采用雙層?xùn)艠O場板結(jié)構(gòu)的LDMOS器件優(yōu)化設(shè)計

慈 朋 亮

（上海華力微電子有限公司，上海 201203）

采用雙層?xùn)艠O場板結(jié)構(gòu)的LDMOS器件優(yōu)化設(shè)計

慈 朋 亮

（上海華力微電子有限公司，上海 201203）

研究了一種N型50 V RFLDMOS器件的結(jié)構(gòu)。該類型器件對擊穿電壓BV和導(dǎo)通電阻RDSon等直流參數(shù)具有較高要求，一般采用具有兩層場板的RESURF結(jié)構(gòu)。通過Taurus TCAD仿真軟件對器件最關(guān)鍵的兩個部分即場板和N型輕摻雜漂移區(qū)進行優(yōu)化設(shè)計，在提高器件擊穿電壓BV的同時，降低了其導(dǎo)通電阻RDSon。最終仿真得到的擊穿電壓BV為118 V，導(dǎo)通電阻RDSon為23 Ω·mm。

RFLDMOS；擊穿電壓；導(dǎo)通電阻；RESURF；雙層場板；仿真

RFLDMOS（射頻橫向擴散金屬氧化物半導(dǎo)體）器件是一種非常具有競爭力的功率器件，最初是用于替代基站的雙極型晶體管[1-2]。其具有線性度好、增益高、耐壓高、輸出功率大、熱穩(wěn)定性好、效率高、寬帶匹配性能好、易于和MOS工藝集成等優(yōu)點[3-4]，并且價格遠低于砷化鎵器件。此外，該器件的射頻應(yīng)用覆蓋了從1 MHz到4 GHz的廣闊范圍[5-6]。正是由于這些優(yōu)點，它被廣泛用于GSM、PCS、W-CDMA基站的功率放大器、無線廣播、工業(yè)、醫(yī)學(ISM)以及雷達等方面[7-8]。其中，50 V的RFLDMOS器件主要用于無線廣播、ISM以及雷達等方面，要求較高的擊穿電壓與較大的功率密度[9-10]。

對工作電壓為50 V的器件來說，為保證器件運行時的可靠性，要求擊穿電壓必須高于110 V[11-12]。而要實現(xiàn)較高的擊穿電壓，必須采用RESURF（Reduce Surface Field，降低表面電場）結(jié)構(gòu)。一般來說，RESURF技術(shù)利用漂移區(qū)與襯底的縱向PN結(jié)耗盡層，以及溝道與漂移區(qū)橫向PN結(jié)耗盡層之間的相互影響，來降低表面電場峰值，從而實現(xiàn)較高的擊穿電壓。在漂移區(qū)長度一定的情況下，要實現(xiàn)較高的擊穿電壓，較低的導(dǎo)通電阻，僅僅依靠橫向和縱向的PN結(jié)來調(diào)節(jié)電場分布是遠遠不夠的，需要在RFLDMOS的柵極上方加入場板。以前提出的結(jié)構(gòu)由于應(yīng)用電壓較低，均采用單層場板；而對于應(yīng)用電壓為50 V的RFLDMOS，由于擊穿電壓要求更高，本文首次引入了雙層場板的概念以提高擊穿電壓并針對漂移區(qū)摻雜濃度和雙層場板的長度進行了優(yōu)化。

N型漂移區(qū)的橫向和縱向PN結(jié)分布，很大程度上是由該區(qū)域注入N型雜質(zhì)的能量和劑量決定的。而場板的形貌，結(jié)合其下方的N型漂移區(qū)，又可以對電場分布進行進一步調(diào)整。本文從N型漂移區(qū)以及場板著手，討論了N型漂移區(qū)的注入能量和劑量、兩層場板的尺寸等因素對擊穿電壓以及導(dǎo)通電阻的影響，從而獲得最好的RESURF效果。

1 器件結(jié)構(gòu)分析

工作電壓為50 V的RFLDMOS器件，最終的耐壓值由縱向和橫向耐壓值共同決定。縱向的擊穿電壓受漂移區(qū)結(jié)深、摻雜濃度以及襯底的厚度和摻雜濃度等因素影響。橫向擊穿電壓除與上述因素相關(guān)外，與N型漂移區(qū)長度以及漂移區(qū)表面的電場分布具有直接的聯(lián)系。一般來說，N型漂移區(qū)下方的P型襯底都很厚，因此，器件的擊穿電壓主要取決于橫向擊穿電壓。圖1所示為50 V RFLDMOS器件的結(jié)構(gòu)示意圖。由圖可見，N型漂移區(qū)下方是P-epi層，其具有相對較低的濃度。在高漏極偏壓的情況下，由于橫向和縱向電場的作用，整個N型漂移區(qū)將完全耗盡，直至漏端邊緣。圖中的兩層場板用于調(diào)節(jié)N型漂移區(qū)表面的電場分布。

圖1 50 V RFLDMOS器件的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The diagram of 50V RFLDMOS device

2 結(jié)果與討論

利用TCAD軟件Taurus進行了大量仿真，仔細分析了50 V RFLDMOS器件的各部分結(jié)構(gòu)，包括兩層場板尺寸，以及N型輕摻雜漂移區(qū)的雜質(zhì)濃度與結(jié)深等因素，對器件最終直流特性的影響。仿真采用的器件結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中柵極多晶硅長度為0.5 μm，溝道長度（柵極多晶硅下方P-well的長度）為0.3 μm，漂移區(qū)長度為5.5 μm，第一層場板長度為0.8 μm，第二層場板長度從1 μm到2.6 μm變化，場板長度定義為多晶硅邊緣到漂移區(qū)上方靠近漏端場板邊緣的距離。同時，在仿真的過程中，也結(jié)合了一些實際的silicon數(shù)據(jù)，從而驗證了仿真趨勢的準確性，并最終獲得優(yōu)化的器件直流特性。

一般來說，LDMOS器件的擊穿電壓主要取決于N型輕摻雜漂移區(qū)的長度及其摻雜水平。RFLDMOS的另一關(guān)鍵參數(shù)是導(dǎo)通電阻RDSon，其定義為：

式中：漏極電壓VD為0.1 V；柵極電壓VG為5 V，源極接地時，得到器件的導(dǎo)通電流ID；L為LDMOS的漏端到源端的距離，包括溝道長度和漂移區(qū)長度以及源漏兩個電極的長度。在保證縱向擊穿電壓足夠的情況下，N型輕摻雜漂移區(qū)越長，LDMOS的擊穿電壓越高，同時導(dǎo)通電阻也越大。因為調(diào)整器件的溝道摻雜濃度會對閾值電壓造成較大影響，一般調(diào)整漂移區(qū)的摻雜濃度來調(diào)節(jié)導(dǎo)通電阻，漂移區(qū)長度與溝道長度相比占比更大，對導(dǎo)通電阻影響也更大，因此本文主要考慮漂移區(qū)摻雜濃度對電阻的影響。為降低器件的導(dǎo)通電阻，可以提高N型輕摻雜漂移區(qū)雜質(zhì)的濃度，但這往往又會導(dǎo)致N型輕摻雜漂移區(qū)較難耗盡，影響擊穿電壓BV的提高。因此，擊穿電壓BV和器件的導(dǎo)通電阻RDSon這兩個參數(shù)是相互制約的。顯而易見，要獲得較好的器件直流特性，對N型輕摻雜漂移區(qū)的長度、結(jié)深、摻雜濃度需要綜合考慮。同時，對50V RFLDMOS器件來說，場板對N型輕摻雜漂移區(qū)的電場分布有極其重要的影響，其形貌對擊穿電壓BV的影響必須仔細討論。

2.1 N型輕摻雜漂移區(qū)的濃度與結(jié)深對擊穿電壓和導(dǎo)通電阻的影響

N型輕摻雜漂移區(qū)的濃度與結(jié)深分別取決于N型注入劑量以及注入能量。在器件兩層場板尺寸一定的情況下，通過TCAD仿真，可以獲得注入劑量，注入能量與擊穿電壓BV以及導(dǎo)通電阻RDSon之間的關(guān)系，如圖2所示。

由圖2(a)可知，在具有相同場板結(jié)構(gòu)的情況下，隨著N型注入劑量的增加，會出現(xiàn)擊穿電壓BV的峰值，此時的注入劑量約為1.6×1012/cm2。隨著注入劑量的繼續(xù)增加，擊穿電壓BV開始下降。這說明對于特定的場板結(jié)構(gòu)來說，存在著一個最優(yōu)化的注入劑量，也就是最優(yōu)化的N型輕摻雜漂移區(qū)濃度。該結(jié)果可以從漂移區(qū)表面橫向電場分布的變化來解釋。如圖3所示，每條曲線表示不同摻雜濃度下，發(fā)生擊穿時的臨界電場分布?？梢钥闯銎茀^(qū)表面電場的分布存在幾個峰值。分別是兩層場板以及漏端與漂移區(qū)交界的邊緣所形成的三個電場峰。在摻雜濃度較高的情況下，場板對電場具有更強的作用，場板下方對應(yīng)于最高的電場峰值，這也是雪崩擊穿最先發(fā)生的位置。而摻雜濃度較低的情況下，漏端與漂移區(qū)交界的邊緣具有最大的電場，此處是雪崩擊穿首先發(fā)生的位置。而電場強度曲線與橫坐標所包圍的面積，基本上反映了最終擊穿電壓BV的大小?？梢?，想要獲得最高的擊穿電壓BV，也就是所圍成的面積最大，需要選擇適當?shù)膿诫s濃度，使三個電場峰值分布更加均勻。過高或者過低的摻雜濃度對最終的擊穿電壓BV都是不利的。同時，由圖2(a)中也可以看出，增加N型雜質(zhì)的注入能量，對器件擊穿電壓BV的影響并不大，只有輕微的增加，這有可能是注入能量增加后，導(dǎo)致整個N型輕摻雜漂移區(qū)的結(jié)深變大，接近漂移區(qū)表面的N型雜質(zhì)濃度變低，從而使接近漂移區(qū)表面的電場分布更加平緩，有助于擊穿電壓BV的提高。

圖2 不同N型漂移區(qū)注入劑量與能量情況下(a) 相應(yīng)擊穿電壓BV的變化趨勢；(b) 相應(yīng)導(dǎo)通電阻RDSon的變化趨勢Fig.2 With different implant dose and energy of N-drift region, the variation of (a) breakdown voltage and (b) on-resistance (RDSon)

圖3 在N型漂移區(qū)注入能量一定的情況下，改變注入劑量所獲得的漂移區(qū)表面擊穿時的臨界電場分布Fig.3 With a given implant energy of N-drift region, the crucial electric field distribution along the surface of N-drift region when breakdown happens

由圖2(b)可知，隨著注入劑量的增加，器件的導(dǎo)通電阻RDSon減小，二者成反比關(guān)系。這是由于器件的導(dǎo)通電阻RDSon主要取決于N型輕摻雜漂移區(qū)的雜質(zhì)濃度。此外，由圖2可見，增加注入能量對導(dǎo)通電阻RDSon的影響微乎其微，說明載流子的經(jīng)由通路分布在較寬的區(qū)域。即使增加了注入能量，該區(qū)域雜質(zhì)的整體濃度變化也不大。

2.2 兩層場板結(jié)構(gòu)對擊穿電壓和導(dǎo)通電阻的影響

RFLDMOS中的場板結(jié)構(gòu)最初是用來屏蔽柵極的，以降低漏極與柵極之間的反饋電容Cgd，從而提高器件的射頻性能。當場板距離N型輕摻雜漂移區(qū)的縱向距離較近時，其對漂移區(qū)表面電場分布的影響非常顯著。由此可見，場板也是決定最終擊穿電壓BV的一個極其重要的因素，是RESURF結(jié)構(gòu)必不可少的組成部分。對50 V RFLDMOS器件來說，一般采用兩層場板來實現(xiàn)RESURF效果。這兩層場板的形貌，尤其是其長度，決定了器件最終的擊穿電壓BV。通過TCAD軟件仿真，仔細分析了在漂移區(qū)不同N型注入劑量的情況下，場板的長度與擊穿電壓BV之間的關(guān)系，以獲得最優(yōu)的場板尺寸。

圖4顯示在保持第一層場板長度不變(L1=0.8 μm)的情況下，改變第二層場板的長度L2，對器件擊穿電壓BV的影響。第一層場板對器件擊穿電壓BV的影響會在隨后給予說明。由圖可見，在N型注入劑量一定的情況，即漂移區(qū)摻雜濃度一定的情況下，隨著第二層場板的長度由1 μm逐漸增加到2.5 μm，相應(yīng)的擊穿電壓BV先增大，達到一個峰值。然后，隨著其長度的進一步增加，擊穿電壓BV又逐漸減小。

圖4 在N型漂移區(qū)注入能量一定的情況下，第二層場板的長度在不同的注入劑量下所對應(yīng)擊穿電壓BV的變化趨勢Fig.4 With a given implant energy of N-drift region, the relationship between the breakdown voltage and the length of the 2nd G-shield with respect to different implant dose

對于不同的摻雜濃度來說，實現(xiàn)峰值擊穿電壓BV所對應(yīng)的第二層場板的最優(yōu)長度并不相同。如圖4所示，N型輕摻雜漂移區(qū)的濃度越高，即注入劑量越高，獲得峰值擊穿電壓BV所需要的第二層場板長度也越長。如果N型輕摻雜漂移區(qū)的濃度較低，如注入劑量為1.4×1012/cm2，那么，獲得峰值擊穿電壓BV所需要的第二層場板長度越短，其長度與第一層場板接近。

圖5(a)顯示了在N型注入劑量相對較高(1.8×1012/cm2)的情況下，出現(xiàn)擊穿的臨界電壓時，N型漂移區(qū)表面的橫向電場分布。從圖中可以明顯看出兩層場板以及漏極邊緣處的三個電場峰值。因為漂移區(qū)具有相對較高的摻雜濃度，因此第二層場板所對應(yīng)的電場峰值要高于漏極邊緣的電場峰值?？紤]較為極端的情況，當?shù)诙訄霭遢^短(L2=1 μm)，并接近第一層場板的長度時，第一層場板與漂移區(qū)的縱向距離更短，從而屏蔽了第二層場板的作用，此時，場板下方對應(yīng)著一個最高的電場峰值，而漏極邊緣的電場強度很低，整個電場分布的曲線較為陡峭，不利于獲得較高的擊穿電壓。當?shù)诙訄霭宓拈L度進一步增加時，兩層場板所對應(yīng)的電場峰值逐漸分離。由于第二層場板距離漏端更近，因此，第二層場板對電場具有更強的控制力，其峰值電場總是高于第一層場板下方所對應(yīng)的電場。碰撞電離的最強位置，即擊穿點，也總是出現(xiàn)在第二層場板的下方。在第二層場板長度逐漸增加的過程中，漏極邊緣的電場受第二層場板下方電場的牽引，也會逐漸升高。當?shù)诙訄霭遢^長時(L2=2.6 μm)，由于其距離漏端很近，所以第二層場板以及漏端都具有較高的電場峰值，同時，對第一層場板起到了一定的屏蔽作用，削弱了第一層場板對其下方漂移區(qū)內(nèi)電場的控制，表現(xiàn)為第一層場板下方較低的電場峰值，電場的分布也不夠平滑，對應(yīng)著較低的擊穿電壓BV。因此，第二層場板約為1.8 μm時，所對應(yīng)的電場分布曲線較為平滑，對應(yīng)著該摻雜濃度下最高的擊穿電壓118 V。

圖5 在N型漂移區(qū)具有 (a) 較高的注入劑量，約為1.8×1012/cm2以及 (b)較低的注入劑量，約為1.4×1012/cm2的情況下，第二層場板的不同長度所對應(yīng)的擊穿時的漂移區(qū)表面臨界電場分布Fig.5 With (a) a high implant dose of 1.8×1012/cm2and (b) a low implant dose of 1.4×1012/cm2, the crucial electric field distribution along the surface of N-drift region determined by the length of 2nd G-shield

圖5(b)顯示了在N型注入劑量為1.4×1012/cm2的情況下，第二層場板的不同長度所對應(yīng)的漂移區(qū)橫向電場分布?？傮w來說，其趨勢與較高漂移區(qū)摻雜情況下類似。最大的區(qū)別在于，在該條件下，所有電場分布曲線的最高峰值都出現(xiàn)在漏端邊緣，即器件的擊穿點在該處。之所以出現(xiàn)這種情況，是因為當N型漂移區(qū)的摻雜濃度較低時，在漏端施加高偏壓的情況下，整個漂移區(qū)被完全耗盡，并且耗盡層會擴展到具有極高摻雜濃度的漏端內(nèi)部。在所有的電力線都終止于漏端內(nèi)部的情況下，漏端具有最高的電場強度，并首先發(fā)生擊穿。在這種情況下，第二層場板的長度越短，整個電場強度分布曲線所對應(yīng)的面積越大，即器件的擊穿電壓BV也就越大。此時，兩層場板結(jié)構(gòu)與單層場板結(jié)構(gòu)對電場分布的影響差異不大。

另外，在討論兩層場板的形貌對器件擊穿電壓BV的影響時，并沒有考慮第一層場板的影響因素。這主要是根據(jù)已有的silicon數(shù)據(jù)，在器件的第二層場板長度一定的情況下，改變器件的第一層場板長度，對擊穿電壓的影響非常小，如圖6所示。第一層場板長度的變化，更多的是對器件HCI(Hot Carrier Injection)特性的影響。因為第一層場板離多晶硅柵靠近漏端一側(cè)最近，其下方電場峰值的高低，直接影響了多晶硅柵靠近漏端一側(cè)下方的電場分布。而該區(qū)域的電場分布會增強或者削弱電子對柵氧的注入，影響器件的HCI特性。

圖6 保持第二層場板的長度以及其他條件不變，第一層場板長度的變化與擊穿電壓BV之間的關(guān)系Fig.6 To fix the length of 2nd G-shield and other conditions, the relationship between the length of the 1st G-shield and the breakdown voltage

為驗證該仿真趨勢的正確性，進行了硅片實驗，并對實際流片制備的樣品進行測試，得到的silicon數(shù)據(jù)分析結(jié)果如圖7所示。可見，在采用較低N型漂移區(qū)摻雜濃度的情況下，隨著第二層場板長度的增加，器件的擊穿電壓BV逐漸減小，與仿真所得到的趨勢一致。

圖7 改變第二層場板長度對擊穿電壓影響的仿真數(shù)據(jù)和實際數(shù)據(jù)之間的比較Fig.7 The compare of simulation results and silicon data referring to the effect of 2nd G-shield length on the breakdown voltage

由仿真結(jié)果可知，對于器件來說，要想獲得較高的擊穿電壓BV，漂移區(qū)的摻雜濃度保持在較低的水平是有利的。然而，器件的導(dǎo)通電阻RDSon與N型漂移區(qū)的摻雜成反比關(guān)系，要求較高的摻雜濃度以獲得良好的性能。在這種情況下，綜合考慮器件的擊穿電壓BV與導(dǎo)通電阻RDSon，N型漂移區(qū)要保持較高的摻雜濃度。因此，在保證導(dǎo)通電阻RDSon的情況下，利用兩層場板的RESURF效果，采用相應(yīng)條件下的最優(yōu)場板尺寸，以獲得較高的擊穿電壓BV。另外，N型漂移區(qū)保持較高的摻雜濃度也有助于提高器件的飽和電流IDSat。

3 結(jié)論

利用TCAD軟件Taurus進行了相關(guān)仿真，對影響50 V RFLDMOS器件直流特性的因素進行了討論。主要分析了N型漂移區(qū)的濃度、結(jié)深以及兩層場板的尺寸對擊穿電壓BV以及導(dǎo)通電阻RDSon的影響。此外，相關(guān)的silicon數(shù)據(jù)所表現(xiàn)出來的趨勢與仿真結(jié)果一致。N型漂移區(qū)的結(jié)深對直流特性的影響很小。較高的N型漂移區(qū)摻雜濃度有利于獲得較低的導(dǎo)通電阻RDSon，而較低的摻雜濃度對應(yīng)著較高的擊穿電壓。不同的N型漂移區(qū)摻雜濃度都存在一個最優(yōu)的場板尺寸，尤其是第二層場板的尺寸。根據(jù)已有的仿真結(jié)果，當N型漂移區(qū)的注入劑量保持在1.8×1012/cm2，第二層場板的尺寸為1.8 μm時，可以在擊穿電壓BV與導(dǎo)通電阻RDSon之間取得很好的平衡，此時的擊穿電壓為118 V，導(dǎo)通電阻為23 Ω·mm。如果在此基礎(chǔ)上，結(jié)合其他因素，如場板下面的介質(zhì)層共同考慮，直流特性可以得到進一步的提高。總之，該結(jié)構(gòu)充分利用了場板的RESURF效果，并沒有增加額外的工藝過程，具有很高的實用價值。

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（編輯：陳豐）

Optimal design of LDMOS with double gate shield

CI Pengliang
(Shanghai Huali Microelectronics Corporation, Shanghai 201203, China)

The structure of an N-type 50 V RFLDMOS was investigated. In order to obtain a higher breakdown voltage (BV) and a lower on-resistance (RDSon), the RESURF (Reduced Surface Field) structure with two field plates (gate shield, or G-shield) was applied. Considering the field plates and N-type light doped drift region properly, the BV should be improved while theRDSonshould be reduced. The device characteristics were analyzed by employing the device simulator Taurus TCAD. With the optimized RESURF structure, the simulated BV andRDSonare 118 V and 23 Ω·mm, respectively.

RFLDMOS; breakdown voltage; on-resistance; RESURF; two field plates; simulation

10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.08.012

TN386

:A

:1001-2028（2016）08-0050-05

2016-06-16

國家科技02重大專項項目資助(No. 2012ZX02502)

慈朋亮（1980-），男，山東威海人，博士，工程師，主要從事邏輯器件開發(fā)及高壓LDMOS晶體管制造技術(shù)研究，E-mail: guaiguaishu1984@163.com 。

時間：2016-08-03 22:36

： http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20160803.2236.012.html