析 对于在功率集成电路中所应用的高压功率器件，其性能有两个基本的要求： 一是由于需要和低压的电路集成在同一芯片，必须满足制造工艺的兼容，第二 是尽量减小功率器件的面积。其中高压的mosfet器件主要有vvmos， vdmos、igbt等结构，这些结构的共同特点是具有较高的耐压，但由于本身 是纵向的结构，在与平面结构的集成电路集成时不合适。因此目前高压功率集 成电路中多采用横向双扩散mos(ldmos)晶体管和横向绝缘栅双极晶体管 (igbt)。其中ldmos具备耐压高、实现功率控制等方面的要求，常用于射频功 率电路和地电流的功率集成电路。与晶体管相比，ldmos在器件特性增益、线 性度、开关性能、散热性能方面都具有明显优势 5 。 并具有良好的安全工作区(soa)。在工艺方面，单晶硅片上制作 的工艺简单，并且成本低，易于和低压cmos工艺兼容。 而igbt在功率控制 方面有明显改善，多应用于中频和中等电流领域，但由于存在关断过程中的电 荷存贮效应，导致器件开关性能降低。 ldmos的设计中有两个最重要的参数：击穿电压和导通电阻。优化的设 计要求器件具有较高的击穿电压和较低的导通电阻。 影响ldmos击穿电压的参 数很多，包括沟道的长度与掺杂浓度，漂移区的各参数，以及ldmos中经常加 入的场板的各参数等等。 2.1 高压功率集成电路中的高压功率集成电路中的 ldmos 的一般模型的一般模型（工艺工艺 与设计与设计 ） 轻掺杂的外延硅片上制作ldmos的典型结构如图2-1所示。此结构采用了 resurf原理，器件的耐压能力主要和外延层的掺杂浓度、厚度和衬底的掺杂 第二章 ldmos 一般模型及数值参数分析 9 浓度有关。根据resurf原理，优化的idmos应该设计成这样：为了防止器件 表面产生雪崩击穿，要求漂移区在p阱n外延结附近电场未达到临界电场之前 完全耗尽 6 。 在功率集成电路中一般遵循i dmos设计优先原则， 对于这种工艺， 由于对通隔离的面积较大，必须采用制备埋层扩散和厚外延工序，可以将器件 的导通电阻做的很小。但是成本较高，另一种方法是在单晶硅上面直接制作 ldmos。 具体结构如图2-2所示。采用这种工艺制作的器件能更好地解决与低压 cmos兼容问题。 图2-1 resurf ldmos 结构 图2-2单晶结构的高压ldmos 具有 p 反型层的 fp ldmos 建模及稳定性分析 10 在图2-2所示的结构是一个n沟道横向双扩散mosfet 7 。该器件的结构特 点决定其可以承受较高的工作电压。具体特点为： 在阱上面的漏区具有很大的几何尺寸，这一空间构成了一特殊的载流 子漂移区，可承受很高的反向压降。 2 为了避免在器件表面发生击穿，衬底及漂移区的设计采用resurf （reduce surface field）原理，p型衬底的掺杂浓度，n阱掺杂浓度，结深等参 数需满足一定的关系，这些参数能影响器件内部pn结的杂质分布状态，从而影 响击穿电压 。 3 阱内部靠近表面的区域加入了一p-反型层。 其存在也对击穿电压有明显 影响。 4 加入了双阱工艺。在源栅区的下放加入p型阱区作为ldmos的沟道衬底。 5 加入场板。场板终端技术是ldmos中最常用到的终端技术，其通过降低 器件表面的表面峰值电场来达到提高击穿电压的目的。 场板长度有一最优值 7 。 在场板的末端，场板与漏端电压之间的相互作用使得电场高度集中，这一点是 可能的击穿点。 2.1 ldmos 中中 p 型反型层各参数器件耐压性能的影响型反型层各参数器件耐压性能的影响 图2-3显示了是衬底掺杂浓度与n阱的浓度对与击穿电压的影响。最左侧 的一条曲线衬底浓度ns=1.5e14 3 cm ，n阱的浓度nw=6e15 3 cm ，中间一条曲 线的值为ns=1.5e14 3 cm ，nw=4e15 3 cm ，右边一条曲线值为ns=3e14 3 cm ， nw=6e15 3 cm .从图中可以比较得出，衬底掺杂浓度和n阱杂质浓度越接近，器 件的击穿电压就越高，这也正说明了线性缓变结的击穿电压高于突变结。所以 设计时应使衬底和n 阱峰值掺杂浓度的差别控制在一数量级以内 9 。同时在工 艺上要尽可能把n阱做得深一些。对于没有加反型层的器件，要满足一定的耐 压值，就需要把阱的浓度做得很低，这就在漂移区截面积不变时，增加了导 第二章 ldmos 一般模型及数值参数分析 11 通电阻。若加入反型层，就可以使器件在较高的n阱浓度的时候能达到同样高 的耐压，而导通电阻却比不加反型层的情况下有所降低。换句话说，p型反型层 的作用是在保持击穿电压基本不变的情况下能有效降低导通电阻。 图2-3不同衬底与n阱杂质浓度对击穿电压的影响 图2-4表明了反型层的浓度对击穿电压的影响。在这里反型层的结深为定 值。其中曲线（a）未加入反型层，曲线（b）的反型层浓度值为6e14 3 cm ，曲 线(c) 反型层浓度值为2e14 3 cm 。可见击穿电压值随着反型层浓度的增高而降 低。但是要在e15数量级的n阱中制作el4数量级的p型反型层，要考虑场氧化对 杂质的吸收作用等因素，对于工艺上控制有一定要求。 图2-4 不同p型反型层浓度对于击穿电压的影响 图2-5表明了p型反型层浓度为一定值时候结深对击穿电压的影响，由图可 具有 p 反型层的 fp ldmos 建模及稳定性分析 12 见在结深较小的情况下，击穿电压随着结深的增加而剧烈增长，当结深增大到 一定值再增加对击穿电压的影响不大。以反型层浓度值为2e14 3 cm 的情况为 例，在结深小于0.5 m 时候击穿电压随着结深的增加而增加，大于0.5 m 时候 基本维持不变。然而结深较大同时会使沟道的宽度减小，以至于增加了导通电 阻。综合考虑这两个方面，对于结深的设计有一最优值。 2-5 p型反型层的结深对于击穿电压的影响 图2-6是p型反型层的长度lp对击穿电压的影响。这里固定反型层与沟道 一侧的距离，改变其长度。可以看出，在反型层的长度延伸至近漏端时候的击 穿电压非常低，这是因为漏端的强电场致使载流子在漏区附近高度集中。器件 在漏区附近发生击穿。如果长度过小，器件也会在 p型反型层靠近沟道的一端击穿，使击穿电压降低。综合考虑，在反型层的长度 lp的设计上同样有一最优值。 第二章 ldmos 一般模型及数值参数分析 13 图2-6 lp对击穿电压的影响 2.2 带场板结构的带场板结构的 ldmos 漂移区数值模型漂移区数值模型 如今，各种场板结构的ldmos被应用到实际领域。其中栅极加场板的结构 在射频应用最为广泛。由于此结构场极板的作用，增强了漂移区表面的电场， 增加了载流子的密度，从而降低了导通电阻，提升了器件的性能。但同时，由 于栅极延伸后里漏端的距离比体硅mosfet更近，因此增加了栅漏间的电容， 在射频领域，这种效果更加明显。这使得栅极加场板结构的ldmos的适用范围 受到了限制。 soildmos器件的各种场板结构在射频电路的特性进具体有三种结构： 源端场板结构sfp，栅极延伸场板结构和单独加偏压的场板结构。本文考虑了 两种不的漂移区扩散：漂移区浅掺杂（sdd）和深掺杂（ddd）扩散 8 。根据 漂移区数值进行建模，几何尺寸和工艺尺寸对于跨导的影响通过数值仿真算出 来。同时，还研究了ldmos场板对电容的影响。仿真结果对于各种场板结构中 跨导和可靠性的折中进行了讨论 （在不考虑功耗的情况） 。 由于热载流子效应和 自加热效应，场板偏置会导致soildmos器件性能的退化。相比之下，sfp结 构在导致可靠性增加的同时付出了增加on-state电阻的代价，sfp结构中的 ddd结构在截止频率和自加热效应方面的性能最好 具有 p 反型层的 fp ldmos 建模及稳定性分析 14 另一种结构（sfp结构）也可以改善击穿电压和导通电阻矛盾。这种结构把 源区延伸到栅极和漏极中间，因此在场极板的下发产生了数直方向的耗尽。这 种结构相当于在栅极和漏极之间产生了一个法拉第屏障，能够有效减少栅漏电 容。因此，sfp结构在射频领域有着广泛的应用 9 。. 本文所选取的器件结构示意图如图（2-6）所示。具体参数如下：阈值电压 1.8 th vv ，多晶硅栅极的长度 0.8 g lm ，漂移区的长度 3 dd lm ，硅层厚 度 5 epi tm ，埋氧层厚度 1 box tm 。其中的soi ldmos管使用sdd结构，漂 移区的纵向结深 () 0.3 si ldd tm ，掺杂浓度峰值为 3 1.2 17 d necm .图（2-6） 显示了三种不同的场板结构：源场板结构（sfp） 、延伸栅场板结构（gfp）和 独立场板结构（bfp） ，bfp的场板被视为一个独立的电极，即所加电压可以与 栅压不同。 图2-6 （a）功率soildmos晶体管结构图 （）分别表示三种场板结构：sfp, gfp dfp 第二章 ldmos 一般模型及数值参数分析 15 2.2.1 射频 ldmos 漂移区模型 ldmos设计的一个重要方面就是控制夹断电压 ()ds sat v 对于跨导和截止频 率的影响。在饱和区（ ()dsds sat vv ）的时侯，射频ldmos的单位沟道宽度的跨 导模型可以由公式（2-1）来表示 10 0 0 1 ()* () (1) dsox mgsth gsth gsg gsat ic w gvv vv vl l v 公式2-1 其中 ds i 为漏电流， gs v 为栅源电压， ox c 为栅氧化层电容。 0 为低电场下载 流子的迁移率。 g l 为多晶硅栅的长度。由这个公式我们可以看出，体/漂移区结 附近的电场变化和漂移区的长度以及掺杂浓度的关系很大。当漂移区长度较大 的时候，电场增长较为缓慢，器件的夹断电压 ()ds sat v 也更大。公式2-1后一项表 明了在强电场下体/漂移区结附近迁移率的改变对于跨导 m g 的影响。这一点和 普通的mosfet类似。 当器件工作在饱和区的时候，ldmos的漏电流和栅源电压 gs v 有关。漏电 流随着 gs v 的增加而增大。 漏电流的增大以为着沟道压降的减小。 因此可以这样 认为：如果ids不变，当增大的时候，沟道区将不再夹断。器件的工作 状态由饱和区向线性区转变。这种偏置条件下漂移区的模型和jfet类似。由于 漂移区承担着绝大部分的压降，在这种情况下所引起跨导的变化就对器件性能 有较大的影响。此时的跨导可以由公式（2-2）表示： 0 00 (,) * ()() (1)() 2 dsgschoxch m gsthoxgsthch gsg gsat gds ivvc wv g vvc w vvv vl l vli 公式（2-2） 具有 p 反型层的 fp ldmos 建模及稳定性分析 16 公式（2-2）新加的一项是考虑了jfet夹断效应所引起的漂移区迁移率下降 11 ， 从而导致gm的变化。上式中的vch是体区和漂移区中间部分的电势值，具体数 值受 gs v 和 ds v 的影响，一般由试验测得。 ox c 表示栅氧化层电容，lg为多晶硅栅 的长度， 0 为低电场下载流子的迁移率。 在ldmos的各种场板结构中，由于场板的作用，电场在沟道到漂移区整 体的分布会变得更平滑，这种情况有利于改善ldmos的性能。另外，在漂移区 会有两个竖直方向上的耗尽发生。第一个耗尽是发生在drift/p-epi结处。耗尽的 数值位置 ( ) epi yx 可以由公式（2-）表示： 0 2 ( )*( ) (1) si epiddbi d d epi yxvxv n qn p 公式（2-） 耗尽层的宽度和 d n 和 ( ) dd vx 有关。 ( ) dd vx 表示漂移区x位置时候的电压。漂移区 的第二个耗尽的原因类似于m电容效应 11 ，是场板所引起的。此耗尽层的 宽度和器件的漂移区表面势以及场板上所加的电压有关。可用公式（2-4）表示 0 ( ) ( )*( ) fps ox fpdd dfox vx yxvx qnt 公式（2-4） 式中的 ox 是二氧化硅层的介电常数 ， d qn 是耗尽位置的电荷密度， ( ) s x 为器 件的表面势。 由于 ( ) fps vx ， 电荷会在场板附近积累， ( ) s x 和 ( ) dd vx 的值与 gs v 和 gs v 关。 这两个竖直方向上的耗尽会导致有泄露电流从漏区流向衬底，根据 12 上所描绘 的 ds i 的模型，场板区域下电流密度的分布可以表示为公式（2-5）和（2-6） 当 xc ee的时候： ( )*( ) 1 ndx ldddsiepifp x c e jxqntyxy e e 公式（2-5） 当 xc ee 的时候： 第二章 ldmos 一般模型及数值参数分析 17 ( )*() ldddsatsiepidd jxqn vtyl 公式（2-6） 其中 x e 是横向的电场值 ， vsat c nd e 是载流子达到饱和速率的时候的电场 值。用同样的方式可以得出在场板区域下的电阻模型： 11 *() fp fp dndsiepifp l r qnwtyy （公式2-7） 由（公式4）可以得出，由于场板引起的耗尽的参数和 ( ) s x 的值有关，而 在给定的偏置条件下， ( ) s x 的值受 fp v 和 fox t 的影响。换句话说由（公式7）可 以推出场板下的电阻随着场板长度 fp l 的增加而增大，竖直方向的耗尽层宽度 fp y 也受 fp l 的影响。 如图(2-7)所示，关于场板对于整个漂移区电阻的影响，可以把漂移区电阻 划分成两个部分来rch和rdd考虑。rdd又可以分成三个部分 13 ：rfp,rdfp和 rifp。其中rfp是场板下的电阻， rdfp是漏端场板下部分的电阻, rifp是前面两 者中间部分的电阻。如公式（2-8）所示, 11 *() fp fp dndsiepifp l r qnwtyy tchdd rrr 公式（2-8） 具有 p 反型层的 fp ldmos 建模及稳定性分析 18 图（2-7）沟道和漂移区电阻的数值模型 图（2-7）中的fp区域一般是jfet夹断效应发生的地点，而dfp区域由于靠 近漏段，电场更高，在此处载流子的速度达到饱和 14 。总体来说，漂移区的电 阻参数和跨导参数可以体现场板所起的作用，其值主要受栅源电压 gs v 、场氧厚 度 fox t 和场板长度 fp l 的影响。 2.2.栅源电压 gs v对于跨导 m g的影响 图 （2-8） 给出了sdd-sfp结构中各部分电阻在 ds v 是一个确定值时 （28v） 随vgs的变化情况。当 gs v 很小的时候，基本上所有的压降都降落在sfp区域， 随着 gs v 的增大，体/漂移区结耗尽逐渐增强，耗尽区逐渐向漏段扩散。这导致 电场峰值也逐渐向漏端转移。sfp部分所承担的压降将也逐渐降低。 从图3可以看出，vch随 gs v 先增加再减少，转折点时候的 gs v 大约为2v。这 时候沟道的反型层刚开始形成。 ()gsgs th vv ，当vgs继续增大， dd r 相比 ch r 随 gs v 的变化越来越快，因此 ch v 的值逐渐下降。公式（2-9）可以用来表示 21 ch v 所 占的 ds v 的比例： 第二章 ldmos 一般模型及数值参数分析 19 * ch chds chdd r vv rr 公式（2-9） 图（2-8）各部分电阻上的压降随 gs v的变化图，取 ds v=28v 图（2-9）给出了 ch r 、 fp r 、 dfp r 和 ifp r 四部分电阻分别占总电阻的比例。从 中可以体现出电场随着 gs v 的增大向漏端移动的过程。 漂移区耗尽层的变化， 导 致 ifp r 的快速上升， dfp r 相对缓慢上升，而 fp r 则程下降趋势。由图（2-8）可以 观察到，变化最大的部分是 fp r 。可见sfp区域在ldmos整个漂移区的设计中 是十分重要的。另外， ch v 是缓慢减少的，一直减少到沟道不再夹断为止。当 gs v 增大到这个程度时候，可以近似认为ldmos的整个压降都降落在 dd r 区域 （ ddch rr ） 。.当 gs v 大于伏时， m g 开始减小。dfp区域的电场峰值随着 gs v 增大，会导致此区域载流子速度饱和和准饱和。一旦出现这种情况，漂移区电 流基本上不再随 gs v 增大而继续增加。 同时， 各个部分电阻的压降也将不再变化。 无论是 m g 的减小，还是准饱和的发生，都和漂移区的耗尽速度有关。因此 都受漂移区的长度和掺杂浓度控制。当然 m g 还受到一些其他参数的影响，例如 具有 p 反型层的 fp ldmos 建模及稳定性分析 20 场板的长度和电压，位置等。 图2-9 各部分电阻所占比例随 gs v的变化 其中 ds v=28v 2.2.3 场氧厚度 fox t对于跨导 m g 的影响 图（2-10）表示了 fox t 对于 br v 和 m g 的影响。这里所仿真所用到的 fp l 为 0.55 m 。 fox t 的值可以影响耗尽层，同时导致漂移区电流密度的改变。这一点 可由前面的公式（2-4）和（2-5）体现。另外，当 fox t 值减小的时候，在体/漂移 区结附近的jfet效应将更明显，于是在所加栅压较低的情况下也会有表现出热 载流子效应。这会导致器件的击穿电压降低。在dfp区域，器件的表面载流子 浓度会随 fox t 的减小而增大。因而导致 dfp r 的减小。尽管如此，由于jfet效应所 导致的 fp r 的增加效果则更为明显 15 。因此对于整个漂移区的电阻来说，其值 随着 fox t 的增加而减小。当 fox t 增大到一定程度时候，再继续增大对于vbr影响很 小。综合考虑上述情况，在 fp l 为0.55 m 可取 fox t 的最优值为 fox t = 0.32um。 第二章 ldmos 一般模型及数值参数分析 21 图2-10 sdd-bfp和sdd-gfp结构中 fox t对于击穿电压和导通电阻的影响 2.2.4 场板长度 fp l对于跨导 m g 的影响 图（2-11）显示出了在sdd-sfp结构和ddd-sfp结构中场板长度 fp l 对跨导 m g 和击穿电压 br v 的影响。其中的 fox t 参数采取了上节中的最优值。和sdd-sfp 结构比起来，ddd-sfp结构在跨导方面