基于电场调制的高压LDMOS器件设计与研究

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横向双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管(lateral double-diffused metal-oxide-semiconductor field effect transistor,LDMOS)作为一种典型的功率器件,凭借其共面电极易于集成的特点,被广泛应用于汽车电子、电源管理、照明驱动等领域。纵观LDMOS的发展历程,更高的击穿电压(breakdown voltage,BV)以及更低的比导通电阻(specific on-resistance,Ron,sp)一直是人们所追求的目标。但是BV和Ron,sp是一对矛盾关系,提高LDMOS击穿电压的同时往往伴随着比导通电阻的增大。迄今为止,国内外学者已提出多种理论与技术来缓解BV和Ron,sp的矛盾,如场板技术、超结技术、降低表面场(reduced surface field,RESURF)技术以及线性掺杂技术等。究其根本,均是通过调制LDMOS内部的电场分布以提升器件的击穿电压,而不显著改变比导通电阻。本文基于电场调制的理念,在二维器件结构与三维版图布局两方面着手,分别设计了两种新型的LDMOS器件。借由Sentaurus仿真软件,对新器件内部的电场分布及工作原理进行了详细研究,通过工艺流程设计与版图绘制对器件进行了流片与测试分析。本文的主要研究内容如下。一、提出了一种具有分段P buried层的Triple-RESURF LDMOS(Segmented Triple-RESURF LDMOS,SETR LDMOS)器件结构。该器件将传统Triple-RESURF LDMOS(TR LDMOS)中漂移区体内单一P buried层靠近漏端一侧的部分划分为等间距的多段P buried层结构。一方面,在器件BV由横向耐压所决定时,分段的P buried层结构可以有效防止LDMOS在耐压状态下漏端一侧的P型浓度过高而对N well产生耗尽的现象,从而降低漏端一侧的表面电场峰值;同时,也能很好地抑制漏端底部衬底对漂移区较强的衬底辅助耗尽效应,进一步优化阻断状态下的电荷分布,从而达到电场调制的最优效果;另一方面,分段的P buried层结构可实现纵向耐压结曲率半径的增大,调制LDMOS的纵向电场分布,显著提高器件的纵向耐压。通过实际工艺流片与测试,得到了SETR LDMOS器件的最优尺寸参数。在两种器件漂移区均为63μm的前提下,采用分段P buried层结构的SETR LDMOS击穿电压可达813 V,比传统TR LDMOS的耐压(约762 V)提高了6.69%,而比导通电阻(约7.3Ω·mm~2)并未发生明显改变。二、提出了一种基于终端优化的Triple-RESURF LDMOS(terminal-optimized Triple-RESURF LDMOS,TOTR LDMOS)器件结构。该器件将漂移区内Deep N-well部分区域进行切除,取而代之为低掺杂浓度的P--区域。这种改进既可以缓解器件终端区域耐压结处低曲率半径带来的强电场现象,也能够实现突变耐压结向缓变结的转变,有效提高终端区域的击穿电压,从而使器件直道部分(器件的主要工作区域)良好的性能得以体现。Sentaurus仿真结果表明,优化后的TOTR LDMOS结构在终端区域具有更为平坦的电场分布,漏端一侧的尖峰电场也得到了明显的抑制,与传统LDMOS相比,明显改善了终端区域易击穿的问题。经流片验证,TOTR LDMOS的击穿电压可达817 V,比优化前传统TR LDMOS的击穿电压(约775 V)提升了8%。此外,由于终端区域在器件正常工作状态下并不会提供电流传输路径,所以终端区域的优化并不会对比导通电阻造成任何影响,即TOTR LDMOS依然可以实现6.99Ω·mm~2的低比导通电阻。综上所述,两款新型高压LDMOS器件在700 V控制电路中可表现出优异的性能。
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