具有單層浮空場板的高壓LDMOS器件研究

文 帥，喬 明

（電子科技大學(xué)電子薄膜與集成器件國家重點實驗室，成都 610054）

1 前言

橫向雙擴散效應(yīng)晶體管（LDMOS，Lateral Double Diffused Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）最早是由Y. Tarui等人于1969年提出[1]。相對于標準的MOS器件，LDMOS在結(jié)構(gòu)上具有以下特點：LDMOS采用的是雙擴散技術(shù)，溝道長度是由兩次擴散的結(jié)深之差來確定的，這就使得溝道長度可以做得很精確而不用受到光刻精度的影響，且工藝實現(xiàn)上簡單。此外LDMOS在漏區(qū)域與溝道區(qū)之間增加了較長的低摻雜漂移區(qū)，漂移區(qū)在一定程度上緩解了MOS器件的短溝道效應(yīng)。低摻雜漂移區(qū)的存在使得溝道的電阻遠遠小于漂移區(qū)的電阻，高阻的漂移區(qū)能夠承受較大的源漏電壓以及功耗，使得器件可以承受較高的耐壓，因此提高了器件的耐壓。并且漂移區(qū)使得柵極與漏極相隔更遠，降低了柵漏寄生電容對器件頻率特性的影響，提高了器件的頻率特性。場板技術(shù)目前被廣泛應(yīng)用于高壓功率器件的終端技術(shù)中。場板技術(shù)可以通過優(yōu)化器件的電勢分布、降低器件的表面電場峰值來提高器件的擊穿電壓。目前場板大致有以下幾種類型：卷形阻性場板（scroll shaped resistive field plate，SRFP）[4]，雙層浮空場板[5～6]，偏置場板[7]，改進的多浮空場板modified-MFFP（multiple floating field plate）[8]等。文獻[4]采用SRFP技術(shù)屏蔽HVI對橫向IGBT（insulatedgate bipolar transistor）的影響，然而由于阻性場板的存在，會在其源漏電極間產(chǎn)生較小的漏電流，從而增加了電路的靜態(tài)電流和功耗，文獻[8]通過多浮空場板的應(yīng)用，避免了漏電流的產(chǎn)生，降低了靜態(tài)電流和功耗。文獻[5]、[6]在橫向高壓器件結(jié)構(gòu)中增加了第二層多晶硅場板，以產(chǎn)生電容耦合結(jié)構(gòu)，能夠更有效地優(yōu)化器件表面場分布。

文章首先通過仿真軟件對Double RESURFLDMOS進行了設(shè)計與優(yōu)化，得到了最優(yōu)設(shè)計參數(shù)，然后添加了多浮空場板結(jié)構(gòu)，并對場板的數(shù)量、長度對器件耐壓的影響進行了分析與研究，最后分析了場板對P-top劑量的影響，并通過仿真得到了不同場板的數(shù)量，不同P-top劑量所對應(yīng)的器件耐壓值。

2 高壓LDMOS器件結(jié)構(gòu)

具有單層多浮空場板結(jié)構(gòu)的高壓LDMOS器件結(jié)構(gòu)如圖1所示，N-epi表示n型外延層，Nepi表示其濃度；P-sub表示器件采用的是P型襯底材料，其電阻率為100 Ω·cm； P-well表示用來形成LDMOS器件溝道區(qū)的P型阱區(qū)； NP-top表示P-top的濃度；nFP表示場板的數(shù)量；dFP表示場板的長度。x方向表示沿著器件表面的方向，y方向表示垂直于器件表面的方向。

圖1 具有單層多浮空場板的LDMOS器件

器件制作在n型外延（N-epi）上，外延層厚度depi為4 μm，漂移區(qū)長度為85 μm，溝道長度為1 μm，由雙擴散工藝和自對準技術(shù)形成。器件采用雙RESURF技術(shù)，在外延層引入一層導(dǎo)電類型相反的P-top摻雜區(qū)，形成結(jié)終端擴展，有效降低了器件源端和漏端的表面電場，同時p型雜質(zhì)的引入使得外延層的摻雜濃度得以提高，有效降低了器件的導(dǎo)通電阻。器件在場氧上方有一層多晶硅多浮空場板，通過對器件表面電場的優(yōu)化，能夠有效提高器件的耐壓。

3 結(jié)果分析與討論

使用二維器件仿真軟件Silvaco對圖1中所設(shè)計的double RESURF-LDMOS器件進行了研究與仿真。

圖2 外延層摻雜濃度以及P-top濃度與器件擊穿電壓之間的關(guān)系

圖2給出了在沒有場板的情況下，double RESURF-LDMOS器件在不同外延摻雜濃度和P-top濃度下所對應(yīng)的耐壓。當外延濃度為4.2×1015cm-3、P-top濃度為9.6×1015cm-3時，器件的擊穿壓值比較穩(wěn)定，在760 V左右；當外延層摻雜濃度為4.0×1015cm-3、P-top濃度為9.2×1015cm-3時，器件的擊穿電壓值最高，為785 V左右。但是隨著P-top濃度的變化，器件的擊穿電壓變化很大。在實際的工藝摻雜過程中，由于工藝存在一定的偏差可能會導(dǎo)致器件摻雜不精確，因而出現(xiàn)較大的耐壓偏差。當外延層摻雜濃度為4.4×1015cm-3、P-top濃度為9.6×1015cm-3時，器件的擊穿電壓值最高，為750 V左右，此時的情況也是器件的耐壓值隨著P-top濃度的變化而有很大的改變。因此在實際的工藝生產(chǎn)中，外延層濃度最好選擇4.2×1015cm-3，P-top的摻雜濃度為9.6×1015cm-3，此時器件的耐壓值較平緩，也可以使得P-top的摻雜濃度有較大的誤差設(shè)計范圍。

圖3、圖4給出了器件在外延層濃度為4.2×1015cm-3、P-top的濃度為9.6×1015cm-3時，場板對器件表面電場分布的影響以及電勢分布。從圖3中可以看出相對于沒有場板的器件結(jié)構(gòu)，器件在添加場板結(jié)構(gòu)后其柵場板末端的電場峰值明顯降低，雖然漏端出現(xiàn)了較高的電場峰值，但是器件表面電場的分布總體上更加均勻，最大峰值降低，使得擊穿電壓由不帶場板結(jié)構(gòu)的755 V提高到767 V，并且可以使得帶場板結(jié)構(gòu)的器件能夠較好地屏蔽其他因素對器件的影響。圖4給出了具有場板結(jié)構(gòu)器件的電勢分布圖，其中浮空場板是等勢體，其電勢由漏端到源端依次遞減，形成了一個電勢線性降低的趨勢。

圖3 有無場板對器件表面電場分布的影響

圖4 帶場板結(jié)構(gòu)器件的電勢分布

圖5給出了器件在外延層濃度為4.2×1015cm-3、P-top的濃度為9.6×1015cm-3時，不同場板數(shù)量對器件擊穿電壓和表面電場分布的影響。當nFP=5時，場板長度為10 μm，間距為4 μm；nFP=8時，場板長度為6 μm，間距為3 μm；nFP=10時，場板長度為4 μm，間距為3 μm；nFP=18時，場板長度為3 μm，間距為1 μm；nFP=25時，場板長度為2 μm，間距為1 μm。圖5（a）中所示為不同場板數(shù)量所對應(yīng)的器件耐壓值。根據(jù)仿真結(jié)果可以得出結(jié)論，器件的耐壓值與場板數(shù)量成正比。當nFP=25時，器件的耐壓可以達到781 V。但當場板的數(shù)量增大到一定數(shù)量時，耐壓的增加幅度并不大，而且過多的場板會受到工藝條件的限制，因此選擇合適的場板數(shù)量是很有必要的。圖5（b）所示為不同場板數(shù)量對應(yīng)的器件表面電場分布。場板數(shù)量越多，其表面電場越均勻，左側(cè)柵場板末端電場峰值也隨著場板數(shù)量的增加而減小，并且漂移區(qū)的電場分布更為均勻。因此，場板對于器件表面電場的優(yōu)化效果比較明顯，對器件的耐壓也有一定的提升。

圖5 場板數(shù)量對器件擊穿電壓的影響以及器件表面電場分布

圖6 場板長度對器件擊穿電壓的影響

圖6給出了器件在外延層濃度為4.2×1015cm-3、P-top的濃度為9.6×1015cm-3時擊穿電壓與場板長度之間的關(guān)系?？梢悦黠@看出隨著場板長度的增加，器件的耐壓值隨之降低。由于每個浮空場板相當于一個等勢體，與鄰近的場板形成電容結(jié)構(gòu)，場板上的電勢由漏端到源端依次降低，并且趨于線性降低，使得電場的分布較為均勻。根據(jù)不同場板長度下器件表面電場的分布可以看出，場板長度越短，器件的表面電場分布就更為均勻，峰值就越低，尤其是柵場板末端處的電場峰值。因此，在實際設(shè)計中，可以適當降低場板長度，使得器件的表面電場得到更好的優(yōu)化。

圖7給出了通過工藝仿真得到的器件在外延層摻雜為4.2×1015cm-3時場板數(shù)量對double RESURF器件P-top劑量的影響。從圖中可以看出，器件在沒有場板的情況下，P-top劑量為1.0×1012cm-2時其擊穿電壓值最大，但是鄰近的P-top劑量值使得器件的耐壓大幅降低，在實際工藝中，可能由于工藝原因，會使得P-top的劑量與濃度出現(xiàn)偏差，實際的擊穿電壓值可能會很低。當器件添加場板結(jié)構(gòu)后，對于不同劑量的P-top，器件的耐壓能夠較為穩(wěn)定，并且隨著場板數(shù)量的增加，一定范圍內(nèi)變化的P-top劑量對器件的耐壓影響不大。由于場板數(shù)量較多時對器件表面的電場優(yōu)化效果更好，降低了器件表面電場的峰值，限制了P-top的劑量對器件耐壓的影響。此外，由于場板的存在，使得任意劑量的P-top可以應(yīng)用于高壓功率器件而不會使擊穿電壓降低，因此可以在一定程度上改變P-top劑量，從而在保持器件耐壓的同時也可以有效降低器件的導(dǎo)通電阻，實現(xiàn)高耐壓低導(dǎo)通電阻的器件。

圖7 場板數(shù)量對double RESURF器件P-top劑量的影響

4 結(jié)論

場板技術(shù)可以通過優(yōu)化器件的電勢與電場分布來改善優(yōu)化器件的表面電場。對于單層浮空場板結(jié)構(gòu)，增加場板數(shù)量、降低場板長度能夠有效優(yōu)化器件表面電場的分布，增加器件的耐壓，但是受到工藝和特征尺寸的限制，需要對單層多浮空場板進行數(shù)量上的優(yōu)化。單層多浮空場板對double RESURFLDMOS器件的P-top劑量也具有一定的影響，在沒有場板的情況下，P-top劑量的變化會使得器件的耐壓出現(xiàn)較大的變化，從而降低了P-top的容限度。場板結(jié)構(gòu)能夠改善這種問題，使得器件的擊穿電壓隨著P-top劑量的改變而不會發(fā)生太大的變化，這就使得器件的P-top層劑量可以在較大范圍內(nèi)選擇，從而優(yōu)化漂移區(qū)的摻雜總量，改變器件的導(dǎo)通電阻。

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