横向集成高压器件纵向掺杂分布优化理论的研究

摘要

横向双扩散MOS管(Lateral Double-diffusion MOS，LDMOS)作为横向高压器件的典型代表，因性能优、成本低和易于集成等优势被广泛应用于各种功率集成电路（Power Integrated Circuits, PIC）中。击穿电压和导通电阻之间的矛盾是LDMOS的核心矛盾，为了优化这一矛盾国内外众多器件设计者针对漂移区结构和工艺实现技术做了很多改进，LDMOS正由同型掺杂的Single RESURF（S-RESURF）结构逐渐向异型掺杂的Double RESURF（D-RESURF）、Triple RESURF（T-RESURF）及双导层（Dual Conduction Layer, Dual-CL）等结构转变。然而，已有的关于同型掺杂漂移区器件的理论研究大都基于均匀掺杂漂移区近似，没有考虑到漂移区纵向掺杂分布的多样性；同时对于异型掺杂漂移区器件，由于漂移区耗尽情况的复杂性使得理论研究进展缓慢，所以建立一个统一的理论来帮助分析漂移区纵向掺杂分布对器件性能的影响及指导横向高压器件纵向掺杂分布的优化设计显得十分必要。
　　本文围绕横向高压器件漂移区纵向掺杂分布，从理论模型、物理机理和标准CMOS工艺实现几方面进行研究。建立了漂移区同型掺杂体硅/SOI横向高压器件的全域耐压模型并提出了漂移区等效掺杂浓度的概念；建立了漂移区异型掺杂的体硅T-RESURF器件和双导层SOI器件的耐压模型；提出了横向高压器件纵向掺杂分布优化理论并推出了考虑纵向掺杂分布影响的器件优值；在上述理论模型的指导下，进行了漂移区同型掺杂和异型掺杂LDMOS的设计与研制。
　　第一，漂移区同型掺杂横向高压器件全域耐压模型。提出了离散法、连续法和等效衬底电压法三种对任意纵向掺杂漂移区二维泊松方程降维的方法，引出了漂移区等效杂质浓度的概念，将任意纵向掺杂分布的漂移区等效为均匀掺杂的漂移区来处理，由此建立了任意纵向掺杂分布横向高压器件在完全耗尽和不完全耗尽情况下的场势分布模型和击穿电压模型，然后将其应用于均匀、高斯、阶梯和线性分布的同型掺杂漂移区结构的分析。导出了适用于任意纵向漂移区杂质分布的广义RESURF判据，以及各种常见分布的最优浓度分布表达式，数值仿真和解析模型都表明无论采用何种纵向杂质分布，要获得最高的击穿电压必须具有相同的漂移区等效掺杂浓度。
　　第二，漂移区异型掺杂横向高压器件耐压模型。通过对漂移区进行分区并借助等效掺杂浓度的概念，分别建立了具有均匀掺杂P埋层、线性掺杂P埋层的体硅T-RESURF器件和双导层SOI器件的二维场势分布模型，然后借助该模型研究了P埋层对电场分布的改变机制，给出了漂移区浓度优化区DOR（Doping Optimal Region）和线性掺杂P埋层浓度分布的理论优化公式，建立了考虑N-top层、P埋层和N漂移区影响的双导层结构SOI高压器件的击穿电压矩阵方程，给出了完全适用于S-RESURF、T-RESURF和Dual-CL器件的统一RESURF判据，为所有的三层漂移区器件、双层漂移区器件和单层漂移区器件的设计提供了理论依据。
　　第三，横向高压器件纵向掺杂分布的优化设计。基于任意纵向掺杂分布横向高压器件的二维耐压模型推出了器件的最优击穿电压，对漂移区电阻进行了理论建模，由此提出了横向高压器件的FOM（Figure Of Merit）优值来评价纵向掺杂分布的改变对击穿和导通性能折衷关系的优化效果。理论分析和二维数值模拟都表明不管是体硅还是 SOI结构，对于优化的RESURF器件而言，如果漂移区全部为同型掺杂，那么器件的FOM优值与纵向掺杂分布无关。要想提高 FOM优值以优化击穿电压与导通电阻的矛盾关系，漂移区中可以引入异型掺杂层，如T-RESURF结构。
　　第四，0.18μm CMOS工艺的LDMOS的设计与研制。在上述理论模型的指导下，深入分析0.18μm CMOS工艺的工艺特点，在不改变工艺条件和工艺顺序，只适当修改版图形状的情况下，设计了漂移区同型掺杂的N阱LDMOS和漂移区异型掺杂的P-top层N阱LDMOS两种横向高压器件，工艺仿真和性能仿真证明了0.18μm完全CMOS工艺研制高压LDMOS的可行性，并结合任意纵向掺杂分布横向高压器件二维耐压模型对两种器件的击穿性能进行了分析，最后在SMIC0.18μm CMOS版图库上进行了版图设计，并在CMOS工艺线上进行了芯片试制，成功研制出与预期目标相吻合的N阱LDMOS和P-top层N阱LDMOS。

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第一章 绪论

1.1 功率集成电路与功率半导体器件

1.2 LDMOS的设计技术

1.3 LDMOS耐压模型的研究进展

1.4 本文的主要工作

第二章 漂移区同型掺杂横向高压器件全域耐压模型

2.1 引言

2.2 任意纵向掺杂漂移区等效杂质浓度及场势分布模型

2.3同型掺杂漂移区击穿电压模型

2.4 同型掺杂漂移区RESURF判据

2.5 本章小结

第三章 漂移区异型掺杂横向高压器件耐压模型

3.1 引言

3.2 均匀掺杂埋层体硅T-RESURF高压器件

3.3 线性掺杂埋层体硅T-RESURF高压器件

3.4双导层SOI高压器件

3.5 本章小结

第四章 横向高压器件漂移区纵向掺杂分布的优化设计

4.1 引言

4.2 横向高压器件的最优击穿性能

4.3 横向高压器件的导通性能

4.4 横向高压器件的FOM优值

4.5 本章小结

第五章 0.18μm CMOS工艺的LDMOS的设计与研制

5.1引言

5.2 LDMOS的工艺设计与性能分析

5.3 LDMOS的版图设计

5.4 LDMOS的流片测试

5.5本章小结

第六章 总结和展望

6.1 工作总结

6.2 研究展望

参考文献

攻读博士学位期间的研究成果

致谢