采用双层栅极场板结构的LDMOS器件优化设计

慈 朋 亮

（上海华力微电子有限公司，上海 201203）

采用双层栅极场板结构的LDMOS器件优化设计

慈 朋 亮

（上海华力微电子有限公司，上海 201203）

研究了一种N型50 V RFLDMOS器件的结构。该类型器件对击穿电压BV和导通电阻RDSon等直流参数具有较高要求，一般采用具有两层场板的RESURF结构。通过Taurus TCAD仿真软件对器件最关键的两个部分即场板和N型轻掺杂漂移区进行优化设计，在提高器件击穿电压BV的同时，降低了其导通电阻RDSon。最终仿真得到的击穿电压BV为118 V，导通电阻RDSon为23 Ω·mm。

RFLDMOS；击穿电压；导通电阻；RESURF；双层场板；仿真

RFLDMOS（射频横向扩散金属氧化物半导体）器件是一种非常具有竞争力的功率器件，最初是用于替代基站的双极型晶体管[1-2]。其具有线性度好、增益高、耐压高、输出功率大、热稳定性好、效率高、宽带匹配性能好、易于和MOS工艺集成等优点[3-4]，并且价格远低于砷化镓器件。此外，该器件的射频应用覆盖了从1 MHz到4 GHz的广阔范围[5-6]。正是由于这些优点，它被广泛用于GSM、PCS、W-CDMA基站的功率放大器、无线广播、工业、医学(ISM)以及雷达等方面[7-8]。其中，50 V的RFLDMOS器件主要用于无线广播、ISM以及雷达等方面，要求较高的击穿电压与较大的功率密度[9-10]。

对工作电压为50 V的器件来说，为保证器件运行时的可靠性，要求击穿电压必须高于110 V[11-12]。而要实现较高的击穿电压，必须采用RESURF（Reduce Surface Field，降低表面电场）结构。一般来说，RESURF技术利用漂移区与衬底的纵向PN结耗尽层，以及沟道与漂移区横向PN结耗尽层之间的相互影响，来降低表面电场峰值，从而实现较高的击穿电压。在漂移区长度一定的情况下，要实现较高的击穿电压，较低的导通电阻，仅仅依靠横向和纵向的PN结来调节电场分布是远远不够的，需要在RFLDMOS的栅极上方加入场板。以前提出的结构由于应用电压较低，均采用单层场板；而对于应用电压为50 V的RFLDMOS，由于击穿电压要求更高，本文首次引入了双层场板的概念以提高击穿电压并针对漂移区掺杂浓度和双层场板的长度进行了优化。

N型漂移区的横向和纵向PN结分布，很大程度上是由该区域注入N型杂质的能量和剂量决定的。而场板的形貌，结合其下方的N型漂移区，又可以对电场分布进行进一步调整。本文从N型漂移区以及场板着手，讨论了N型漂移区的注入能量和剂量、两层场板的尺寸等因素对击穿电压以及导通电阻的影响，从而获得最好的RESURF效果。

1 器件结构分析

工作电压为50 V的RFLDMOS器件，最终的耐压值由纵向和横向耐压值共同决定。纵向的击穿电压受漂移区结深、掺杂浓度以及衬底的厚度和掺杂浓度等因素影响。横向击穿电压除与上述因素相关外，与N型漂移区长度以及漂移区表面的电场分布具有直接的联系。一般来说，N型漂移区下方的P型衬底都很厚，因此，器件的击穿电压主要取决于横向击穿电压。图1所示为50 V RFLDMOS器件的结构示意图。由图可见，N型漂移区下方是P-epi层，其具有相对较低的浓度。在高漏极偏压的情况下，由于横向和纵向电场的作用，整个N型漂移区将完全耗尽，直至漏端边缘。图中的两层场板用于调节N型漂移区表面的电场分布。

图1 50 V RFLDMOS器件的结构示意图Fig.1 The diagram of 50V RFLDMOS device

2 结果与讨论

利用TCAD软件Taurus进行了大量仿真，仔细分析了50 V RFLDMOS器件的各部分结构，包括两层场板尺寸，以及N型轻掺杂漂移区的杂质浓度与结深等因素，对器件最终直流特性的影响。仿真采用的器件结构如图1所示，其中栅极多晶硅长度为0.5 μm，沟道长度（栅极多晶硅下方P-well的长度）为0.3 μm，漂移区长度为5.5 μm，第一层场板长度为0.8 μm，第二层场板长度从1 μm到2.6 μm变化，场板长度定义为多晶硅边缘到漂移区上方靠近漏端场板边缘的距离。同时，在仿真的过程中，也结合了一些实际的silicon数据，从而验证了仿真趋势的准确性，并最终获得优化的器件直流特性。

一般来说，LDMOS器件的击穿电压主要取决于N型轻掺杂漂移区的长度及其掺杂水平。RFLDMOS的另一关键参数是导通电阻RDSon，其定义为：

式中：漏极电压VD为0.1 V；栅极电压VG为5 V，源极接地时，得到器件的导通电流ID；L为LDMOS的漏端到源端的距离，包括沟道长度和漂移区长度以及源漏两个电极的长度。在保证纵向击穿电压足够的情况下，N型轻掺杂漂移区越长，LDMOS的击穿电压越高，同时导通电阻也越大。因为调整器件的沟道掺杂浓度会对阈值电压造成较大影响，一般调整漂移区的掺杂浓度来调节导通电阻，漂移区长度与沟道长度相比占比更大，对导通电阻影响也更大，因此本文主要考虑漂移区掺杂浓度对电阻的影响。为降低器件的导通电阻，可以提高N型轻掺杂漂移区杂质的浓度，但这往往又会导致N型轻掺杂漂移区较难耗尽，影响击穿电压BV的提高。因此，击穿电压BV和器件的导通电阻RDSon这两个参数是相互制约的。显而易见，要获得较好的器件直流特性，对N型轻掺杂漂移区的长度、结深、掺杂浓度需要综合考虑。同时，对50V RFLDMOS器件来说，场板对N型轻掺杂漂移区的电场分布有极其重要的影响，其形貌对击穿电压BV的影响必须仔细讨论。

2.1 N型轻掺杂漂移区的浓度与结深对击穿电压和导通电阻的影响

N型轻掺杂漂移区的浓度与结深分别取决于N型注入剂量以及注入能量。在器件两层场板尺寸一定的情况下，通过TCAD仿真，可以获得注入剂量，注入能量与击穿电压BV以及导通电阻RDSon之间的关系，如图2所示。

由图2(a)可知，在具有相同场板结构的情况下，随着N型注入剂量的增加，会出现击穿电压BV的峰值，此时的注入剂量约为1.6×1012/cm2。随着注入剂量的继续增加，击穿电压BV开始下降。这说明对于特定的场板结构来说，存在着一个最优化的注入剂量，也就是最优化的N型轻掺杂漂移区浓度。该结果可以从漂移区表面横向电场分布的变化来解释。如图3所示，每条曲线表示不同掺杂浓度下，发生击穿时的临界电场分布。可以看出漂移区表面电场的分布存在几个峰值。分别是两层场板以及漏端与漂移区交界的边缘所形成的三个电场峰。在掺杂浓度较高的情况下，场板对电场具有更强的作用，场板下方对应于最高的电场峰值，这也是雪崩击穿最先发生的位置。而掺杂浓度较低的情况下，漏端与漂移区交界的边缘具有最大的电场，此处是雪崩击穿首先发生的位置。而电场强度曲线与横坐标所包围的面积，基本上反映了最终击穿电压BV的大小。可见，想要获得最高的击穿电压BV，也就是所围成的面积最大，需要选择适当的掺杂浓度，使三个电场峰值分布更加均匀。过高或者过低的掺杂浓度对最终的击穿电压BV都是不利的。同时，由图2(a)中也可以看出，增加N型杂质的注入能量，对器件击穿电压BV的影响并不大，只有轻微的增加，这有可能是注入能量增加后，导致整个N型轻掺杂漂移区的结深变大，接近漂移区表面的N型杂质浓度变低，从而使接近漂移区表面的电场分布更加平缓，有助于击穿电压BV的提高。

图2 不同N型漂移区注入剂量与能量情况下(a) 相应击穿电压BV的变化趋势；(b) 相应导通电阻RDSon的变化趋势Fig.2 With different implant dose and energy of N-drift region, the variation of (a) breakdown voltage and (b) on-resistance (RDSon)

图3 在N型漂移区注入能量一定的情况下，改变注入剂量所获得的漂移区表面击穿时的临界电场分布Fig.3 With a given implant energy of N-drift region, the crucial electric field distribution along the surface of N-drift region when breakdown happens

由图2(b)可知，随着注入剂量的增加，器件的导通电阻RDSon减小，二者成反比关系。这是由于器件的导通电阻RDSon主要取决于N型轻掺杂漂移区的杂质浓度。此外，由图2可见，增加注入能量对导通电阻RDSon的影响微乎其微，说明载流子的经由通路分布在较宽的区域。即使增加了注入能量，该区域杂质的整体浓度变化也不大。

2.2 两层场板结构对击穿电压和导通电阻的影响

RFLDMOS中的场板结构最初是用来屏蔽栅极的，以降低漏极与栅极之间的反馈电容Cgd，从而提高器件的射频性能。当场板距离N型轻掺杂漂移区的纵向距离较近时，其对漂移区表面电场分布的影响非常显著。由此可见，场板也是决定最终击穿电压BV的一个极其重要的因素，是RESURF结构必不可少的组成部分。对50 V RFLDMOS器件来说，一般采用两层场板来实现RESURF效果。这两层场板的形貌，尤其是其长度，决定了器件最终的击穿电压BV。通过TCAD软件仿真，仔细分析了在漂移区不同N型注入剂量的情况下，场板的长度与击穿电压BV之间的关系，以获得最优的场板尺寸。

图4显示在保持第一层场板长度不变(L1=0.8 μm)的情况下，改变第二层场板的长度L2，对器件击穿电压BV的影响。第一层场板对器件击穿电压BV的影响会在随后给予说明。由图可见，在N型注入剂量一定的情况，即漂移区掺杂浓度一定的情况下，随着第二层场板的长度由1 μm逐渐增加到2.5 μm，相应的击穿电压BV先增大，达到一个峰值。然后，随着其长度的进一步增加，击穿电压BV又逐渐减小。

图4 在N型漂移区注入能量一定的情况下，第二层场板的长度在不同的注入剂量下所对应击穿电压BV的变化趋势Fig.4 With a given implant energy of N-drift region, the relationship between the breakdown voltage and the length of the 2nd G-shield with respect to different implant dose

对于不同的掺杂浓度来说，实现峰值击穿电压BV所对应的第二层场板的最优长度并不相同。如图4所示，N型轻掺杂漂移区的浓度越高，即注入剂量越高，获得峰值击穿电压BV所需要的第二层场板长度也越长。如果N型轻掺杂漂移区的浓度较低，如注入剂量为1.4×1012/cm2，那么，获得峰值击穿电压BV所需要的第二层场板长度越短，其长度与第一层场板接近。

图5(a)显示了在N型注入剂量相对较高(1.8×1012/cm2)的情况下，出现击穿的临界电压时，N型漂移区表面的横向电场分布。从图中可以明显看出两层场板以及漏极边缘处的三个电场峰值。因为漂移区具有相对较高的掺杂浓度，因此第二层场板所对应的电场峰值要高于漏极边缘的电场峰值。考虑较为极端的情况，当第二层场板较短(L2=1 μm)，并接近第一层场板的长度时，第一层场板与漂移区的纵向距离更短，从而屏蔽了第二层场板的作用，此时，场板下方对应着一个最高的电场峰值，而漏极边缘的电场强度很低，整个电场分布的曲线较为陡峭，不利于获得较高的击穿电压。当第二层场板的长度进一步增加时，两层场板所对应的电场峰值逐渐分离。由于第二层场板距离漏端更近，因此，第二层场板对电场具有更强的控制力，其峰值电场总是高于第一层场板下方所对应的电场。碰撞电离的最强位置，即击穿点，也总是出现在第二层场板的下方。在第二层场板长度逐渐增加的过程中，漏极边缘的电场受第二层场板下方电场的牵引，也会逐渐升高。当第二层场板较长时(L2=2.6 μm)，由于其距离漏端很近，所以第二层场板以及漏端都具有较高的电场峰值，同时，对第一层场板起到了一定的屏蔽作用，削弱了第一层场板对其下方漂移区内电场的控制，表现为第一层场板下方较低的电场峰值，电场的分布也不够平滑，对应着较低的击穿电压BV。因此，第二层场板约为1.8 μm时，所对应的电场分布曲线较为平滑，对应着该掺杂浓度下最高的击穿电压118 V。

图5 在N型漂移区具有 (a) 较高的注入剂量，约为1.8×1012/cm2以及 (b)较低的注入剂量，约为1.4×1012/cm2的情况下，第二层场板的不同长度所对应的击穿时的漂移区表面临界电场分布Fig.5 With (a) a high implant dose of 1.8×1012/cm2and (b) a low implant dose of 1.4×1012/cm2, the crucial electric field distribution along the surface of N-drift region determined by the length of 2nd G-shield

图5(b)显示了在N型注入剂量为1.4×1012/cm2的情况下，第二层场板的不同长度所对应的漂移区横向电场分布。总体来说，其趋势与较高漂移区掺杂情况下类似。最大的区别在于，在该条件下，所有电场分布曲线的最高峰值都出现在漏端边缘，即器件的击穿点在该处。之所以出现这种情况，是因为当N型漂移区的掺杂浓度较低时，在漏端施加高偏压的情况下，整个漂移区被完全耗尽，并且耗尽层会扩展到具有极高掺杂浓度的漏端内部。在所有的电力线都终止于漏端内部的情况下，漏端具有最高的电场强度，并首先发生击穿。在这种情况下，第二层场板的长度越短，整个电场强度分布曲线所对应的面积越大，即器件的击穿电压BV也就越大。此时，两层场板结构与单层场板结构对电场分布的影响差异不大。

另外，在讨论两层场板的形貌对器件击穿电压BV的影响时，并没有考虑第一层场板的影响因素。这主要是根据已有的silicon数据，在器件的第二层场板长度一定的情况下，改变器件的第一层场板长度，对击穿电压的影响非常小，如图6所示。第一层场板长度的变化，更多的是对器件HCI(Hot Carrier Injection)特性的影响。因为第一层场板离多晶硅栅靠近漏端一侧最近，其下方电场峰值的高低，直接影响了多晶硅栅靠近漏端一侧下方的电场分布。而该区域的电场分布会增强或者削弱电子对栅氧的注入，影响器件的HCI特性。

图6 保持第二层场板的长度以及其他条件不变，第一层场板长度的变化与击穿电压BV之间的关系Fig.6 To fix the length of 2nd G-shield and other conditions, the relationship between the length of the 1st G-shield and the breakdown voltage

为验证该仿真趋势的正确性，进行了硅片实验，并对实际流片制备的样品进行测试，得到的silicon数据分析结果如图7所示。可见，在采用较低N型漂移区掺杂浓度的情况下，随着第二层场板长度的增加，器件的击穿电压BV逐渐减小，与仿真所得到的趋势一致。

图7 改变第二层场板长度对击穿电压影响的仿真数据和实际数据之间的比较Fig.7 The compare of simulation results and silicon data referring to the effect of 2nd G-shield length on the breakdown voltage

由仿真结果可知，对于器件来说，要想获得较高的击穿电压BV，漂移区的掺杂浓度保持在较低的水平是有利的。然而，器件的导通电阻RDSon与N型漂移区的掺杂成反比关系，要求较高的掺杂浓度以获得良好的性能。在这种情况下，综合考虑器件的击穿电压BV与导通电阻RDSon，N型漂移区要保持较高的掺杂浓度。因此，在保证导通电阻RDSon的情况下，利用两层场板的RESURF效果，采用相应条件下的最优场板尺寸，以获得较高的击穿电压BV。另外，N型漂移区保持较高的掺杂浓度也有助于提高器件的饱和电流IDSat。

3 结论

利用TCAD软件Taurus进行了相关仿真，对影响50 V RFLDMOS器件直流特性的因素进行了讨论。主要分析了N型漂移区的浓度、结深以及两层场板的尺寸对击穿电压BV以及导通电阻RDSon的影响。此外，相关的silicon数据所表现出来的趋势与仿真结果一致。N型漂移区的结深对直流特性的影响很小。较高的N型漂移区掺杂浓度有利于获得较低的导通电阻RDSon，而较低的掺杂浓度对应着较高的击穿电压。不同的N型漂移区掺杂浓度都存在一个最优的场板尺寸，尤其是第二层场板的尺寸。根据已有的仿真结果，当N型漂移区的注入剂量保持在1.8×1012/cm2，第二层场板的尺寸为1.8 μm时，可以在击穿电压BV与导通电阻RDSon之间取得很好的平衡，此时的击穿电压为118 V，导通电阻为23 Ω·mm。如果在此基础上，结合其他因素，如场板下面的介质层共同考虑，直流特性可以得到进一步的提高。总之，该结构充分利用了场板的RESURF效果，并没有增加额外的工艺过程，具有很高的实用价值。

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（编辑：陈丰）

Optimal design of LDMOS with double gate shield

CI Pengliang
(Shanghai Huali Microelectronics Corporation, Shanghai 201203, China)

The structure of an N-type 50 V RFLDMOS was investigated. In order to obtain a higher breakdown voltage (BV) and a lower on-resistance (RDSon), the RESURF (Reduced Surface Field) structure with two field plates (gate shield, or G-shield) was applied. Considering the field plates and N-type light doped drift region properly, the BV should be improved while theRDSonshould be reduced. The device characteristics were analyzed by employing the device simulator Taurus TCAD. With the optimized RESURF structure, the simulated BV andRDSonare 118 V and 23 Ω·mm, respectively.

RFLDMOS; breakdown voltage; on-resistance; RESURF; two field plates; simulation

10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.08.012

TN386

:A

:1001-2028（2016）08-0050-05

2016-06-16

国家科技02重大专项项目资助(No. 2012ZX02502)

慈朋亮（1980-），男，山东威海人，博士，工程师，主要从事逻辑器件开发及高压LDMOS晶体管制造技术研究，E-mail: guaiguaishu1984@163.com 。

时间：2016-08-03 22:36

： http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20160803.2236.012.html