射頻LDMOS器件結(jié)構(gòu)和ESD保護研究

1、西安電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文射頻LDMOS器件結(jié)構(gòu)和ESD保護研究姓名：許晟瑞申請學(xué)位級別：碩士專業(yè)：材料物理與化學(xué)指導(dǎo)教師：李德昌;郝躍20070101摘要摘橫向高壓功率器件（要）有耐高壓、增益大、動態(tài)范圍寬、失真低和易于和低壓電路工藝兼容等特點。隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的不斷成熟，越來越廣泛地應(yīng)用于功率集成電路及智能功率集成電路中。射頻大功率由于具有、波段以上的工作頻率和高的性價比而成為手機基站射頻放大器的首選器件。因此，對器件的電學(xué)特性研究與建模有著重要實際意義。本文使用器件模擬軟件，建立了射頻的器件模型，比較了射頻器件的擊穿電壓和襯底濃度、漂移濃度、溝道濃度的關(guān)系，通過對各個參數(shù)的模擬比較，

2、得到了優(yōu)化的射頻結(jié)構(gòu)，在大量模擬實驗的基礎(chǔ)上，為最終射頻的設(shè)計奠定了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。源電容薩與柵源電壓啦漏源電壓的關(guān)系；研究了柵氧化層厚度，漂移區(qū)濃度，溝道區(qū)濃度等參數(shù)對盤的影響。文章使用二維器件模擬軟件，模擬并研究了柵漏電容和柵本文研究了器件在（）應(yīng)力下的擊穿機理，并分析比較了目前流行的器件的靜電保護結(jié)構(gòu)：深漏極的雙結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)，提出了適合我們自己開發(fā)的的靜電保護方案。本文提出并研究了采用雙技術(shù)的槽柵橫向雙擴散（）。與傳統(tǒng)的器件結(jié)構(gòu)相比，新結(jié)構(gòu)在相同的漂移長度和導(dǎo)通電阻下，擊穿電壓提高了，并表現(xiàn)出優(yōu)異的頻率特性。關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)電容曲，；（錨（咐。（由，婦，：，關(guān)鍵詞：創(chuàng)新性聲明本人聲明所呈交的論

3、文是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝中所羅列的內(nèi)容以外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果；也不包含為獲得西安電子科技大學(xué)或其它教育機構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中做了明確的說明并表示了謝意。申請學(xué)位論文與資料若有不實之處，本人承擔(dān)一切相關(guān)責(zé)任。本人簽名：關(guān)于論文使用授權(quán)的說明本人完全了解西安電子科技大學(xué)有關(guān)保留和使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：研究生在校攻讀學(xué)位期間論文工作的知識產(chǎn)權(quán)單位屬西安電子科技大學(xué)。本人保證畢業(yè)離校后，發(fā)表論文或使用論文工作成果時署名單位仍然為西安電子科技大學(xué)。

4、學(xué)校有權(quán)保留送交論文的復(fù)印件，允許查閱和借閱論文：學(xué)?？梢怨颊撐牡娜炕虿糠謨?nèi)容，可以允許采用影印、縮印或其它復(fù)制手段保存論文。（保密的論文在解密后遵守此規(guī)定）本學(xué)位論文屬于保密在一年解密后適用本授權(quán)書。本人簽名：竺矍塑導(dǎo)師簽名：二綹日期日期硼第一章緒論第一章緒論器件概述功率器件發(fā)展半導(dǎo)體器件是電子技術(shù)的基礎(chǔ)，是電力裝霄的核心，它不但對電子裝胃的體積、重量、效率、性能以及可靠性等起到至關(guān)重要的作用，而且對裝冒的價格也有很大影響?？梢灶A(yù)見，在今后的一段時間內(nèi)，作為電子技術(shù)基礎(chǔ)的功率半導(dǎo)體器件將與整個電子技術(shù)一樣得到更加飛速的發(fā)展。年世界上第一只大功率二極管（）在美國公司的出現(xiàn)，標(biāo)志著功率半導(dǎo)體

5、器件這一高科技領(lǐng)域的誕生。在此后的半個多世紀(jì)中，功率器件的發(fā)展同新月異，大致經(jīng)歷了個階段：第一階段是六十到七十年代，各種類型的晶閘管和大功率晶體管有很大的發(fā)展，即為雙極性的年代。其服務(wù)對象是以工業(yè)應(yīng)用為主，包括電力系統(tǒng)，機車牽引等。第二階段是八十到九十年代，由于功率的興起，使電力電子步入了一個新的領(lǐng)域。二十一世紀(jì)前后，功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展又進入到第三階段，即和集成電路結(jié)合愈來愈緊密的階段。固態(tài)功率放大器廣泛應(yīng)用在衛(wèi)星通信、移動通信、雷達和電子戰(zhàn)以及各種工業(yè)裝備中。隨著無線通信和軍事領(lǐng)域新標(biāo)準(zhǔn)新技術(shù)的發(fā)展，同益要求提高的性能，使之在更寬頻帶內(nèi)，具有更高的輸出功率、效率和可靠性。為了滿足以上各種應(yīng)

6、用需求，近年來人們不斷推動微波功率放大器的發(fā)展和進步。在這年的發(fā)展過程中，微波器件及微波技術(shù)的發(fā)展是推動微波功率放大器發(fā)展的兩大因素。微波器件的發(fā)展使微波功率放大器的發(fā)展成為可能，微波技術(shù)的發(fā)展使微波功率放大器的性能得到提高。年，功率的誕生逐步改變了整個功率半導(dǎo)體器件的面貌。九十年代開始，功率用于中小功率領(lǐng)域，隨后逆變器件、晶閘管、功率雙極型晶體管逐步讓位于，其中功率管替代功率晶體管占領(lǐng)新市場的速度達到的年增長率。隨著時代的到來，射頻系統(tǒng)所用的半導(dǎo)體器件在不斷更新，包括、器件和等。器件是功率器件在微波領(lǐng)域的出色結(jié)合，已對和雙極器件構(gòu)成很大威脅，并成為基站助率器件的首選。射頻器仆結(jié)構(gòu)研究和保護的

7、器件結(jié)構(gòu)和特點（）橫向雙擴散金屬一氧化物場效應(yīng)晶體管最早是年由等人提出的，它的典型結(jié)構(gòu)如圖所示，它是在保持普通優(yōu)點的基礎(chǔ)上，通過橫向雙擴散技術(shù)形成溝道區(qū)，并在漏極和溝道之間引入漂移區(qū)。漂移區(qū)可以采用外延工藝，也可以采用離子注入。與早期的之不同主要有兩點：在溝道與漏極之間增加了一個較長的低濃度漂移區(qū)。高阻漂移區(qū)的存在提高了擊穿電壓，并減小了漏、源兩極之問的寄生電容，有利于提高頻率特性。同時，漂移區(qū)在溝道和漏之間起緩沖作用，削弱了的短溝道效應(yīng)。由于該區(qū)的雜質(zhì)濃度：型溝道區(qū)的低，當(dāng)漏電壓增加時，耗盡區(qū)主要向低濃度的漂移區(qū)延伸，所以只要適當(dāng)選取漂移區(qū)的長度及型溝道區(qū)：型漂移區(qū)的電阻率就可使這種結(jié)構(gòu)的承

8、受較高的電壓而不會產(chǎn)生擊穿或穿通，即漂移區(qū)是承載高壓的區(qū)域。溝道區(qū)的長度主要由兩次擴散的結(jié)深來控制，所以溝道長度可以做得很小而不受光刻精度的限制，這樣就可以對溝道區(qū)進行精確控制，再加上增加溝寬的措施后，器件的電流也可以做得較大。源，柵漏幽。：咱一漂移區(qū)襯底摻雜濃嫂¨土摻雜濃度瓜：幽器什結(jié)構(gòu)和濃度分布具有高增益、高跨導(dǎo)、頻率響應(yīng)好、高線性、控制簡單、開關(guān)速度快、大的安全工作區(qū)、無閉鎖、熱穩(wěn)定性好、易與電路集成等優(yōu)點而得到了廣泛的應(yīng)用，與其他功率半導(dǎo)體器件的比較如表、表。和表所示。第一章緒論表與性能比較表微波功率雙極型晶體管（）：作機理少數(shù)載流子導(dǎo)電多數(shù)載流子導(dǎo)電常關(guān)電壓控制常關(guān)電流控制

9、特低電流區(qū)平方伏安特性指數(shù)伏安特性性高電流區(qū)線性伏安特性。（發(fā)射極周長），溝道寬度）電流容量不能簡單并聯(lián)，需采用鎮(zhèn)流電不產(chǎn)生電流集中，能簡單并聯(lián)阻、內(nèi)匹配等措施微波大功率時，需內(nèi)匹配采用分壓壞、深結(jié)保護等終端采用場板、分壓環(huán)、深結(jié)保護環(huán)等耐壓能力技術(shù)平面終端技術(shù)小，要求較大的基極電流，故輸入阻抗大，驅(qū)動電路設(shè)計簡單驅(qū)動電路設(shè)計復(fù)雜跨導(dǎo)換算成較大，但上升時下降受溝道寬長比限制，）上升下降導(dǎo)通電阻受集電區(qū)外延層限制，較受溝道電阻和漏區(qū)高阻層限制，。小，上升氏。增大較大，但大時，氏比小導(dǎo)通電壓由工藝參數(shù)決定取決于溝道區(qū)摻雜及柵介質(zhì)厚度（安全操作區(qū)受二次擊穿影響，小無二次擊穿，大域）丌關(guān)特性少子存儲效

10、應(yīng)，限制開關(guān)速度多子漂移，無存儲效應(yīng)，丌關(guān)速度比高一個數(shù)量級溫度特性電流溫度系數(shù)為下，會發(fā)生熱溫度系數(shù)為負(fù)，無熱斑，穩(wěn)定性好朋上受基區(qū)少數(shù)載流子渡越時間限工作頻率取決于多子的溝道區(qū)場漂移運動制線性性能較好很好，類更好，大動態(tài)范圍性能較好很好抗燒毀力較差好射頻器件結(jié)構(gòu)研究和保護器件和器件同屬于功率器件，也同屬二家族。差別主要在結(jié)構(gòu)上。表比較表【兒電極位置擴散工藝漂移區(qū)漂移區(qū)電流方向丌始時間功率芯片的表面結(jié)構(gòu)工藝源柵電極在芯片表面垂直雙擴散技術(shù)漂移區(qū)縱向的結(jié)構(gòu)垂直流過漂移區(qū)年，丌始時問比較晚，但源柵漏均在芯片表面橫向雙擴散技術(shù)漂移區(qū)橫向結(jié)構(gòu)水平流過漂移區(qū)是發(fā)展速度非常驚人超大功率芯片表面利用率高各

11、極從表面引出，便于在集成時與其他元器件相連在主要用于超視大功率年芯片表面積太大，硅表面利用率不高，頻率受影響工藝上與現(xiàn)在高度發(fā)展的超大規(guī)模集成電路工藝相兼容距雷達、車載移動通信及發(fā)應(yīng)用領(lǐng)域及方向一方面應(yīng)用在低壓、低噪聲、小功率，主要是便攜式移動通信：另一方面是向微波大功率方向，主要用于發(fā)射機及、地面射機等領(lǐng)域，在主要用于電子對抗、雷達等領(lǐng)域：以上主要用相控陣?yán)走_等領(lǐng)域功率損耗線性性能頻率特性以下將大量替代的功率損耗比較大站的功率損耗比的功率損耗低很好很好在很好以下將大量替代，而且研究水平有望超過好抗燒毀能力好第一章緒論表、性能比較表工藝工藝比較成熟在功率放大的領(lǐng)域低由于漂移區(qū)的存在，工藝很成熟

12、，廣泛應(yīng)用工藝不成熟，成品率器件尺寸的尺寸較小由于的乜的尺寸比是三者當(dāng)中最小的大差不多倍頻率子遷移率的倍，頻率可以做的很高可靠性成本功率密度效率輸出功率漏極電壓熱穩(wěn)定性很好比的略高比略低一般成本比貴遷移率是硅中的電頻率比低，在比較高的頻率范圍受限制頻率是三者當(dāng)中最高的很好由于使用做材料，器件的成本比較低功率密度一般低成本最高功率密度是的倍效率比的高效率大約功率密度最大可達到以上，是三者當(dāng)中最高的較高和相近較高很高很好非常好器件的研究進展年等人首次研制出了，的微波，并給出了較全面的微波分析及測試?？Ｆ骷跁r噪聲系數(shù)為，時，；在振蕩電路中時器件輸出，效率大于。在的窄帶放大器中，增益為，在的寬帶放大

13、器中，增益為，而且該器件在時仍有的增益。此后至年代初，研究者們的努力方向是提高擊穿電壓和增大輸出功率。年等人研制出了輸出、增射頻器什結(jié)構(gòu)研究和保護益和輸出、增益的。同年等人又研制出了溝道長度在下連續(xù)波輸出、增益、漏極效率達的。年等人在源金屬尚未延伸覆蓋住柵極的情況下，研制出了高效率的靠電池供電移動通信用的低壓柵，其溝道長度為，在工作時下輸出，增益，漏極效率達，功率附加效率為。年又研制出了在下連續(xù)波輸出，增益，漏極效率的微波功率。年，的等人研制出了下連續(xù)波輸出的高性能的微波功率，其增益為，漏極效率為。年又報道了采用推挽結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了下連續(xù)波輸出，增益，漏極效率為的微波功率，而且顯示了良好的線性。年月

14、公司也采用推出了系列化的高性能的微波功率產(chǎn)品，如，：，：，；，的系冪系列例。目前摩托羅拉和愛立信在射頻大功率方面的研究處于領(lǐng)先地位，在年相繼推出了用于的波段波段的之后，年又研制出適于第代移動通信系統(tǒng)用的及相應(yīng)的放大器。摩托羅拉公司開發(fā)的用，年已開發(fā)出了基站用的塑料封裝晶體管。目前摩托羅拉正在開發(fā)第代產(chǎn)品。已推出了兩種產(chǎn)品，即強和。愛立信公司相繼研制出了工作于的增強型器件。愛立信公司開發(fā)的是適用于基站的金金屬化晶體管。晶體管在的中可提供的峰包功率（），壓縮點的輸出功率為。工作于類方式時，典型功率增益。射頻微波大功率器件的研制與商品化目前主要以、為主流，國內(nèi)研制基本空白。、波段、輸出功率以上的射頻

15、放大系統(tǒng)（如手機基站、雷達）上使用的功率放大器件目前依賴進口，隨著系統(tǒng)的發(fā)展，基站的數(shù)目也將急劇增加，對于性能卓越器件的需求也益增加。大功率、線性好的是基站最具競爭力的器件。開展射頻大功率器件的研究與丌發(fā)并逐步實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，不僅能填補國內(nèi)微波射頻通信器件國產(chǎn)化的一項空白，而且可以打破國外在此領(lǐng)域的壟斷，具有經(jīng)濟和戰(zhàn)略上的雙重意義。第一章緒論的研究方向由于具有高增益、高跨導(dǎo)、性能價格比高、易與電路集成等優(yōu)點而得到了廣泛的應(yīng)用，同時對器件的研究，也越來越多的得到了大家的幣視。自從年提出了的理淪到今天，已經(jīng)發(fā)展到了第五代，設(shè)計者們都在努力通過改變器件的結(jié)構(gòu)或者工藝來提高器件的整體性能。研究的熱點主要集

16、中在擊穿電壓的提高，頻率特性的改善等方面。而設(shè)計者們也設(shè)計出了很多新穎的結(jié)構(gòu)，使的發(fā)展同新月異。擊穿特性的改善擊穿電壓是射頻的一個重要的電學(xué)參數(shù)，同時也是器件可靠性的一個重要方面，由于有低摻雜漂移區(qū)的存在，使之有較高的擊穿電壓，為了更適合高壓大功率的發(fā)展需要，對擊穿電壓的研究就顯得格外重要。為了提高擊穿電壓而采用的技術(shù)主要有：技術(shù)】【、內(nèi)場限環(huán)技術(shù)和場板技術(shù)“¨】【】。的擊穿電壓下降主要是由于受結(jié)界面的影響，表面電場常常在摻雜濃度突變的地方（耗盡區(qū)）突然增大，遠大于體內(nèi)的最大電場。故器件的擊穿電壓往往由表面電場來決定。另外，當(dāng)碰撞電離發(fā)生在表面時，電離過程產(chǎn)生的熱載流子容易進入二氧化

17、硅層，在柵氧形成固定電荷，改變了電場分布，嚴(yán)重降低了器件的可靠性。技術(shù)的基本原理是：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，使擊穿發(fā)生在體內(nèi)從而達到高擊穿電壓的目的。所以器件必須設(shè)計成在溝道和漂移區(qū)結(jié)的電場尚未達到臨界電場之前，即漂移區(qū)在表面擊穿前要全部耗盡。漂移區(qū)厚度應(yīng)等于或小于發(fā)生表面擊穿時漂移區(qū)和襯底結(jié)在漂移區(qū)的耗盡層厚度。也就是說，通過降低漂移區(qū)摻雜，在溝道矛一漂移區(qū)耗盡層的電場尚未達到臨界電場之自仃，利用襯底一漂移區(qū)的結(jié)將漂移區(qū)耗盡，降低橫向電場強度，減小雪崩擊穿的可能性，從而提高擊穿電壓。技術(shù)的原理圖如圖所示。上印土圖，采州技術(shù)的器作，射頻器，：結(jié)構(gòu)研究和保護球技

18、術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于的設(shè)計中，我們在后面童節(jié)會詳細(xì)分析采用技術(shù)的器件的原理和應(yīng)用價值。內(nèi)場限環(huán)的基本原理是在漂移區(qū)中插入型區(qū)域，漂移區(qū)插入內(nèi)場限環(huán)時，內(nèi)場限環(huán)耗盡區(qū)的電場與表面電場方向相反，增大了柵場耗盡區(qū)的肓效曲率半徑，降低了柵極邊緣的峰值電場強度，從而提高了器件耐壓。采用內(nèi)場限環(huán)技術(shù)的的器件結(jié)構(gòu)如圖所示。圖采用內(nèi)場限環(huán)技術(shù)的結(jié)構(gòu)場板技術(shù)的原理是在漂移區(qū)上方形成半絕緣多晶硅電阻場板，如圖所示，處電阻場板產(chǎn)生均勻分布的垂直電場施加于漂移區(qū)中，與水平電場合成，迫使漂移區(qū)電場分布也均勻化，降低了處的電場強度，從而提高了擊穿電壓。圖采用場扳技術(shù)的結(jié)構(gòu)可靠性提高采用技術(shù)的結(jié)構(gòu)如圖所示，這種結(jié)構(gòu)在的范圍內(nèi)有

19、著非常好的射頻特性，這種器件的工藝和的工藝兼容，并得到高的擊穿電壓和高的頻率【】【引。晶體管由于它的擊穿電壓高，驅(qū)動電流大等特性，被廣泛的應(yīng)用于功率集成電路中。而的較有更多的優(yōu)點，例如具有較高的跨導(dǎo)和輸出電導(dǎo)，導(dǎo)通電阻小，閾值電壓受襯底偏壓的影響小，亞閾值斜率低，漏襯電容很小，功率增益系數(shù)高，可以工作在各種惡劣的環(huán)境中。嚴(yán)咿第一章緒論圖采用技術(shù)的結(jié)構(gòu)頻率特性的改善射頻功率器件是半導(dǎo)體微電子集成電路技術(shù)與微波電子技術(shù)融合起來的新一代集成化的固體微波功率半導(dǎo)體產(chǎn)品，射頻作為射頻功率器件的使用，除了需要較高的擊穿特性，還需要提高器件的特征頻率。對于頻率特性的改善，設(shè)計者往往從器件結(jié)構(gòu)上來考慮。歲簪芋

20、圖器什結(jié)構(gòu)圖是射頻結(jié)構(gòu)圖，這種結(jié)構(gòu)的特點是漂移區(qū)的濃度分布不是均一的，而是三層的濃度分布來形成漂移區(qū)。這種結(jié)構(gòu)的最大跨導(dǎo)值比傳統(tǒng)的提高了，截止頻率提高。為了改善頻率特性而設(shè)計的新結(jié)構(gòu)也日新月異。本論文的研究意義和研究內(nèi)容本課題研究的目的是在軟件平臺下建立的器件模型；通過調(diào)整各個部分的結(jié)構(gòu)和濃度摻雜，在大量的模擬實驗基礎(chǔ)上，使器件的各個參數(shù)達到作為基站功率放大器的要求，為最終的投片提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；通過模擬得到大量射頻器件結(jié)構(gòu)研究和保護的數(shù)據(jù)，并和理論進行系統(tǒng)的比較，分析模擬結(jié)構(gòu)，改進器件結(jié)構(gòu)，最終設(shè)計出一款工作頻率在到、壓縮點輸出功率為、擊穿電壓大于具有靜電保護能力的微波功率放大器。以其線性度好、

21、增益高、耐壓高、輸出功率大、熱穩(wěn)定性好、效率高、寬帶匹配性能好、價格低廉、易于和藝集成等方面的優(yōu)勢已經(jīng)成為基站最具競爭力的功率器件。我國在、波段、輸出功率以上的射頻放大系統(tǒng)（如手機基站、雷達）上使用的功率放大器件基本依賴進口。研究出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的器件不僅具有巨大的市場價值，同時對于打破壟斷，國家安全都具有重大的戰(zhàn)略意義。器件的能力是器件的可靠性的主要方面，隨著器件的尺寸不斷縮小，柵氧化層厚度越來越薄，其柵耐壓能力顯著下降，集成電路失效的產(chǎn)品中有是由于問題所引起的。因此集成電路的靜電放電（）保護電路的設(shè)計越來越受到了電路設(shè)計者的重視。也同樣有靜電保護的問題。本文在電子科學(xué)預(yù)先研究基金和陜西電

22、子發(fā)展基金的資助下，借助器件模擬工具，研究了射頻大功率器件的結(jié)構(gòu)和性能，分析討論了各個部分的結(jié)構(gòu)對于器件的性能的影響，同時設(shè)計具有高抗靜電能力的結(jié)構(gòu)。具體如下：、用器件模擬軟件對器件進行建模：、確定器件各部分的摻雜濃度，器件各部分的尺寸大小，使器件的電學(xué)特性滿足作為功率器件的要求；、對器件的閾值電壓、擊穿電壓和跨導(dǎo)進行系統(tǒng)討論；、對投片的結(jié)果進行分析，與模擬結(jié)果進行比較；、優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)，使器件達到應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)；、分析器件的靜電保護原理，研究在應(yīng)力條件下，器件的特性和器件特性的差別，討論引起和結(jié)構(gòu)在過程中差異的原因，分析的特性對靜電保護的影響；、通過設(shè)計保護電路或結(jié)構(gòu)，使器件的能力超過的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，

23、并盡可能少的影響器件的射頻參數(shù)。設(shè)計出具有高能力整體性能優(yōu)異的。第二章射頻擊穿特性研究第二章射頻擊穿特性研究擊穿電壓是器件非常重要的電學(xué)參數(shù)，也是器件可靠性的一個重要方面，由有低濃度漂移區(qū)的存在，有較高的耐壓能力。設(shè)計者也廣泛采用新技術(shù)和新結(jié)構(gòu)來提高擊穿電壓。主要的方法是技術(shù)：通過降低漂移區(qū)摻雜，在阱和。漂移區(qū)耗盡區(qū)的電場尚未達到臨界電場之前，利用襯底和漂移區(qū)的結(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；內(nèi)場限環(huán)技術(shù)：在漂移區(qū)中插入型區(qū)域，在漂移區(qū)內(nèi)形成內(nèi)場限壞時，內(nèi)場限壞耗盡區(qū)的電場與表面電場方向相反，增大了柵場耗盡區(qū)的有效曲率半徑，從而提高了器件耐壓；加場極板：在漂移區(qū)

24、上方形成電阻場板，電阻場板產(chǎn)生均勻分布的垂直電場施加于漂移區(qū)中，與水平電場交疊，使漂移區(qū)電場分布也均勻化，降低了電場強度，從而提高了擊穿電壓。技術(shù)在提高擊穿電壓中的應(yīng)用采用平面工藝制作的結(jié)，由于結(jié)在表面存在曲率半徑、氧化層中的正電荷以及界面念的影響，使得結(jié)表面處的電場增大，結(jié)擊穿首先在表面發(fā)生，為了提高擊穿電壓而在結(jié)邊緣采取的減小表面電場的技術(shù)稱為技術(shù)。也是現(xiàn)在廣泛采用的技術(shù)之一，而內(nèi)場限環(huán)技術(shù)及場板技術(shù)也在提高擊穿電壓中有一定的應(yīng)用。圖技術(shù)原理圖技術(shù)減小表面電場（）技術(shù)是設(shè)計器件時提高擊穿電壓的主要方法，從圖中可以看出，結(jié)構(gòu)是由一個決定導(dǎo)通電阻的橫向二極管和一個決定器件擊穿電壓的縱向二極管構(gòu)

25、成，結(jié)構(gòu)的擊穿特性主要由以下三個參數(shù)決定：襯底摻雜濃度（只。厶），阱摻雜濃度（訓(xùn)），和阱射頻器件結(jié)構(gòu)研究和保護的厚度（厶坩，），所以阱區(qū)的電荷總量為。俐×。，。阱的垂直空間電荷區(qū)和橫向結(jié)的空電荷區(qū)相互作用，使橫向耗盡區(qū)的范圍變大。從而降低了峰值電場，達到提高擊穿電壓的目的。所以，為了在提高擊穿電壓，必須要使橫向電場達到臨界值之前阱全部耗盡。在這種結(jié)構(gòu)中，阱區(qū)的電荷總量就顯得特別重要。對于結(jié)構(gòu)的，橫向擊穿電壓為】：生！壘！：。州（一）垂直耗盡區(qū)在阱中深度為：（）喇其中，艮為硅的臨界場強（蘭），島為硅介電常數(shù)，印為外加電壓，為單位電荷，為了獲得高的擊穿電壓，在橫向二極管發(fā)生擊穿之前，阱區(qū)

26、必須全部耗盡，因為橫向的結(jié)是電場最容易集中的地方，也是最容易引起擊穿的點，這樣可以減小電場集中，使擊穿發(fā)生在縱向結(jié)。而為了保證阱垂直耗盡，必須滿足下列條件：。刪（）。，（）其中見，（）是在臨界擊穿點時，阱中的垂直耗盡深度。所以，在結(jié)構(gòu)的當(dāng)中，阱的濃度范圍為【：。×。（）而在實際摻雜過程中，為了保證對摻雜濃度和區(qū)域的精確控制，往往襯底和阱區(qū)之間滿足下列條件：。訓(xùn)只，（）所以采用結(jié)構(gòu)時，的理論上限值為當(dāng)刪，只曲時的情況，即：（）擊穿電壓模擬分析）擊穿電壓和襯底濃度的關(guān)系技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高壓器件的設(shè)計中，根據(jù)技第二章射頻，穿特性研究術(shù)要求弱化表面電場的要求，當(dāng)器件發(fā)生擊穿時，擊穿點發(fā)生在

27、體內(nèi)，而不是在表面，如果這兩個擊穿點同時發(fā)生時，則說明該器件達到了最大擊穿電壓。我們使用器件模擬軟件，建立了器件的物理模型，確定了器件各個部分的尺寸，在漂移區(qū)濃度為×一，深度為，溝道區(qū)濃度為一，深度為的情況下，得到擊穿咆嫗隨著襯底濃度的變化關(guān)系如圖所示。即擊穿電壓是隨著襯底濃度增加而減小的。磚¨陀加明宕隊。圖襯底濃度和擊穿電壓的關(guān)系漂移區(qū)縱向電場分布為【：跚）警”告曠國（）占，為硅的介電常數(shù)，為漂移區(qū)的離子注入劑量，為襯底中耗盡區(qū)寬度，乙為漂移區(qū)結(jié)深，根據(jù)的電離公式可知，當(dāng)滿足：×：（）器件發(fā)生雪崩擊穿，綜合兩個式子可見襯底濃度越高，擊穿電壓越低，和我們模擬結(jié)果完

28、全一致。但是在實際制作器件過程中，濃度很低的襯底不容易制備，所以要根據(jù)設(shè)計的需要合理選擇襯底濃度。）擊穿電壓和漂移區(qū)濃度的關(guān)系漂移區(qū)是和器件結(jié)構(gòu)的主要差異之一，也正是由于淺摻雜射頻器川結(jié)構(gòu)岍究剌保護日自卜一、立、一。、口一一一一一吡。哐，一吖，漂移濃度和穿電壓的戈系漂移區(qū)的存在使的擊穿壓比傳統(tǒng)的高很多。漂移區(qū)的氏度、深度和濃度對擊穿電壓的影響非常大，也是原理的核心所在。般說來，擊穿電壓隨著漂移區(qū)長度的增加，溝道區(qū)和漂移區(qū)橫向擊穿電壓提高但是當(dāng)漂移長度增大到一定值時，橫向擊穿電壓隨著漂移區(qū)長度的變化逐漸變緩。我們采用器件模擬軟件模擬了漂移區(qū)注入劑量與器件擊穿電壓之間的關(guān)系。在襯底濃度為×

29、;”。，漂移區(qū)深度為，溝道區(qū)濃度×”一，深度為岬，漂移區(qū)濃度和擊穿電壓的關(guān)系如圖，所示。的在技術(shù)磅擊宇占，漂移濃鷹較低時；芽點和場分】幽漂移濃度較高時擊穿點和場分布的濃度極限值（×”。）附近，擊穿屯壓迅速下降這電驗證了第二章射頻擊穿特性研究原理在中的正確性。圖為漂移濃度×，。時器件的電場分仃。圖為漂移濃度為×時器件的電場分布，低濃度時擊穿點在漏極附近，高濃度時擊穿點在柵極附近。也就是兌，在漂移區(qū)濃度不斷增加的過程中，伴隨著擊穿點從漏極到柵極的轉(zhuǎn)移。然而，當(dāng)漂移區(qū)濃度較低的時候，電流密度較小，進而影響到輸出功率。所以，擊穿電壓和輸出功率也是矛盾的量，在的設(shè)

30、計中要根據(jù)應(yīng)用的需要兼顧。）擊穿電壓和溝道區(qū)濃度的關(guān)系日，面我們討論了襯底濃度和漂移區(qū)濃度對擊穿電的影響，而對擊穿電壓的影響，溝道區(qū)也有非常顯著的作用。和的一個顯著區(qū)別就是通過橫向擴散形成溝道區(qū)，而擴散的濃度大小會使耗盡區(qū)在漂移區(qū)內(nèi)范圍的改變，影響電場分布，進而影響擊穿電壓的大小。在漂移區(qū)濃度為×，襯底濃度為×”一，漂移區(qū)深度為時溝道區(qū)濃度和擊穿電壓的關(guān)系如圖所示。從圖中可以看出，在溝道濃度小于×的情況下，擊穿電壓隨著溝道濃度的增加而增加。當(dāng)溝道濃度大于時，擊穿電壓趨于穩(wěn)定。加加加日圖溝道濃度和擊穿電壓的關(guān)系在溝道濃度較低的時候擊穿電壓較低，這是由于溝道區(qū)的型注入

31、劑量過低，達不到耗盡淺摻雜的型漂移區(qū)的目的，漂移區(qū)沒有完全耗盡使得器件的耐壓能力較弱，隨著溝道區(qū)濃度的增加，擊穿電壓不斷提高，當(dāng)溝道濃度上升到使漂移區(qū)完全耗盡的時候，擊穿電壓達到了最大值。當(dāng)進一步增加溝道區(qū)濃度的情況下，擊穿電壓也就沒有明顯的變化。在的設(shè)計中往往對閡值電壓有一定的要求，即需要閾值電壓有固定射頻器件結(jié)構(gòu)研究幣¨保護、孓，圖溝道濃度和閩值電壓的關(guān)系取值范圍。閾值電壓和溝道區(qū)濃度之間有著緊密關(guān)系，在漂移區(qū)濃度為一，襯底濃度為×一，漂移區(qū)深度為時采用器件模擬軟件得到的閾值電壓和溝道濃度的關(guān)系如圖所示。也就是閾值電壓和溝道濃度是幾乎線性的增加。而我們設(shè)計的射頻的閾值電

32、壓的取值為左右，這也就限制了溝道區(qū)的濃度范圍，即設(shè)計過程中溝道區(qū)的濃度范圍要首先確定，也就是首先保證閾值電壓滿足設(shè)計的要求，所以，玎技術(shù)應(yīng)用到我們設(shè)計的器件過程中，也就是只考慮在溝道濃度為定值的情況下，擊穿電壓和漂移區(qū)及襯底濃度的關(guān)系了。在溝道濃度為。的情況下，設(shè)計出了符合應(yīng)用要求的閾值電壓。閾值電壓的大小如圖所示。、一目，口一田言。圖符合應(yīng)川要求的射頻閩值電壓第二章射頻擊穿特性研究內(nèi)場限環(huán)技術(shù)內(nèi)場限環(huán)技術(shù)對于提高的擊穿電壓有著重要的作用，對于漂移區(qū)深度較深，濃度較高的情況，通過我們上一節(jié)的論述，擊穿一般發(fā)生在漂移區(qū)和溝，綦生；善善善每掣；疊二?。海唬骸埃海。海唬?；？：；：？。；扼童。；曩強融

33、囂囂：丫；：；圖結(jié)構(gòu)的空間電荷分布道區(qū)相鄰處附近，結(jié)構(gòu)的空間電荷分布和擊穿點的分布如圖所示。內(nèi)場限環(huán)一般在的溝道和漏極中間，其結(jié)構(gòu)和位置如圖中所示，內(nèi)場限環(huán)的存在，大大增加了柵下面的耗盡區(qū)的曲率半徑。漂移區(qū)中的空間電荷向漏極移動，從而大大降低了柵極下面的電場分布。內(nèi)場限環(huán)應(yīng)用到當(dāng)中，要發(fā)揮最大的作用，環(huán)的濃度、深度、和長度對于決定器件的性能都有重要的影響。所以，對于如何進行選擇，是要精確的計算和分析的。圖內(nèi)場限環(huán)技術(shù)的各個部分尺寸在沒有內(nèi)場限環(huán)的情況下，柵極下的耗盡長度可以通過下面的式子確定：恥似毒警），（）馘“；和占。分別是硅和氧化層的介電常數(shù)，虬是外延層（漂移區(qū)）的摻雜濃度，射頻器件結(jié)構(gòu)研

34、究和保護是氧化層的厚度，是溝道區(qū)和外延層之間的擊穿電壓。的表達式如下：（摯【（訓(xùn)】）（）其中的表達式為：，：魚上。（）朋一是內(nèi)場限環(huán)在漂移區(qū)內(nèi)的耗盡深度，表達式為：一（百）¨。：（占，），（一）而艿一是的試驗公式【，表達式為：一坨之（）內(nèi)場限環(huán)要發(fā)揮作用，則環(huán)的左側(cè)必須要在漂移區(qū)的耗盡區(qū)中，并且和柵相連，滿足的關(guān)系式為：。（）其中為溝道區(qū)和內(nèi)場限環(huán)之間的距離，是柵極薄氧化層下面的漂移區(qū)長度。為了減小柵極邊緣的電場濃度，內(nèi)場限環(huán)和場板之間必須相互交疊，在開態(tài)漏極電壓較大的情況，內(nèi)場限環(huán)被耗盡，而外延層和內(nèi)場限環(huán)之間的耗盡電荷是相反的。從而形成了電場，和表面電場方向相反，進而降低了表面電

35、場，提高了擊穿電壓。為了能夠充分的利用這個反向電壓提高擊穿電壓，溝道和內(nèi)場環(huán)之間的距離必須等于場板的長度。關(guān)系式為：。，三刪（）圖內(nèi)場限環(huán)內(nèi)部和器件整體的空間電荷分布而空間電荷的分布如圖所示，內(nèi)場限環(huán)和漂移區(qū)之間的濃度及空間電荷之間的關(guān)系為：第二章射頻擊穿特性研究虬。，）其中，和分別是外延層和內(nèi)場限環(huán)的耗盡深度。的摻雜濃度分布。則上式變成了：（一）而（石）是內(nèi)場限環(huán)內(nèi)部了（一）其中，。是環(huán)的表面摻雜濃度，當(dāng)場板和內(nèi)場限環(huán)相互交疊的時候，則環(huán)和外延層結(jié)的電壓就等于漏壓。所以，即使在較低的漏壓情況下，環(huán)和外延層之間也存在一個較強的電壓，為了避免這個結(jié)的提前擊穿，內(nèi)場限環(huán)必須要充分耗盡。也就是說，必

36、須超過環(huán)的結(jié)深歹，并且表面的濃度必須滿足下列條件：（）在公式（一）中，用幣分別替換朋一和曰一，所以表面摻雜濃度的關(guān)系式就變?yōu)椋痕ㄖ菘桑ǎ┍疚牟捎闷骷M軟件，在內(nèi)場限環(huán)的結(jié)深，表面摻雜濃度為。，柵場板長度和內(nèi)場限環(huán)與溝道之間距離都是。漂移長度為岬，環(huán)寬岬的情況下，擊穿電壓實現(xiàn)了伏。而在沒有內(nèi)場限環(huán)的相同情況下，擊穿電壓為，擊穿電壓提高了近，內(nèi)場限環(huán)的濃度分布如圖所示。采用內(nèi)場限環(huán)技術(shù)的的擊穿電壓如圖所示。入：霸軸圖內(nèi)場限環(huán)內(nèi)部的電荷分布射頻器什結(jié)構(gòu)研究和保護；¨廠”¨幽采剛內(nèi)場限環(huán)技術(shù)的的擊穿電壓場板技術(shù)提高擊穿電壓的另一個主要的方法是加場極板以降低其表面擊穿電壓。圖是高

37、壓驅(qū)動電路中的的示意圖【”，它的表面擊穿電壓比未加場極板的擊穿電壓明顯提高。為了說明場扳的作用，先考慮場板是無窮大的情況，在這種情況下管的漏極經(jīng)過襯底、場氧化層、再至柵極形成一個回路，形成一個電容器。漏極的高壓被場氧化層電容器分壓，堿小了表面處的雪崩擊穿電壓。陴孵！一?。海。浩r一一一幽加場極板構(gòu)示意圖卜圖，昏場極扳為有限情況時，其降低表面擊穿電壓的效果，除了受上述介紹的無限大場極板形成的電容器的影響外，還要考慮場板的邊界效應(yīng)。有限尺寸場極板的邊緣效應(yīng)，等效一個平面結(jié)的擊穿電壓，因此可咀將無限大場電容器和這個等效結(jié)的擊穿電壓比較，兩者之中較小的擊穿電壓，就是外加場極板的擊穿電壓。第一：章射頻擊穿

38、特性研究設(shè)的電位移矢量是珧，的電位移矢量是珧，件可知，在和界面應(yīng)有下式成立【】：§仃由于電磁場的邊界條（）盯是界面上的自由電荷密度，綜合電位移矢量和電場的關(guān)系，則上式變?yōu)椋嚎梢弧裕旱ǎ┢渲校汉顽?，分別是和的介電常數(shù)。法向電場與場強矢量之間關(guān)系如圖所示。仍弋入仍，瓦圖硅中場強與二氧化硅中的場強關(guān)系由圖可以得到：羞。瓦￥面蘢（）層的最小擊穿電場為：的情況，此時踟：就是最小擊穿場強。實際上這時層中只有法向場強，的相對介電常數(shù)為，的介電常數(shù)。不考慮界面自由電荷面密度，上式可以寫成：商（）其中，是結(jié)的體內(nèi)擊穿場強。由于中的場強是均勻電場，又只有法向電場。所以吲）些鼉警凸（）其中一是發(fā)生擊

39、穿的漏源電壓，是柵源電壓，是場管的平帶電壓，射頻器件結(jié)構(gòu)研究和保護是圖中點的電壓，甜是柵下氧化層厚度。綜合以上兩式，可以得到：礦基一，。筇矗（）其中的表達式為：一毒椰腳（）甌是的界面態(tài)密度；是場氧化層的單位電容。塒是金屬半導(dǎo)體功函數(shù)差。所以：瓶。：。，。，一腑吮（）乙“是點的電壓，處電壓近似等于結(jié)的電壓，為單邊結(jié)的雪崩擊穿，綜合漏極襯底結(jié)擊穿電壓得的擊穿電壓為【】：一：砷。”口一譬塒（）、一虬是漏結(jié)的擊穿電壓，所以。就是場極板的作用引起的。也即場極板的作用提高了擊穿電壓。以上的幾種技術(shù)都是提高器件擊穿電壓的主要方法，在應(yīng)用中也廣泛采用，甚至可以幾種綜合使用。其中技術(shù)應(yīng)用的最為廣泛。在高壓領(lǐng)域，內(nèi)場限環(huán)技術(shù)和場板技術(shù)也有較大的應(yīng)用前景。喙柵結(jié)構(gòu)技術(shù)、內(nèi)場限環(huán)技術(shù)和場板技術(shù)都可以提高的擊穿電壓，設(shè)計者們也不斷的通過改進的器件結(jié)構(gòu)和工藝條件來改善擊穿電壓及器件的整體性能。為了改善器件的跨導(dǎo)值，需要減小柵極氧化層厚度，但是較薄的柵氧化層厚度會使柵漏電容增大，從而嚴(yán)重影響器件的頻率特性。而且，較薄的氧化層厚度使擊穿電壓有較多的下降，這是由于電場集中在了柵氧化層的邊緣。也就是說跨導(dǎo)值