复合栅多阶梯场极板LDMOS电学特性的研究

摘要

随着功率半导体技术和系统集成技术的不断发展，功率器件的研究也越来越受到关注。MOS栅功率器件的产生，引发了功率集成电路的概念，即将功率器件和逻辑控制电路集成在单一芯片上，从而满足市场对电子系统可靠性、功耗、成本和尺寸等方面更加苛刻的要求。因为LDMOS具有很高的击穿电压和良好的导通特性，而且其栅、源和漏电极都在表面引出，非常容易和标准CMOS工艺相兼容，生产成本低。因此，在不断涌现的各种功率器件中，这种器件在功率集成电路和射频集成电路中的应用特别受到重视。 功率器件对功率集成电路的体积、重量、价格、效率、性能以及可靠性起到至关重要的作用，因此有新技术不断被应用到LDMOS器件中，使其满足市场的要求。正由于这个原因，LDMOS的结构和工艺不断改进，各种LDMOS的衍生结构层出不穷，这给原本就非常复杂的LDMOS建模工作变得更加困难。然而一旦器件结构发生改变，器件模型必须得到修正。特别是新结构器件有新效应产生时，必须重新建立新模型，否则难以对器件的电学特性作出良好的预测，并指导集成电路设计。 本文通过对目前能够应用于高压功率器件的技术进行分析，提出了一种复合栅多阶梯场极板RESURF LDMOS器件结构。该器件的驱动电流，击穿电压，跨导、增益和截止频率等性能指标明显优于传统LDMOS结构，而且工艺上仍可以与标准CMOS工艺兼容，工艺复杂度增加不大，阈值电压的设计也更加容易。此外，该结构对小尺寸效应也有明显的抑制作用。 目前，针对上述特殊结构的LDMOS器件的物理机制研究较少，更不用说建立电学特性的模型。因此，本论文的工作是建立复合栅多阶梯场极板RESURFLDMOS基于物理的电学特性解析模型，在模型的基础上分析出器件的物理机制和优化设计方法，能够在不依赖测试结果的情况下预测该器件的电学特性，为该器件的设计服务，并为进一步获得适用于电路仿真程序的器件模型提供理论基础。鉴于以上原因，本论文开展了复合栅多阶梯场极板RESURF LDMOS的电学特性的研究工作，主要包括： 首先，通过一系列的MEDICI数值仿真数据分析出复合栅结构能够提高LDMOS电学性能的主要原因。仿真数据表明，复合栅功函数差引起的沟道阶梯电势和峰值电场是复合栅LDMOS与普通LDMOS之间的主要区别。根据这个结论，通过列写二维泊松方程，求解出含有LDMOS沟道杂质浓度梯度因子的表面电场和表面电势分布函数，在考察该电场分布特点的基础上，建立了复合栅LDMOS准二维的阈值电压解析模型，并通过仿真结果加以验证。该模型能够反映复合栅主要结构参数(双功函数差和双栅长度比例)对阈值电压的影响，为复合栅的优化设计提供依据，而且模型也说明复合栅结构在LDMOS中的应用可以有效地抑制短沟道效应和DIBL效应。 其次，从短沟道复合栅LDMOS饱和电流值始终大于普通LDMOS现象，以及经典电流模型直接移植到复合栅LDMOS器件上产生的误差出发，指出沟道电场峰值引起的载流子速度过冲是影响该器件电流特性的重要因素，提出了用扩展的漂移一扩散方程来描述复合栅LDMOS电流特性的方法，并结合沟道泊松方程给出其电流解析表达式。最后针对基于速度过冲模型，本文提出一个简单且直接嵌入现有电路仿真程序的复合栅LDMOS电流特性模型。 第三，尽管LDMOS器件结构多变，但是几乎所有的LDMOS漂移区都离不开RESURF原理的作用。电荷分享理论可以很好的解释RESURF原理对击穿电压的减少作用，并用于击穿电压的建模。但是现有的研究中缺少计算电荷分享因子的模型，都是用经验参数取而代之。这种经验参数缺少理论依据，适用应用范围比较小。本文建立了基于保角映射的RESURF漂移区中拐角区域电荷分享因子模型，应用到RESURF结构的击穿电压的计算中，并得到实验结果的验证。 最后，场极板是提高器件耐压性能的一种常见终端技术，多阶梯场极板在单阶梯场极板的基础上可以进一步提高器件的耐压性能。本文建立了RESURF技术和多阶梯场极板共同作用的LDMOS漂移区表面电势和电场模型，并在准二维的表面电场解析模型的基础上，对多阶梯场极板的长度设计进行优化。同时该模型可以反映漂移区主要参数对击穿电压的影响，为建立多阶梯场极板LDMOS的击穿电压模型提供了研究基础。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

声明

第1章绪言

1.1功率集成电路

1.2功率器件

1.3 LDMOS概述

1.3.1功率LDMOS的应用

1.3.2 LDMOS的特点与结构

1.3.3 LDMOS的研究现状

1.4应用于LDMOS结构中的新技术

1.4.1栅工程

1.4.2沟道工程和改进的RESURF技术

1.4.3其它终端技术

1.4.4 SOI和P埋层

1.5本课题的研究意义、任务和所做的工作

第2章复合栅LDMOS器件沟道电势分布及阈值电压模型

2.1复合栅LDMOS的结构与沟道电势分布模型

2.1.1工艺实现

2.1.2复合栅LDMOS的结构

2.1.3复合栅LDMOS沟道电势分布模型

2.2复合栅LDMOS阈值电压模型

2.2.1表面电势分析与阈值电压定义

2.2.2复合栅LDMOS阈值电压的建模

2.3器件模拟与模型验证

2.4本章小结

第3章复合栅LDMOS沟道电流解析模型

3.1基于扩展的漂移—扩散方程的复合栅LDMOS电流方程

3.1.1复合栅LDMOS沟道区的电荷平衡

3.1.2复合栅LDMOS电流特性

3.1.3复合栅LDMOS沟道导通态表面电势分布

3.2模型计算和分析

3.3载流子速度过冲效应

3.3.1源端的弱强阶梯电场近似模型

3.3.2复合双栅界面处的速度过冲模型

3.4本章小结

第4章基于电荷分享的RESURF原理和拐角电场分析

4 1 Single-RESURF原理

4.1.1 Single-RESURF结构的电荷平衡

4.1.2基于电荷分享的Single-RESURF原理

4.1.3拐角电场的研究

4.1.4电荷分享因子和横向有效空间电荷

4.1.5横向有效空间电荷与击穿电压

4.1.6参数η(BVlatj)和γ(BVlatj)分析

4.2 Double-RESURF原理

4.2.1 Double-RESURF结构的电荷平衡

4.2.2基于电荷分享的Double-RESURF原理

4.3计算结果与分析

4.4本章小结

第5章多阶梯场极板RESURF LDMOS漂移区表面电场解析模型

5.1几种结构的漂移区表面电场建模

5.1.1 Double-RESURF LDMOS结构

5.1.2多阶梯场极板参数的优化

5.1.3多阶梯场极板Double-RESURF LDMOS结构

5.2计算结果与讨论

5.3本章小结

第6章总结与展望

6.1本文研究的主要内容和创新点

6.2进一步的研究工作

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

攻读博士学位期间参加的科研项目

致谢