新型沟槽及全耗尽型超结埋层结构LDMOS特性研究

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横向双扩散功率MOS(Lateral Double-diffusion MOS,简称LDMOS)的电极都集中在器件的表面,相比于VDMOS,更易与集成电路工艺相兼容。因此,随着功率集成电路(Power Integrated Circuit,简称PIC)的发展,具有高阻抗输入和高转换速度的LDMOS器件将会在功率器件领域占据更为重要的地位。不过,在功率LDMOS器件中,器件的比导通电阻与击穿电压存在2次方的矛盾关系,严重制约了LDMOS器件的发展。此外,应用于高低压集成的横向高压LDMOS器件需要具有很薄的外延层,而薄的外延层会导致LDMOS器件的纵向耐压受限,当漂移区达到一定长度时,即使再增长漂移区的长度,器件的耐压水平也得不到明显提高。基于上述问题,本文提出了能够缓解矛盾关系的填氧型沟槽新型双栅LDMOS(OT-DGLDMOS)结构,以及能够提高器件纵向耐压水平的全耗尽型超结埋层LDMOS(SJBL-LDMOS)结构。本文的创新工作包括两个方面。1、提出了填氧型沟槽新型双栅LDMOS(OT-DGLDMOS)结构。新结构是在RESURF LDMOS器件的漂移区新引入沟槽,并且在器件的垂直方向多增加一个栅电极。Si O2介质沟槽使得新结构的漂移区在纵向方向发生折叠,增大了新结构的有效漂移区总长度,提高了器件的耐压。根据RESURF效应,由于SiO2介质沟槽占用了漂移区一部分面积,新型OT-DGLDMOS器件的漂移区浓度得到了优化,从而降低了器件的导通电阻。此外,新型OT-DGLDMOS结构在垂直方向上多增加了一个栅电极,即在垂直方向多形成了一个导电沟道。相比于单栅LDMOS结构,双栅结构的电子注入能力明显更好,当器件处于导通状态时,栅极对电流的控制作用也更强,这一系列都将导致器件导通电阻的降低。通过仿真软件ISE仿真分析表明,当漂移区为3.5μm时,新型OT-DGLDMOS结构的击穿电压为128V,比导通电阻为2.30mΩ.cm2,相比于常规LDMOS,击穿电压提高了47%,比导通电阻减少了15%。而对比相同尺寸的单栅沟槽LDMOS,新型OT-DGLDMOS的比导通电阻降低了50%。2、提出了全耗尽型超结埋层LDMOS(SJBL-LDMOS)结构。相比于常规RESURF LDMOS,SJBL-LDMOS结构在器件的漏极下端多增加了一个由纵向超结构成的辅助耗尽层。一方面,超结埋层中的P柱与漏端所形成的PN结使得漂移区的耗尽层沿着器件的衬底方向延伸。另一方面,超结埋层中的N柱和P柱会相互耗尽,使得漂移区的耗尽层得以延伸。因此,超结埋层能够极大改善SJBL-LDMOS结构的纵向击穿特性。在SJBL-LDMOS结构中,超结埋层对器件击穿特性的影响主要体现在三个方面。首先,超结埋层能够扩大器件的纵向耗尽区,提高器件的纵向耐压水平;其次,由于电荷耦合效应,超结埋层能对SJBL-LDMOS结构的表面电场进行调制,提高器件的横向耐压水平;最后,超结埋层还能够有效调制器件的纵向电场,优化SJBL-LDMOS结构的纵向电场分布,进而提高SJBL-LDMOS结构的纵向击穿电压。通过ISE-TCAD仿真软件分析表明,当漂移区都为70μm时,SJBL-LDMOS结构的击穿电压为812V,相较于常规RESURF LDMOS的击穿电压465V,提高了75%。
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