復合柵多階梯場極板LDMOS電學特性的研究.pdf

1、隨著功率半導體技術和系統(tǒng)集成技術的不斷發(fā)展，功率器件的研究也越來越受到關注。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通特性，而且其柵、源和漏電極都在表面引出，非常容易和標準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重要的作用，因此有新技術不斷被應用到LDMOS器件中，使其滿足市場的要求。正由于這個原因，LDMOS的結構和工藝不斷改進，各種LDMOS的衍生結構層出不窮，這給原本就非常復雜的LDMOS建模工作變得更加困難。然而一旦器件結構發(fā)生改變，器件模型必須得到修正。特別是新結構器件有新效應產(chǎn)生時，必須重新建立新模型，否則難以對器件的電學特性作出良好

3、的預測，并指導集成電路設計。 本文通過對目前能夠應用于高壓功率器件的技術進行分析，提出了一種復合柵多階梯場極板RESURF LDMOS器件結構。該器件的驅(qū)動電流，擊穿電壓，跨導、增益和截止頻率等性能指標明顯優(yōu)于傳統(tǒng)LDMOS結構，而且工藝上仍可以與標準CMOS工藝兼容，工藝復雜度增加不大，閾值電壓的設計也更加容易。此外，該結構對小尺寸效應也有明顯的抑制作用。 目前，針對上述特殊結構的LDMOS器件的物理機制研究較少，更不

4、用說建立電學特性的模型。因此，本論文的工作是建立復合柵多階梯場極板RESURFLDMOS基于物理的電學特性解析模型，在模型的基礎上分析出器件的物理機制和優(yōu)化設計方法，能夠在不依賴測試結果的情況下預測該器件的電學特性，為該器件的設計服務，并為進一步獲得適用于電路仿真程序的器件模型提供理論基礎。鑒于以上原因，本論文開展了復合柵多階梯場極板RESURF LDMOS的電學特性的研究工作，主要包括： 首先，通過一系列的MEDICI數(shù)值仿真

5、數(shù)據(jù)分析出復合柵結構能夠提高LDMOS電學性能的主要原因。仿真數(shù)據(jù)表明，復合柵功函數(shù)差引起的溝道階梯電勢和峰值電場是復合柵LDMOS與普通LDMOS之間的主要區(qū)別。根據(jù)這個結論，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的基礎上，建立了復合柵LDMOS準二維的閾值電壓解析模型，并通過仿真結果加以驗證。該模型能夠反映復合柵主要結構參數(shù)(雙功函數(shù)差和雙柵長度比例)對閾值電

6、壓的影響，為復合柵的優(yōu)化設計提供依據(jù)，而且模型也說明復合柵結構在LDMOS中的應用可以有效地抑制短溝道效應和DIBL效應。 其次，從短溝道復合柵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，提出了用擴展的漂移一擴散方程來描述復合柵LDMOS電流特性的方法，并結合溝道泊松方程給出其電流解析表達式。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合柵LDMOS電流特性模型。 第三，盡管LDMOS器件結構多變，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，應用到RESURF結構的擊穿電壓的計算中，并得到實驗結果的驗證。 最后，場極板是提高器件耐壓性能的一種常見終端技術，多階梯場極板在單階梯場極板的基礎上可以進一步提高器件的耐壓性能。本文建立了RESURF技術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，并在準二維的表面電場解析模型的基礎上，對多階梯場極板的長度設計進行優(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