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《安徽大学》 2007年
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LDMOS的可靠性和温度特性研究

孟坚  
【摘要】: 随着功率集成电路飞速发展,功率半导体器件也取得了飞快的进步,市场应用也逐步扩大。高压体硅LDMOS作为功率DMOS器件的一种横向高压器件非常适用于功率集成电路。这是因为:一方面LDMOS具有很高的击穿电压和良好的导通特性;另一方面,其栅、源和漏电极都在表面引出,从而非常容易和标准CMOS工艺相兼容,生产成本低。因此,近年来体硅LDMOS得到广泛的关注和研究。 论文选题来自于863计划重大专项课题“高压驱动电路模块”。等离子显示屏PDP选址驱动芯片需要用于高压、大电流的高压晶体管去驱动和激发等离子显示屏工作。在整个PDP的成本中,其驱动电路占了很大的一部分,而选址芯片和扫描芯片又是驱动电路中成本最高的,因此对选址和扫描芯片的研究具有重大的意义。随着显示屏技术的不断提高,对选址驱动芯片的高压要求已经由最初的150V、120V下降到100V、80V甚至更低(50V),饱和电流为40mA。高压晶体管设计的好坏将直接影响芯片性能的优劣。在工艺实现上,国外主要采用外延片来制备PDP选址驱动芯片,这种工艺成本较高。采用单阱非外延的高低压兼容工艺,用阱作为LDMOS的漂移区,则可以降低生产难度和成本。论文针对PDP选址驱动芯片中LDMOS管高耐压、大电流、低导通电阻等要求,利用MEDICI软件,结合器件的导通电阻、击穿电压、饱和电流等电学特性的相互影响,对器件结构的主要参数,包括漂移区的长度,浓度、结深以及场板的长度等进行了模拟和分析,确定LDMOS器件的各个结构参数。最终设计出满足实际需求的LDMOS器件。 器件模型是电路仿真中不可缺少的重要元素,电路仿真结果能否正确的反映高压集成电路的电学特性,很大程度上依赖于所选取的器件模型的准确程度。由于高压LDMOS结构的多样性和复杂性,目前用于电路仿真的高压器件模型相当有限。因此建立能够用于SPICE仿真的高压器件模型成为亟待解决的问题。论文建立了LDMOS的电流模型;提出了有场极板的LDMOS高阻漂移区导通电阻的计算公式,改进了双扩散沟道导通电阻的计算公式;建立了LDMOS器件电容的物理模型,为器件的大信号、瞬态分析提供了依据。 当器件的基本参数设计完毕后,器件的可靠性是设计者随之需要考虑的问题。可靠性是一个十分综合的概念,它牵涉到器件的结构、制造工艺以及应用条件等因素,原来的设计需要进一步加以优化。针对LDMOS的可靠性问题,论文研究了影响高压LDMOS可靠性的击穿特性。对于功率器件来说,LDMOS的功耗大小以及功耗的分布情况对器件性能也有重要的影响。功耗增大使器件发热量增加,温度上升,导致器件的可靠性变差。论文建立了LDMOS的宏模型,并利用所建模型计算由LDMOS构成的反相器的导通功耗和功率增益,对高压LDMOS的功耗进行分析和研究;还讨论了LDMOS的安全工作区问题。 在高温微电子学的研究领域,制造高温硅器件和集成电路是一件顺其自然的事。国外对这一方面的工作开展得较早,自70年代末起,一些学者就积极地开展了硅材料高温器件和集成电路的研究。但早期的工作的主要目标是设计与制作双极型高温器件和厚膜集成电路。1984年后,开始有一些学者对高温MOS晶体管和CMOS集成电路进行了系统研究。他们对MOS晶体管的阈值电压、表面载流子的迁移率、亚阈值电流、漏源电流、泄漏电流等参数在25℃~300℃环境下的变化情况给出了高温电学特性方程和经验公式。80年代末,人们对高温大功率晶体管和SOI结构的MOS管进行了深入的研究。LDMOS也从此进入了高温功率器件的历史舞台,并得到越来越多的应用。 对LDMOS的特性在不同温度下模拟和分析是精确估计器件性能的关键。在这种背景下,研究功率器件LDMOS的温度特性,得到LDMOS器件温度的模型,开发出一套LDMOS器件在高温下的设计方法具有非常重要的意义。论文在等温前提下,研究LDMOS阈值电压、迁移率、饱和电流、泄漏电流和导通电阻的温度效应。给出了阈值电压的一个最小均方逼近展开的线性表达式,得到了LDMOS阈值电压温度系数可以按一个常数来处理的结论,并导出其表达式;在给出高温高压LDMOS等效电路模型的基础上,推导出27℃~300℃导通电阻与温度关系的表达式。论文所建模型的计算结果和MEDICI软件仿真结果基本吻合。
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