作者：肖小虎 高珊 陳軍寧 柯導明 

0 引言

隨著功率集成電路的飛速發展，功率半導體器件的研究與開發顯得愈發重要。LDMOS是DMOS器件的一種橫向高壓器件。具有耐壓高、增益大、失真低等優點，并且更易與CMOS工藝兼容，因此在射頻集成電路中得到了廣泛的應用。目前LDMOS設計的重點是如何合理緩和擊穿電壓與導通電阻之間的矛盾，并且保證其有較高的穩定性。

場板技術是功率LDMOS器件中使用最為頻繁的一種終端技術。合理的場板設計可以使漂移區的平均電場增加，減小電場峰值，從而達到抑制熱載流子效應，提高擊穿電壓等目的。因此，建立LDMOS的電場分布模型，理論上對場板下的電場分布進行數值分析有重要的現實指導意義。本文將通過建立二維解析模型研究LDMOS的場板的不同結構對于其漂移區電場和電勢的影響，并在此基礎上通過優化場板來提高LDMOS的性能。

1 二維解析模型



LDMOS的橫向切面圖如圖l所示。其中X和Y分別為距漂移區左上角的橫向距離和縱向距離，漂移區分成五部分，各區邊界點的橫坐標分別設為L1、L2、L3、L4和L5。各區對應的襯底耗盡層寬度分別為tis(i=1，2，3，4，5)。柵極下氧化層的厚度為tox1，場板下的氧化層厚度為tox2，漏端下氧化層厚度為tox3。n-drift漂移區的濃度為Nn，厚度為td。P型硅襯底濃度為Nsub，所加柵壓為Vg1，場板所加電壓為Vg2，漏壓Vd。源極和襯底接地。則漂移區的二維電勢分布φ(x，y)滿足二維泊松方程：

其中εo和εsi分別為真空介電常數和Si的介電常數。

由于漂移區是均勻摻雜的，在1區(0≤x≤L1)對式(1)進行y方向的積分可得：

由于Si02／Si界面上的電位移是連續的，忽略Si02中固定電荷，可得：






由于2、4、5區中縱向電場和橫向電場相比可忽略，可近似認為



其他各區的對應的耗盡層厚度可由得到，而由[2]可定義



根據漂移區表面電場和電勢的連續性可得出邊界條件

將上式在x方向微分，解得



式中Ui(i=1，2，3，4）的值可由Ei(Li，0)=Ei+1(Li，0)解得。

2 結果和分析



上圖是在器件關態條件下漂移區表面電勢和電場分布的理論值。采用的數據如下：



從圖中可以看出，LDMOS處于關態時根據理論模型計算得到的結果和Medici仿真結果的比較。由于本文的模型忽略了氧化層固定電荷，所以和Medici仿真結果有差異較小。由圖可見，漂移區的電場峰值出現在p阱／n-漂移區結處、場板的兩端與漏端附近。這些電場峰值處也就是最可能的擊穿點。



下面將詳細討論多晶柵場極板的長度和位置對漂移區表面電場和電勢的影響。圖4為不同場板長度下漂移區表面電場分布。由圖可見，隨著場板長度的增加，場板下的電場峰值先減小后增加，這是因為場板長度較短時，場板末端與場氧鳥嘴區以及p阱／n-漂移區結距離較近，等勢線在此區域分布較密，三者相互作用可使此處表面電場增強，器件容易在此處發生雪崩擊穿；隨著場板長度增加，場板末端和漏極距離縮短，進而調制漏電極附近的電場峰值，使得電場在整個漂移區內分布更加均勻，提高器件的耐壓能力。但是場板長度過長時，反而會增強漏端電場，因此，對于LDMOS，場板長度有一個最優值。



圖5為不同場板位置時漂移區表面電場分布，此時場板長度取2．5μm。由圖知，隨著場板向漏端靠近，場板下的電場峰值逐漸增加，這是場板所加電壓與漏壓共同作用所致。這一點對提高器件的耐壓能力很有幫助，也是優化設計場極板位置的主要依據。當場極板遠離柵極時，出現溝道末端電場上升，漏端電場下降的趨勢。考慮到漏端電場峰值更大，此處是器件的擊穿點，因此設計時主要考慮降低漏端電場峰值。因此，針對文中的LDMOS器件結構，場板位置應該設計在靠近漏極處。從圖4和圖5可見最大電場峰值位于漏端，因此一旦發生熱載流子效應，這里電離積分很大，是熱電子產生的主要區域。與柵氧化層處的熱載流子效應不同，漏端熱載流子進入場氧化層形成的界面電荷距離溝道很遠，因此不會改變器件的閾值電壓，但是這部分電荷會影響到漂移區電流密度的分布，進而改變器件的驅動電流和跨導，對LDMOS的可靠性產生影響。



圖6為場板加不同電壓時的漂移區表面電場分布圖。此時場板長度取2．5μm，場板距離柵極0．5μm。從圖中可以看出，隨著場板所加電壓的增大，場板靠近柵極的一端電場峰值增大，而靠近漏極一端的電場峰值減小，即整個場板區的電勢降落隨場板電壓的增大而增大。而其他區域的電場隨場板電壓變化不大。因此對于LDMOS場板電壓的控制也是器件設計的一個重要因素。

3 結論

本文根據LDMOS器件漂移區電場分布和電勢分布的二維解析模型，通過分段求解泊松方程得出了器件漂移區表面電勢分布和電場分布的解析表達式，并根據所得的表達式分析了LDMOS一階場板的長度和位置以及場板所加電壓對于其漂移區表面電勢和電場分布的影響。計算結果表明，LDMOS的場板各參數對于器件的性能有很大影響。因此，本文的分析模型對于實際LDMOS器件的設計有著重要的指導意義。