N-P RESURF LDMOS器件的性能研究

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横向双扩散金属氧化物半导体(Lateral Double-diffused Metal-Oxide-Semiconductor,LDMOS)器件具有易于与标准CMOS工艺兼容、高增益、开关速度快等优点,广泛应用于功率集成电路中。当LDMOS器件作为开关器件应用时,关态时需承受高的击穿电压(Breakdown Voltage,BV),开态时要具有较小的比导通电阻(Specific On-Resistance,Ron,sp)。但是,随着关态BV的不断增加,其开态Ron,sp也不断增大,导致导通损耗不断增大。因此,提高LDMOS器件的BV,同时降低其Ron,sp成为研究的重要内容。本文提出了一种N-P RESURF(Reduced Surface Field,RESURF)LDMOS结构,该结构是在传统的Triple RESURF LDMOS结构的基础上,在P-TOP层旁边加入P-TOP环(统称为P-Buried Layer,PBL),然后在PBL上加入N-TOP层和N-TOP环(统称为N-Buried Layer,NBL)。通过加入P-TOP环扩大P-TOP层与漂移区(N-WELL)形成的横向PN结的曲率半径,以降低P-TOP层与N-WELL形成的横向PN结处的电场峰值,达到提高BV的目的;通过在PBL上面加入NBL来增加表面导通通道的多数载流子浓度,使Ron,sp降低。本文的主要研究内容如下:1.设计了具有P-TOP环的Triple RESURF LDMOS结构,并利用仿真软件Sentaurus TCAD研究了场氧化层长度、靠近源极的P-TOP层到DPW/N-WELL结的距离、P-TOP环到N-WELL/N+结的距离、P-TOP层与P-TOP环的距离、P-TOP环的长度、PBL的离子注入能量和注入剂量结构参数对BV和Ron,sp的影响规律。仿真结果表明,在最优结构参数下,所设计的P-TOP环Triple RESURF LDMOS结构的BV和Ron,sp分别为556 V和8.45Ω·mm~2,与传统的Triple RESURF LDMOS结构相比,Ron,sp近似相等,但是,BV提高了30 V。2.为了进一步降低上述结构的Ron,sp,在PBL上加入N-TOP层和N-TOP环,形成N-P RESURF LDMOS结构,研究了NBL的离子注入剂量DNBL和离子注入能量ENBL对BV和Ron,sp的影响规律;为了降低表面电场峰值,将场板技术和RESURF技术结合,研究了场板长度对BV的影响。仿真结果表明,随着DNBL的增大,Ron,sp逐渐降低,而BV先保持不变后逐渐降低,这是因为DNBL的增大,使器件表面通路的电流密度增加,使Ron,sp降低,当DNBL较小时,漂移区中的P型和N型杂质的电荷处于平衡状态,随着DNBL的增大,N型杂质的电荷逐渐增多,导致BV降低;随着ENBL的增大,Ron,sp缓慢增大,BV逐渐降低,原因是随着ENBL增大,NBL和PBL之间的电荷补偿增多,使NBL层的掺杂剂量降低,从而使Ron,sp增大,同时也破坏了漂移区的电荷平衡,使BV逐渐降低;随着场板长度增加,BV先增大后降低。通过上述结构参数的研究,最终获得了最优的BV和Ron,sp分别为579 V和7.42Ω·mm~2。将这一仿真结果与传统的Triple RESURF LDMOS器件进行对比,加入P-TOP环后降低了P-TOP层与N-WELL所形成的PN结处的电场峰值,在P-TOP环与N-WELL形成的PN结处引入新的电场峰值,使表面电场分布更加均匀,从而使BV提高了53 V,由于NBL的加入增大了表面电流密度,使Ron,sp降低了1.18Ω·mm~2。3.为了验证仿真的结果,设计了N-P RESURF LDMOS器件的版图结构,并利用中芯国际0.35μm HVBCD(High Volgate Bipolar-CMOS-DMOS)工艺平台进行流片。对器件进行测试,测试结果表明,在最优的结构参数下,阈值电压、BV和Ron,sp分别为1.05 V、564 V和7.47Ω·mm~2,测试结果与模拟的结果相符合,满足设计要求。通过将这一结果与同等级电压的器件进行对比,发现所提出的N-P RESURF LDMOS结构可以有效地降低导通损耗。
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