基于RESURF技术的pLDMOS设计和研究

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横向MOS(Metal Oxide Semiconductor)器件是集成电路中的主要功率器件。横向MOS器件按照沟道掺杂类型又可分为nLDMOS(n-channel Lateral Double-diffused MOS)和pLDMOS(p-channel LDMOS)。常规pLDMOS器件由于衬底和漂移区掺杂类型相同而不存在RESURF(REduced SURface Field)效应,器件耐压BV(Breakdown Voltage)很低。由于作为pLDMOS器件多数载流子的空穴的迁移率较低,导致比导通阻Ron,sp(specific on-Resistance)很高。因此,常规pLDMOS器件存在着很严重的BV和Ron,sp之间的矛盾关系。本文主要是基于表面场降低(RESURF)和介质场增强ENDIF(ENhanced DIelectric Field)技术设计了有介质槽和无介质槽两种新型的pLDMOS器件,并研究其结构特性和机理。既解决了常规pLDMOS结构没有RESURF效应的问题,又缓解了器件BV和Ron,sp之间的矛盾关系。  (1)提出NBL PSOI pLDMOS(N-Buried Layer Partial Silicon On Insulator pLDMOS)结构。该结构第一个特点是:在p型漂移区内引入n埋层(NBL)。NBL可以辅助耗尽漂移区,提高漂移区浓度。关态时,全耗尽的NBL为BOX(Buried Oxide Layer)层提高大量的电离施主离子以提高BOX层电场,从而提高耐压。开态时,由于漂移区浓度得到大幅度提高,所以比导降低。同时,NBL使器件产生了RESURF效应。第二个特点是:存在硅窗口。硅窗口的存在使衬底参与耗尽,耐压进一步得到提高。且硅窗口可以缓解器件的自热效应SHE(self-heating effect)。Medici软件仿真结果显示:NBL PSOI pLDMOS新结构的BV为289V,Ron,sp为50.6mΩ·cm2,功率优值FOM(Figure Of Merit,FOM=BV2/Ron,sp)为1.65MW·cm-2,最大表面温度Tmax为312.3K。最后,完成NBL PSOI pLDMOS器件的工艺方案设计和版图设计。  (2)提出N-region VFP LK pLDMOS(N-region Vertical Field Plate Low k pLDMOS)结构。该结构有三个特点:N-region区域、纵向栅极场板VFP(Vertical Field Plate)以及低k介质介质槽。N-region区域设置在p型漂移区外围,与漂移区相互耗尽,器件产生了RESURF效应。此外,介质槽内引入的纵向场板VFP可以辅助耗尽漂移区,优化体内电场以提高器件耐压。由于VFP、槽以及槽左侧漂移区构成MIS(Metal Insulator Semiconductor)结构而在漂移区内积累大量空穴,提供电流低阻通道。引入低k介质则是利用ENDIF(ENhanced DIelectric Field)技术来提高器件横向耐压。根据Medici软件仿真结果可知:N-region VFP LK pLDMOS获得809V的BV,53.47mΩ·cm2的Ron,sp,以及12.24MW·cm-2的FOM。最后,提出N-region VFP LK pLDMOS新结构的两种不同工艺制备方案,并完成版图的设计。
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