復(fù)合柵多階梯場極板LDMOS電學(xué)特性的研究.pdf

1、隨著功率半導(dǎo)體技術(shù)和系統(tǒng)集成技術(shù)的不斷發(fā)展，功率器件的研究也越來越受到關(guān)注。MOS柵功率器件的產(chǎn)生，引發(fā)了功率集成電路的概念，即將功率器件和邏輯控制電路集成在單一芯片上，從而滿足市場對電子系統(tǒng)可靠性、功耗、成本和尺寸等方面更加苛刻的要求。因為LDMOS具有很高的擊穿電壓和良好的導(dǎo)通特性，而且其柵、源和漏電極都在表面引出，非常容易和標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝相兼容，生產(chǎn)成本低。因此，在不斷涌現(xiàn)的各種功率器件中，這種器件在功率集成電路和射頻集成電路中

2、的應(yīng)用特別受到重視。 功率器件對功率集成電路的體積、重量、價格、效率、性能以及可靠性起到至關(guān)重要的作用，因此有新技術(shù)不斷被應(yīng)用到LDMOS器件中，使其滿足市場的要求。正由于這個原因，LDMOS的結(jié)構(gòu)和工藝不斷改進(jìn)，各種LDMOS的衍生結(jié)構(gòu)層出不窮，這給原本就非常復(fù)雜的LDMOS建模工作變得更加困難。然而一旦器件結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，器件模型必須得到修正。特別是新結(jié)構(gòu)器件有新效應(yīng)產(chǎn)生時，必須重新建立新模型，否則難以對器件的電學(xué)特性作出良好

3、的預(yù)測，并指導(dǎo)集成電路設(shè)計。 本文通過對目前能夠應(yīng)用于高壓功率器件的技術(shù)進(jìn)行分析，提出了一種復(fù)合柵多階梯場極板RESURF LDMOS器件結(jié)構(gòu)。該器件的驅(qū)動電流，擊穿電壓，跨導(dǎo)、增益和截止頻率等性能指標(biāo)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)LDMOS結(jié)構(gòu)，而且工藝上仍可以與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容，工藝復(fù)雜度增加不大，閾值電壓的設(shè)計也更加容易。此外，該結(jié)構(gòu)對小尺寸效應(yīng)也有明顯的抑制作用。 目前，針對上述特殊結(jié)構(gòu)的LDMOS器件的物理機(jī)制研究較少，更不

4、用說建立電學(xué)特性的模型。因此，本論文的工作是建立復(fù)合柵多階梯場極板RESURFLDMOS基于物理的電學(xué)特性解析模型，在模型的基礎(chǔ)上分析出器件的物理機(jī)制和優(yōu)化設(shè)計方法，能夠在不依賴測試結(jié)果的情況下預(yù)測該器件的電學(xué)特性，為該器件的設(shè)計服務(wù)，并為進(jìn)一步獲得適用于電路仿真程序的器件模型提供理論基礎(chǔ)。鑒于以上原因，本論文開展了復(fù)合柵多階梯場極板RESURF LDMOS的電學(xué)特性的研究工作，主要包括： 首先，通過一系列的MEDICI數(shù)值仿真

5、數(shù)據(jù)分析出復(fù)合柵結(jié)構(gòu)能夠提高LDMOS電學(xué)性能的主要原因。仿真數(shù)據(jù)表明，復(fù)合柵功函數(shù)差引起的溝道階梯電勢和峰值電場是復(fù)合柵LDMOS與普通LDMOS之間的主要區(qū)別。根據(jù)這個結(jié)論，通過列寫二維泊松方程，求解出含有LDMOS溝道雜質(zhì)濃度梯度因子的表面電場和表面電勢分布函數(shù)，在考察該電場分布特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，建立了復(fù)合柵LDMOS準(zhǔn)二維的閾值電壓解析模型，并通過仿真結(jié)果加以驗證。該模型能夠反映復(fù)合柵主要結(jié)構(gòu)參數(shù)(雙功函數(shù)差和雙柵長度比例)對閾值電

6、壓的影響，為復(fù)合柵的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)，而且模型也說明復(fù)合柵結(jié)構(gòu)在LDMOS中的應(yīng)用可以有效地抑制短溝道效應(yīng)和DIBL效應(yīng)。 其次，從短溝道復(fù)合柵LDMOS飽和電流值始終大于普通LDMOS現(xiàn)象，以及經(jīng)典電流模型直接移植到復(fù)合柵LDMOS器件上產(chǎn)生的誤差出發(fā)，指出溝道電場峰值引起的載流子速度過沖是影響該器件電流特性的重要因素，提出了用擴(kuò)展的漂移一擴(kuò)散方程來描述復(fù)合柵LDMOS電流特性的方法，并結(jié)合溝道泊松方程給出其電流解析表達(dá)式。最

7、后針對基于速度過沖模型，本文提出一個簡單且直接嵌入現(xiàn)有電路仿真程序的復(fù)合柵LDMOS電流特性模型。 第三，盡管LDMOS器件結(jié)構(gòu)多變，但是幾乎所有的LDMOS漂移區(qū)都離不開RESURF原理的作用。電荷分享理論可以很好的解釋RESURF原理對擊穿電壓的減少作用，并用于擊穿電壓的建模。但是現(xiàn)有的研究中缺少計算電荷分享因子的模型，都是用經(jīng)驗參數(shù)取而代之。這種經(jīng)驗參數(shù)缺少理論依據(jù)，適用應(yīng)用范圍比較小。本文建立了基于保角映射的RESURF

8、漂移區(qū)中拐角區(qū)域電荷分享因子模型，應(yīng)用到RESURF結(jié)構(gòu)的擊穿電壓的計算中，并得到實(shí)驗結(jié)果的驗證。 最后，場極板是提高器件耐壓性能的一種常見終端技術(shù)，多階梯場極板在單階梯場極板的基礎(chǔ)上可以進(jìn)一步提高器件的耐壓性能。本文建立了RESURF技術(shù)和多階梯場極板共同作用的LDMOS漂移區(qū)表面電勢和電場模型，并在準(zhǔn)二維的表面電場解析模型的基礎(chǔ)上，對多階梯場極板的長度設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化。同時該模型可以反映漂移區(qū)主要參數(shù)對擊穿電壓的影響，為建立多階