一种基于曲率结扩展原理的衬底终端结构的研究

摘要

作为开关管使用的高压大电流LDMOS(Lateral Double-diffused MOSFET)在版图上通常设计为叉指状结构。然而在源叉指末端的小曲率半径会导致该处的电场集中,限制了 LDMOS的击穿电压。本文针对这一问题,提出了基于曲率结扩展的衬底终端结构。该结构通过在曲率结区域的高掺杂P型体区与N阱之间引入一个低掺杂的P-sub层,从而改善了P-body/N-drift曲率结处的电场集中效应,避免了提前雪崩击穿。衬底终端结构的优势是兼容于标准CMOS工艺,保证了器件高耐压的同时不会增大芯片面积和制造成本。基于衬底终端结构,实验获得了极低比导通电阻的786 V的Triple RESURF LDMOS和800 V的SJ LDMOS,验证了其有效性。主要研究内容如下:
　　(1) Triple RESURF LDMOS衬底终端结构的研究
　　Triple RESURF LDMOS曲率源端采用衬底终端结构,降低了电场集中效应,保证了弯道区的耐压。其直道区采用RESURF原理提高了击穿电压,并实现低比导通电阻。利用仿真软件Tsuprem4和Medici分别从工艺角度和器件角度,研究了其深N阱的掺杂和P型埋层的掺杂对器件耐压和比导通电阻的影响。同时,研究了源、漏场板长度、衬底终端处LP长度对器件耐压的影响。针对器件弯道与直道之间的过渡区,采用Silvaco三维器件仿真软件,研究了深N阱与P型埋层相对位置与器件耐压的关系。在65μm的漂移区长度下,实验获得了击穿电压为786 V,比导通电阻为110 mΩ·cm2的Triple RESURF LDMOS。衬底终端结构改善弯道区的电场集中效应,避免提前雪崩击穿的作用得到了验证。
　　(2) SJ LDMOS衬底终端结构的研究
　　SJ LDMOS在其曲率源端同样采用了衬底终端结构,来降低该处的电场集中效应,避免提前雪崩击穿。其直道区利用 P/N条之间的相互耗尽,在漂移区表面形成平直均匀的电场分布,从而保证了器件直道区的高耐压。同时,重掺杂的 N条降低了器件开态的比导通电阻。利用Silvaco软件对漂移区的浓度,SJ层的浓度、宽度、结深,终端区LP的长度以及P/N条排布等进行了仿真优化。在70μm的漂移区长度下,实验获得了业界最高击穿电压的800 V SJ LDMOS器件,验证了衬底终端结构的有效性。

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第一章 绪论

1.1 课题背景与研究意义

1.2 国内外发展动态和研究现状

1.3 本文的工作

第二章 衬底终端的结构与耐压机理

2.1 横向器件耐压机理

2.2 基于曲率结扩展原理的衬底终端结构

2.3 衬底终端结构的设计思路

2.4 本章小结

第三章 Triple RESURF LDMOS衬底终端结构的研究

3.1 Triple RESURF LDMOS器件设计

3.2 器件弯道区的设计与仿真

3.3 器件过渡区的设计与仿真

3.4 器件的版图设计及流片测试结果

3.5 本章小结

第四章 SJ LDMOS衬底终端结构的研究

4.1 直道区的三维器件仿真

4.2 弯道区的二维器件仿真

4.3 过渡区的三维器件仿真

4.4 SJ LDMOS的版图设计及流片测试结果

4.5 本章小结

第五章 结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果