【摘 要】
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SOI LDMOS作为一种横向功率器件,被广泛应用于射频电路、功率集成电路和工业控制电路。击穿电压与比导通电阻作为SOI LDMOS的两个关键性能指标,它们主要与漂移区长度和掺杂浓度等有关。然而,SOI LDMOS的击穿电压与比导通电阻之间存在“硅极限”关系,即:Ron,sp∝BV2.5。本文主要针对传统器件存在的“硅极限”关系,开展结构创新和物理机制研究,并提出了以下三种新结构器件:1.提出了具
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SOI LDMOS作为一种横向功率器件,被广泛应用于射频电路、功率集成电路和工业控制电路。击穿电压与比导通电阻作为SOI LDMOS的两个关键性能指标,它们主要与漂移区长度和掺杂浓度等有关。然而,SOI LDMOS的击穿电压与比导通电阻之间存在“硅极限”关系,即:Ron,sp∝BV2.5。本文主要针对传统器件存在的“硅极限”关系,开展结构创新和物理机制研究,并提出了以下三种新结构器件:1.提出了具有双导电沟道的横向类超结LDMOS器件。该器件在传统LDMOS器件结构上,通过在N型漂移区中引入P型柱,将整个N型漂移区分为上下两个部分,从而使漂移区形成横向类超结结构。同时,分别在埋氧层中引入体内栅和N型导电沟槽,器件将会获得两条电流导通路径。在正向导通时,横向超结和N型导电沟槽可以降低漂移区的导通电阻。体内导电沟道可以降低器件的沟道电阻,还可以提高器件的跨导。在阻断耐压下,P型柱与N型漂移区发生电荷补偿效应,N型导电沟槽可以改善漂移区的横向和纵向电场分布,最终显著提高了器件的阻断性能。与传统LDMOS器件相比,Ron,sp降低了50%,gm和BV分别提高了115%、32%。此外,新结构器件成功缓解了传统LDMOS器件存在的Triple RESURF“硅极限”关系。2.提出了具有体内电子积累效应的LDMOS器件。新结构器件在传统LDMOS的基础上,将器件分为体内延栅控制区和导电区两部分,并在体内延栅控制区和导电区嵌入二氧化硅隔离层,将体内延栅控制区和导电区分离。当器件处于正向导通时,器件的体内将会产生电子积累效应,从而使器件获得一个低阻导电层。当器件处于阻断耐压时,体内延栅控制区和导电区的电场分布几乎完全相同,器件的耐压原理与传统LDMOS相似。三维仿真结果表明,新结构器件的BV、Ron,sp和FOM分别是249 V、2.93 mΩ·cm~2和21 MW/cm~2。最终,新结构器件成功打破了Triple RESURF“硅极限”关系。3.提出了一种超结延栅LDMOS器件。通过在漂移区中引入体内电子积累效应,有效降低了器件的比导通电阻。与此同时,P型柱辅助耗尽N型柱,使器件获得了一个较高的击穿电压。三维模拟仿真结果表明,新结构器件的BV、Ron,sp和FOM分别是171 V、0.49 mΩ·cm~2和59.6 MW/cm~2。最终,新结构器件成功解决了击穿电压与比导通电阻之间存在的Triple RESURF“硅极限”关系。本文提出的DC-NT LDMOS、BFG LDMOS和ESG LDMOS同时打破了Triple RESURF硅极限,且器件优值不断被提高。此外,三种新结构器件能够很好满足功率集成电路对低功耗和高效能的要求,还对实际器件研制具有理论指导意义。
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