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随着功率集成电路应用领域的不断扩大,BCD工艺所受到的关注日益增加。BCD工艺用于单片集成工艺,其设计过程中除涉及包括高压和低压的Bipolar、CMOS、DMOS、二极管等有源器件,还会涉及各类电容电阻等多种器件。因此,不同于分立器件制造工艺,BCD工艺需对单片集成的各类器件综合考虑,在具体的设计制造当中,需兼顾各类器件的制造工艺及参数。同时,在实际工艺制造中,该工艺需在符合设计要求的前提下尽量减少掩模板的数量,从而提高集成电路产品的性价比。而在研发设计中,相对于低压CMOS部分,高压DMOS更具挑战性和实际意义。与晶体管相比,LDMOS(横向扩散金属氧化物半导体)在关键的器件特性方面,如增益、线性度、开关性能、散热性能以及减少级数等方面具有明显优势,且更易与CMOS工艺兼容。并且,高压LDMOS满足耐高压、实现功率控制等方面的要求,因此常用于高压功率集成电路,如射频功率电路。LDMOS的击穿电压和导通电阻是器件设计者考虑的关键因素,也是设计中难以逾越的障碍,因为传统的LDMOS结构无法突破这二者之间的折中矛盾。因此,为了进一步提高器件性能,必须寻找新的器件结构和优化技术来降低甚至消除这种折中矛盾,控制设计中的风险。
本文就BCD工艺中的LDNMOS器件的设计和优化进行研究。研究结果不仅结合了BCD工艺与LDMOS的优势,而且有效解决了击穿电压和导通电阻这二者间的矛盾。特点是在集成工艺中使用了金属场板结构,而这种结构通常多用于600V以上的分立器件中。在集成工艺中引入此种结构,可在获得高击穿电压的同时,保持导通电阻基本不变。
本文基于标准的0.35μm BCD工艺,运用美国Synopsys公司的工艺与器件模拟软件Synopsys Tcad Sentaurus,在改变部分关键尺寸及工艺参数的条件下,进行器件工艺过程的模拟。同时,对于其击穿电压和导通电阻等性能参数进行仿真计算,结合实验测试结果,进行数据分析,对现有的高压60V LDNMOS进行设计与优化并最终确定器件结构。另外,为了提高高压器件的应用范围,本文尝试运用降低器件表面电场、调整场极板及漂移区线性掺杂等当今成熟的LDMOS器件优化技术,在高压60v器件基础上提高其击穿电压。整个优化过程通过器件尺寸的微调及简单的结构变化来实现,从而在获得良好器件性能的同时,降低了生产成本。
最终实际流片测试结果表明,所有器件指标均达到了预期目标,很好地达到了设计与优化的目的。