一種適用于射頻集成電路的抗擊穿LDMOS設(shè)計(jì)

摘要：提出了一種具有深阱結(jié)構(gòu)的RF LDMOS，該結(jié)構(gòu)改善了表面電場(chǎng)分布，從而提高了器件的擊穿電壓。通過silvaco器件模擬軟件對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證，并對(duì)器件的摻雜濃度、阱寬、阱深、柵長(zhǎng)進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果表明，在保證LDMOS器件參數(shù)不變的條件下，采用深阱工藝可使其擊穿電壓提升50％以上。
關(guān)鍵詞：LDMOS；擊穿電壓；漂移區(qū)；雪崩擊穿

    LDMOS (Lateral Diffused MetalOxide Semicon-ductor Transistor)以其高功率增益、高效率及低成本等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通信基站、雷達(dá)、導(dǎo)航等領(lǐng)域。射頻大功率LDMOS由于具有P、L波段以上的工作頻率和高的性價(jià)比，已成為3G手機(jī)基站射頻放大器的首選器件。
    隨著IC集成度的提高及器件特征尺寸的減小，柵氧化層厚度越來越薄，其柵的耐壓能力顯著下降，擊穿電壓是射頻LDMOS器件可靠性的一個(gè)重要參數(shù)，它不僅決定了其輸出功率，它還決定了器件的耐壓能力，因此必須要采取措施以提高器件的擊穿電壓。
    本文將在基本LDMOS的基礎(chǔ)上，通過器件結(jié)構(gòu)的改進(jìn)來提高LDMOS的抗擊穿能力。

1 LDMOS耐壓特性
    如圖1所示，LDMOS最主要的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是采用雙擴(kuò)散技術(shù)，在同一窗口進(jìn)行磷擴(kuò)散，溝道長(zhǎng)度由兩種擴(kuò)散的橫向結(jié)深決定。LDMOS中產(chǎn)生的擊穿形式有柵絕緣層擊穿和漏源擊穿。

    LDMOS高壓器件是多子導(dǎo)電器件，由于漂移區(qū)將漏區(qū)與溝道隔離，Vds絕大部分降落在漂移區(qū)上，基本上沒有溝道調(diào)制，所以當(dāng)Vds增大時(shí)，輸出電阻不下降。并且柵電極和漏區(qū)不重迭，從而提高了漏源擊穿電壓。
    影響LDMOS耐壓性能的因素很多，本文將從埋層、漂移區(qū)摻雜濃度、襯底摻雜濃度3方面進(jìn)行分析各參數(shù)對(duì)其耐壓性能的影響。
1．1 影響LDMOS耐壓性能的主要參數(shù)
1．1．1 埋層
    在P襯底用離子注入法注入N型埋藏層(NBL)，一方面，NBL與P襯底以及N+摻雜區(qū)形成寄生三極管，當(dāng)有電壓加在LDMOS器件的漏極時(shí)，可利用寄生三極管形成電流放電路徑，并且添加的N型埋層可以增加雜質(zhì)的摻雜濃度，減小其內(nèi)部電阻，從而更利于釋放電流。另一方面，NBL可以降低溝道附近的等位線曲率提高擊穿電壓，其電中性作用使漂移區(qū)的優(yōu)化濃度提高，導(dǎo)通電阻降低，改善了漏極擊穿特性。
1．1．2 漂移區(qū)摻雜濃度
    漂移區(qū)是LDMOS和MOS器件結(jié)構(gòu)的主要差異之一，也正是由于低摻雜漂移區(qū)的存在使LDMOS擊穿電壓比傳統(tǒng)MOS高很多。漂移區(qū)長(zhǎng)度、深度和濃度對(duì)擊穿電壓的影響很大，一般說來，漂移區(qū)長(zhǎng)度越長(zhǎng)，LDMOS擊穿電壓越高，但是當(dāng)漂移區(qū)長(zhǎng)度增加到一定值時(shí)，其擊穿電壓隨著漂移區(qū)長(zhǎng)度的變化逐漸變緩。擊穿電壓隨漂移區(qū)濃度的增大先增大后減小。
1．1．3 襯底摻雜濃度
    襯底摻雜濃度的大小對(duì)擊穿電壓影響較大。由于pn結(jié)一邊或者兩邊摻雜濃度較低時(shí)，雪崩擊穿是pn結(jié)主要的擊穿機(jī)制，LDMOS的一次擊穿是主要集中在漏極處的雪崩擊穿，在一定范嗣內(nèi)，襯底濃度越小，與漏極形成的反向PN結(jié)的勢(shì)壘寬度越寬，碰撞倍增次數(shù)越多，雪崩擊穿也就越容易發(fā)生，擊穿電壓就越低。
1．2 提高LDMOS擊穿電壓現(xiàn)有的技術(shù)
    目前，利用器件結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)，進(jìn)而提高LDMOS擊穿電壓的方法主要有：RESURF技術(shù)、漂移區(qū)變摻雜、加電阻場(chǎng)極板、內(nèi)場(chǎng)限環(huán)等技術(shù)。
    RESURF技術(shù)：其基本原理是選擇適當(dāng)?shù)钠茀^(qū)摻雜濃度和厚度，控制漂移區(qū)表面的二維電場(chǎng)，使擊穿發(fā)生在體內(nèi)從而達(dá)到高擊穿電壓的目的。通過降低漂移區(qū)摻雜，在溝道和漂移區(qū)結(jié)的電場(chǎng)尚未達(dá)到臨界電場(chǎng)之前，利用P-襯底和N-漂移區(qū)的pn結(jié)將漂移區(qū)耗盡，增大了耗盡區(qū)邊界的曲率半徑，從而提高了擊穿電壓。
    漂移區(qū)變摻雜：通過表面摻雜濃度的階梯變化，在漂移區(qū)中部引入新的電場(chǎng)峰值，提高漂移區(qū)中部電場(chǎng)，且較高的摻雜位于表面，降低導(dǎo)通電阻的同時(shí)改善表面電場(chǎng)分布。
    加電阻場(chǎng)極板：在漂移區(qū)上方形成電阻場(chǎng)板，電阻場(chǎng)板產(chǎn)生均勻分布的垂直電場(chǎng)施加于漂移區(qū)中，與水平電場(chǎng)交疊，使漂移區(qū)電場(chǎng)分布也均勻化，降低了電場(chǎng)強(qiáng)度，從而提高了擊穿電壓。
    內(nèi)場(chǎng)限環(huán)技術(shù)：在N-漂移區(qū)中插入P型區(qū)域，在漂移區(qū)內(nèi)形成內(nèi)場(chǎng)限壞時(shí)，內(nèi)場(chǎng)限壞耗盡區(qū)的電場(chǎng)與表面電場(chǎng)方向相反，增大了柵場(chǎng)耗盡區(qū)的有效曲率半徑，從而提高了器件耐壓。
    總體而言，RESURF技術(shù)無需增加額外的工藝，但須對(duì)襯底摻雜濃度、N阱摻雜濃度和N阱的厚度以及區(qū)域進(jìn)行控制，精確度要求較高。漂移區(qū)變摻雜技術(shù)和加電阻場(chǎng)極板工藝步驟較復(fù)雜，不利于電路的集成。內(nèi)場(chǎng)限環(huán)技術(shù)需受到漂移區(qū)寬度及深度的限制，一般適用于漂移區(qū)較深，且濃度較高的LDMOS器件中。

2 LDMOS抗擊穿設(shè)計(jì)
    LDMOS器件的擊穿電壓主要集中在漏極處，此處的電場(chǎng)較集中，電場(chǎng)越集中，器件越容易擊穿，因此，為了提高器件的擊穿電壓，可減弱其電場(chǎng)強(qiáng)度。
    LDMOS器件工作時(shí)，柵極的末端存在一個(gè)峰值電場(chǎng)，為了減小其表面電場(chǎng)強(qiáng)度，可在漂移區(qū)引入阱結(jié)構(gòu)。圖3為具有阱結(jié)構(gòu)的LDMOS結(jié)構(gòu)圖，圖4為其相應(yīng)的silvaco模擬仿真圖。

    阱結(jié)構(gòu)可以是一個(gè)無任何介質(zhì)的深槽，深槽的作用主要是從物理結(jié)構(gòu)上改變器件的電場(chǎng)強(qiáng)度分布，減弱柵極末端的電場(chǎng)集中。為了進(jìn)一步改善器件的電場(chǎng)分布，可在阱結(jié)構(gòu)中填充低介電常數(shù)的絕緣介質(zhì)。阱中低介電常數(shù)的介質(zhì)一方面截?cái)嗥骷那娼Y(jié)，消除電場(chǎng)集中：另一方面抑制了平面工藝的橫向擴(kuò)散，可承受更高的峰值電場(chǎng)。
    Si、SiC、SiO2、GaAs的相對(duì)介電常數(shù)分別為11．6、10．0、3．9、13．1。相對(duì)而言，SiO2具有低的介電常數(shù)，適合填充在LDMOS的深阱結(jié)構(gòu)中。
    保持LDMOS器件摻雜濃度、柵長(zhǎng)、阱寬等參數(shù)不變，如圖5所示。new0.Log、new1.Log、new2.Log分別代表基本LDMOS、有深槽的LDMOS以及完全填入SiO2的深阱的LDMOS漏極V／I仿真曲線。本文采用的深阱結(jié)構(gòu)其阱寬和阱深都為0．5μm，從圖5中可以看出，由于深槽的作用，LDMOS擊穿電壓提高了10 V，當(dāng)進(jìn)一步在深槽中填入SiO2時(shí)，其擊穿電壓可再次提高12 V。通過對(duì)比分析可以說明，采用阱結(jié)構(gòu)技術(shù)可以明顯提高器件的抗擊穿能力。

    通過進(jìn)一步仿真實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，器件耐壓性能與阱寬及阱深的尺寸有關(guān)。保持漂移區(qū)長(zhǎng)度不變，阱寬為固定值0．5μm，圖6為不同長(zhǎng)度阱深對(duì)應(yīng)的器件擊穿電壓曲線。從圖6中可以看出，隨著阱深的加大，器件的抗擊穿能力加強(qiáng)，這是由于阱深越大，耗盡區(qū)俞難越過阱區(qū)，且體硅中承受的最大電場(chǎng)的范圍越大，LDMOS的耐壓就越高。

    同樣，保持漂移區(qū)長(zhǎng)度不變，阱深為固定值0．5μm，圖7為不同長(zhǎng)度阱寬對(duì)應(yīng)的器件擊穿電壓曲線。擊穿電壓隨著阱寬的增加反而減小，這是因?yàn)橼鍖挼脑黾邮沟闷茀^(qū)長(zhǎng)度減小，總的耐壓也就隨之減小。

    選擇適當(dāng)?shù)内鍖捈摆迳?，在阱中摻雜低介電常數(shù)介質(zhì)，如SiO2，通過優(yōu)化器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以得到擊穿電壓的最大值。
    采用此深阱結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)點(diǎn)是工藝方法簡(jiǎn)單有效，并且可利用深阱的寬度和深度以及深阱中填入何種介質(zhì)或填入介質(zhì)的多少來控制LDMOS的擊穿電壓，在實(shí)際工藝操作過程中可控性強(qiáng)。

3 結(jié)論
    LDMOS擊穿電壓易發(fā)生在柵極末端，器件襯底上添加埋層可以降低溝道附近的等位線曲率從而提高其擊穿電壓。漂移區(qū)將漏區(qū)與溝道隔離，抑制了器件的溝道調(diào)制，在一定摻雜范圍內(nèi)，漂移區(qū)濃度越低，擊穿電壓越高。襯底濃度越低，雪崩擊穿越容易發(fā)生，擊穿電壓就越低。本文采用的深阱結(jié)構(gòu)主要為了減小柵極末端的電場(chǎng)強(qiáng)度，消除電場(chǎng)集中，進(jìn)而提高其抗擊穿能力。
    另外，由于柵極界面存在電荷，柵末端的峰值電場(chǎng)隨柵長(zhǎng)的增加而增加，為了抑制峰值電場(chǎng)集中導(dǎo)致器件的擊穿，柵長(zhǎng)不宜較長(zhǎng)。漂移區(qū)長(zhǎng)度可適當(dāng)加大，阱深可盡量取較大值，結(jié)合器件摻雜濃度，最終可使射頻LDMOS的抗擊穿能力達(dá)到最優(yōu)。
    文中設(shè)計(jì)的LDMOS器件主要是在耐壓特性上做了改進(jìn)，相對(duì)于RESURF技術(shù)、漂移區(qū)變摻雜、加電阻場(chǎng)極板、內(nèi)場(chǎng)限環(huán)等技術(shù)而言，具有工藝簡(jiǎn)單，可控性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。其較高的抗擊穿能力可適用于射頻集成電路，如移動(dòng)通信基站。當(dāng)然，若將此器件應(yīng)用于基站，還需要考慮射頻LDMOS的其它電學(xué)特性，使器件的各個(gè)參數(shù)達(dá)到作為基站功率放大器的要求。