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带浮空层的LDMOS 器件特性研究

2021-03-15赵婉婉陈子馨

科技创新与应用 2021年10期
关键词:衬底电场器件

赵婉婉,冯 懿,陈子馨

(1.上海电力大学,上海200090;2.国核自仪系统工程有限公司,上海200241)

引言

随着功率半导体器件的不断发展,功率器件逐渐成为人们研究的热门器件。而横向双扩散金属氧化物半导体(LDMOS)作为常用的功率器件,因其制造工艺简单且易实现,一直是人们研究的重点[1]。

导通电阻和击穿电压作为LDMOS 的重要参数,低导通电阻高击穿电压一直是研究学者研究的主要方向[2]。提高LDMOS 器件性能的技术有:超结技术[3]、场板技术[4]、降低器件表面电场[5]等技术。降低器件表面电场(Reduced Surface Field,RESURF)技术,通过辅助耗尽作用,优化LDMOS 器件漂移区的电场分布,提升LDMOS 器件性能。随着RESURF 技术的不断发展与改善,人们提出了Double-RESURF 及Triple-RESURF 结构等改善器件的性能。RESURF 技术,主要是通过优化器件的横向电场,提高器件击穿电压,达到改善器件击穿电压的目的。而器件击穿电压大小,不仅与器件横向电场有关,也与器件的纵向电场有关。通过对器件纵向电场的优化,也能有效改善器件的击穿特性。

本文在Double RESURF 器件结构的基础上,通过在衬底上引入部分N 型浮空层,构建了一种带有部分浮空层 的LDMOS (Partial floating layer LDMOS,PFL-LDMOS)。利用TCAD 仿真软件,对器件进行电学仿真,通过对仿真结果的分析与讨论,进一步优化器件的结构参数,改善器件性能。

1 器件结构

图1 为器件的结构图,其中(a)为PFL-LDMOS 结构图,(b)为具有Double RESURF 结构的LDMOS(D-LDMOS),(c)为传统LDMOS(Con-LDMOS)器件结构图。图中Ld 表示器漂移区长度,Tepi 为浮空层距离器件漂移区的距离以此来表示浮空层的位置,Lf 表示器件浮空层的长度。由图可知D-LDMOS 相较于传统LDMOS 器件,漂移区中掺杂了P 型埋层,P 埋层辅助耗尽漂移区,改善器件性能。PFL-LDMOS 在D-LDMOS 的基础上,引入浮空层,在纵向电场上引入了新的电场峰值,优化器件的纵向电场,提高器件击穿电压。

本文所研究的器件漂移区长度Ld 为60um,外延层厚度Ts 设为20um,衬底掺杂浓度为e14cm-3,P 型埋层浓度为2e15cm-3位于器件表面。

2 仿真结果分析与讨论

图2 是PFL-LDMOS、D-LDMOS 以及Con-LDMOS器件的电势分布图以及电场分布图。由图2(a)可知,衬底上部分浮空层的引入,使得衬底上的等势线向下延伸,衬底耗尽更完全。PFL-LDMOS 器件的击穿电压由DLDMOS 的754V 增加到817V;与Con-LDMOS 相比,PFL-LDMOS 击穿电压增加15%。图2(b)和(c)为器件表面电场以及漏端电场分布图,分析可知,PFL-LDMOS 器件由于衬底上浮空层的引入,器件纵向电场产生了新的电场峰值,使得器件纵向电场分布向衬底延伸,同时优化了器件的表面电场,使得表面电场分布更加均匀,增大了器件击穿电压。器件结构参数作为器件设计的重要参数,对器件性能会产生影响。为进一步提升器件性能,通过器件参数的优化,对器件参数与击穿特性间的关系展开研究。

图2 电势分布图以及电场分布图

图3 不同Lf 下,器件击穿特性曲线与电场分布

图3 为浮空层长度Lf 下,器件击穿特性曲线与电场分布。由图(a)的仿真结果可以看出,浮空层长度会影响器件击穿特性。随着器件浮空层长度的增加,击穿电压先随Lf 的增加而增加,当浮空层长度等于30um 时,器件击穿电压达到最大值,而后随着浮空层长度增加器件击穿特性较小。当浮空层较短时,器件漏端电场范围较小,且器件电场在浮空层处产生的峰值较小,电场分布不均匀,器件击穿电压小,击穿特性差。当浮空层长度较长时,器件P 区与N 区无法达到剂量平衡,也会降低器件击穿电压。通过分析可知,相同条件下,当浮空层长度为30um时,器件击穿特性达到最优。

3 结论

本文提出了一种带有部分浮空层的PFL-LDMOS,利用仿真软件建立二维击穿模型,通过器件参数优化改善器件击穿特性。仿真结果表明,浮空层的引入能有效提高器件击穿电压。参数优化结果表明,当浮空层长度为30um 时,器件击穿特性达到最优;参数优化结果为LDMOS 器件设计提供依据。

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