橫向集成高壓器件縱向摻雜分布優(yōu)化理論的研究.pdf

1、橫向雙擴(kuò)散MOS管(Lateral Double-diffusion MOS，LDMOS)作為橫向高壓器件的典型代表，因性能優(yōu)、成本低和易于集成等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于各種功率集成電路（Power Integrated Circuits, PIC）中。擊穿電壓和導(dǎo)通電阻之間的矛盾是LDMOS的核心矛盾，為了優(yōu)化這一矛盾國(guó)內(nèi)外眾多器件設(shè)計(jì)者針對(duì)漂移區(qū)結(jié)構(gòu)和工藝實(shí)現(xiàn)技術(shù)做了很多改進(jìn)，LDMOS正由同型摻雜的Single RESURF（S-RESU

2、RF）結(jié)構(gòu)逐漸向異型摻雜的Double RESURF（D-RESURF）、Triple RESURF（T-RESURF）及雙導(dǎo)層（Dual Conduction Layer, Dual-CL）等結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。然而，已有的關(guān)于同型摻雜漂移區(qū)器件的理論研究大都基于均勻摻雜漂移區(qū)近似，沒(méi)有考慮到漂移區(qū)縱向摻雜分布的多樣性；同時(shí)對(duì)于異型摻雜漂移區(qū)器件，由于漂移區(qū)耗盡情況的復(fù)雜性使得理論研究進(jìn)展緩慢，所以建立一個(gè)統(tǒng)一的理論來(lái)幫助分析漂移區(qū)縱向摻雜分布

3、對(duì)器件性能的影響及指導(dǎo)橫向高壓器件縱向摻雜分布的優(yōu)化設(shè)計(jì)顯得十分必要。
　　本文圍繞橫向高壓器件漂移區(qū)縱向摻雜分布，從理論模型、物理機(jī)理和標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝實(shí)現(xiàn)幾方面進(jìn)行研究。建立了漂移區(qū)同型摻雜體硅/SOI橫向高壓器件的全域耐壓模型并提出了漂移區(qū)等效摻雜濃度的概念；建立了漂移區(qū)異型摻雜的體硅T-RESURF器件和雙導(dǎo)層SOI器件的耐壓模型；提出了橫向高壓器件縱向摻雜分布優(yōu)化理論并推出了考慮縱向摻雜分布影響的器件優(yōu)值；在上述理論模型

4、的指導(dǎo)下，進(jìn)行了漂移區(qū)同型摻雜和異型摻雜LDMOS的設(shè)計(jì)與研制。
　　第一，漂移區(qū)同型摻雜橫向高壓器件全域耐壓模型。提出了離散法、連續(xù)法和等效襯底電壓法三種對(duì)任意縱向摻雜漂移區(qū)二維泊松方程降維的方法，引出了漂移區(qū)等效雜質(zhì)濃度的概念，將任意縱向摻雜分布的漂移區(qū)等效為均勻摻雜的漂移區(qū)來(lái)處理，由此建立了任意縱向摻雜分布橫向高壓器件在完全耗盡和不完全耗盡情況下的場(chǎng)勢(shì)分布模型和擊穿電壓模型，然后將其應(yīng)用于均勻、高斯、階梯和線性分布的同型摻雜

5、漂移區(qū)結(jié)構(gòu)的分析。導(dǎo)出了適用于任意縱向漂移區(qū)雜質(zhì)分布的廣義RESURF判據(jù)，以及各種常見(jiàn)分布的最優(yōu)濃度分布表達(dá)式，數(shù)值仿真和解析模型都表明無(wú)論采用何種縱向雜質(zhì)分布，要獲得最高的擊穿電壓必須具有相同的漂移區(qū)等效摻雜濃度。
　　第二，漂移區(qū)異型摻雜橫向高壓器件耐壓模型。通過(guò)對(duì)漂移區(qū)進(jìn)行分區(qū)并借助等效摻雜濃度的概念，分別建立了具有均勻摻雜P埋層、線性摻雜P埋層的體硅T-RESURF器件和雙導(dǎo)層SOI器件的二維場(chǎng)勢(shì)分布模型，然后借助該模型

6、研究了P埋層對(duì)電場(chǎng)分布的改變機(jī)制，給出了漂移區(qū)濃度優(yōu)化區(qū)DOR（Doping Optimal Region）和線性摻雜P埋層濃度分布的理論優(yōu)化公式，建立了考慮N-top層、P埋層和N漂移區(qū)影響的雙導(dǎo)層結(jié)構(gòu)SOI高壓器件的擊穿電壓矩陣方程，給出了完全適用于S-RESURF、T-RESURF和Dual-CL器件的統(tǒng)一RESURF判據(jù)，為所有的三層漂移區(qū)器件、雙層漂移區(qū)器件和單層漂移區(qū)器件的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。
　　第三，橫向高壓器件縱

7、向摻雜分布的優(yōu)化設(shè)計(jì)?；谌我饪v向摻雜分布橫向高壓器件的二維耐壓模型推出了器件的最優(yōu)擊穿電壓，對(duì)漂移區(qū)電阻進(jìn)行了理論建模，由此提出了橫向高壓器件的FOM（Figure Of Merit）優(yōu)值來(lái)評(píng)價(jià)縱向摻雜分布的改變對(duì)擊穿和導(dǎo)通性能折衷關(guān)系的優(yōu)化效果。理論分析和二維數(shù)值模擬都表明不管是體硅還是 SOI結(jié)構(gòu)，對(duì)于優(yōu)化的RESURF器件而言，如果漂移區(qū)全部為同型摻雜，那么器件的FOM優(yōu)值與縱向摻雜分布無(wú)關(guān)。要想提高 FOM優(yōu)值以優(yōu)化擊穿電壓與

8、導(dǎo)通電阻的矛盾關(guān)系，漂移區(qū)中可以引入異型摻雜層，如T-RESURF結(jié)構(gòu)。
　　第四，0.18μm CMOS工藝的LDMOS的設(shè)計(jì)與研制。在上述理論模型的指導(dǎo)下，深入分析0.18μm CMOS工藝的工藝特點(diǎn)，在不改變工藝條件和工藝順序，只適當(dāng)修改版圖形狀的情況下，設(shè)計(jì)了漂移區(qū)同型摻雜的N阱LDMOS和漂移區(qū)異型摻雜的P-top層N阱LDMOS兩種橫向高壓器件，工藝仿真和性能仿真證明了0.18μm完全CMOS工藝研制高壓LDMOS的可