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新型低压LDMOS结构设计与仿真

李春来  
【摘要】:横向双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管(Lateral Double-diffused Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,LDMOS)由于源极、栅极、漏极这三个电极都分布在器件的同一表面,相较于纵向双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管(Vertical Double-diffused Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,VDMOS)而言,更容易与低压电路信号通过内部连接而实现集成,因此是实现功率集成电路(Power Integrated Circuit,PIC)的关键。功率集成电路(PIC)主要追求的指标是低功耗,所以要求横向双扩散MOS功率器件(LDMOS)的指标是实现高击穿电压和低比导通电阻。当前,国内外对于横向双扩散MOS功率器件主要的研究方向是:如何从新的结构,新的工艺,新的材料等方面对击穿电压和比导通电阻进行优化。本篇论文主要是从新结构方面,对阶梯状场氧化层折叠硅新型横向双扩散MOS功率器件和具有P型覆盖层超级结横向双扩散MOS功率器件这两种新型横向双扩散MOS功率器件的结构、性能进行分析与优化,并且对工艺流程进行了设计。首先,本论文提出了阶梯状场氧化层折叠硅新型横向双扩散MOS功率器件(SOFLDMOS),这种结构具有如下几种特点:第一,这种结构是将硅刻蚀成周期性折叠形状,使得栅极的导电区域增加,降低新型SOFLDMOS器件比导通电阻,这点原理类似于FinFET;第二,由于栅电极延伸到阶梯状场氧化层的表面,从而在正向导通时漂移区中产生多数载流子(电子)的积累层使得其比导通电阻降低。另外,由于新型SOFLDMOS器件是折叠形状,因此在漂移区I区的两个侧壁也会形成电子的积累,使得漂移区积累层中电子的数量剧增,从而降低新型SOFLDMOS器件的比导通电阻;第三,由于新型SOFLDMOS器件是折叠结构,在关态时通过X和Y方向引入的电场调制作用(原理类似于超级结)可以提高漂移区浓度,从而降低其比导通电阻;最后,将阶梯状场氧化层覆盖在漂移区的表面,通过阶梯状场氧化层的电场调制作用使得SOFLDMOS的表面电场在其阶梯处产生一个新的电场峰而使得表面电场分布趋于更加均匀。利用仿真软件ISE-TCAD具体分析了各种参数对SOFLDMOS性能的影响,结果表明:通过优化SOFLDMOS的主要参数,实现了当击穿电压在62V的条件下,获得较低的比导通电阻为0.74mΩ.cm~2。在相同击穿电压情况下,其比导通电阻相较于传统横向双扩散MOS功率器件结构的2mΩ.cm~2降低了63%左右。其次,本论文提出了具有P型覆盖层超级结横向双扩散MOS功率器件(P covered SJ-LDMOS),这种结构是在传统的N型缓冲层超级结横向双扩散MOS功率器件结构基础上,其超级结区的N型柱表面部分扩散(或离子注入)一层P型覆盖层,利用P型覆盖层与N型缓冲层的相互作用消除传统超级结横向双扩散MOS功率器件结构存在的衬底辅助耗尽效应,同时,由于N型缓冲层相当于一条导通路径,利用P型覆盖层的电中性作用,提高N型缓冲层的掺杂浓度从而降低了P covered SJ-LDMOS器件的比导通电阻。利用仿真软件ISE-TCAD具体分析了各种参数对P covered SJ-LDMOS性能的影响,结果表明:通过优化P covered SJ-LDMOS的主要参数,实现了当击穿电压在203V的条件下,获得4.26mΩ.cm~2的比导通电阻。在漂移区长度都为10μm的情况下,具有P型覆盖层超级结横向双扩散MOS功率器件结构的比导通电阻相较于传统超级结横向双扩散MOS功率器件结构的10.47mΩ.cm~2降低了59%左右,相较于传统具有N型缓冲层超级结横向双扩散MOS功率器件的7.46mΩ.cm~2降低了43%左右。最后,对阶梯状场氧化层折叠硅新型横向双扩散MOS功率器件与P型覆盖层超级结横向双扩散MOS功率器件这两种器件的工艺流程进行了设计,同时对工艺难点进行分析,并且给予解决方案。


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