复合多晶硅栅LDMOS器件的结构设计与电学特性分析

摘要

近年来，随着以蜂窝式移动通信为主的通信市场爆炸式的增长，人们对于性能优异的RF LDMOS器件的需求越来越广泛，例如通讯基站使用的发射放大器，其工作频率在900MHz到2.4GHz之间，工作电压在30V左右。对于射频LDMOS器件，除了电流电压特性方面的要求外，还对器件在频率方面提出了更高的要求，所以，在设计新的应用于通讯IC的LDMOS器件时，必须在高压和高频两方面进行考虑。基于以上两点的考虑，本文提出了一种复合多晶硅栅(DMG，DualMaterial Gate)LDMOS，这种结构同时改善了LDMOS的高压与高频特性，适用于射频放大电路。 本文首先介绍了LDMOS在射频领域中的应用和其具有的优势，接着介绍了LDMOS的器件结构和特性，然后针对当前改善LDMOS特性所采取的主要手段，介绍了几种具体的LDMOS结构，并比较了其主要性能参数。 本文提出的DMG-LDMOS结构采用了栅工程的概念，所设计的栅由S-gate和D-gate两块并列组成，S-gate用高功函数p<'+>多晶硅，D-gate用低功函数n<'+>多晶硅。在复合多晶硅栅的实现工艺上，本文采用了一种补偿注入的方法，只需利用一块S-gate掩模板就可形成复合栅电极结构，工艺简单可行，同时，本文利用工艺模拟软件Tsuprem4对DMG-LDMOS器件进行了工艺模拟，并给出了简明工艺流程。 阈值电压是MOS器件的重要参数之一，为了使电路模拟软件能够正确模拟电路的特性，建立精确的阈值电压模型是非常重要的。由于DMG-LDMOS的栅电极由掺杂类型和浓度不同的多晶硅材料构成，而且沟道是非均匀掺杂，因此很难通过解泊松方程来求阈值电压的解析模型。本文通过MEDICI模拟软件分析了DMG-LDMOS的阈值电压与复合栅长度比例、功函数差之间的关系，并在普通LDMOS阈值电压模型的基础上建立了含有经验参数的DMG-LDMOS的阈值电压模型，模型中的参数与衬底材料、复合栅结构与材料有关。将模型的计算结果与MEDICI的模拟数据进行了比较，两者的误差很小，说明该模型可以精确地描述DMG-LDMOS的阈值电压，在电路模拟中有一定的参考价值。 在对DMG-LDMOS器件直流、交流特性的研究过程中，通过仿真软件MEDICI的模拟结果表明，由于S-gate和D-gate分别由低功函数的n<'+>多晶硅与高功函数的p<'+>多晶硅构成，因此在复合栅的界面处会产生一个阶梯电势和一个峰值电场，在这个峰值电场的作用下DMG-LDMOS的载流子在沟道区的平均速度增大，从而提高了器件的跨导与截止频率；另外这个阶梯电势使的器件的表面电场分布更加均匀，可以在导通电阻变化不大的情况下提高击穿电压；同时这个阶梯电势对漏端电场峰值起到屏蔽的作用，从而减小了热电子效应，增加了器件的使用寿命。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章引言

§1.1课题的研究意义

§1.2 LDMOS器件简介

§1.2.1 LDMOS的结构与特性

§1.2.1 LDMOS结构和特性改的进方法

§1.3本文的主要工作

第二章DMG-LDMOS器件的结构设计与关键工艺的实现

§2.1 DMG-LDMOS器件的结构设计

§2.1.1复合栅电极的结构设计

§2.1.2场极板的结构设计

§2.1.3漂移区RESURF原理设计

§2.2 DMG-LDMOS器件的工艺设计

§2.1.1金属异质栅电极实现工艺

§2.1.2复合多晶硅栅电极实现工艺

§2.1.3 DMG-LDMOS器件的工艺流程

§2.3本章小结

第三章DMG-LDMOS阈值电压的分析与建模

§3.1 DMG-LDMOS阈值电压的模拟与分析

§3.1.1 DMG-LDMOS阈值电压与Lg1/Lg2的关系

§3.1.2 DMG-LDMOS阈值电压与复合栅功函数差的关系

§3.2 DMG-LDMOS阈值电压的经验模型

§3.2.1普通LDMOS阈值电压模型

§3.2.2 DMG-LDMOS阈值电压的经验模型

§3.3本章小结

第四章DMG-LDMOS电学特性分析

§4.1DMG-LDMOS直流特性分析

§4.1.1 DMG-LDMOS电势与电场分布

§4.1.2 DMG-LDMOS载流子速度分布

§4.1.3 DMG-LDMOS导通电阻与击穿电压

§4.2DMG-LDMOS交流特性分析

§4.2.1 LDMOS频率特性简介

§4.2.2 DMG-LDMOS跨导特性

§4.2.3 DMG-LDMOS电容特性

§4.2.4 DMG-LDMOS截止频率

§4.3本章小结

第五章总结

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文