一种具有高击穿电压和低导通电阻的新型鳍状栅极LDMOS*

蒋志林，王旭锋，于平平，姜岩峰

(江南大学电子工程系，物联网技术应用教育部工程研究中心，江苏 无锡 214122)

近年来碳化硅(SiC)和III－V 族型的氮化镓(GaN)器件因其具备高电子迁移率，高特征频率，耐高压和耐高温等优点被认为是高功率开关器件的最优选择，但这两者在生产中材料的晶体缺陷率一直很高，导致价格居高不下，难以大规模应用[1－3]。随着5G 技术的迅速发展，移动通讯系统中大量采用射频电路，工作频率在几百MHz 到几个GHz 之间，迫切需要价格合适的高频高耐压的功率开关器件[4－6]，同时便携式设备快速充电器的驱动电路也需要高频大电流耐高压的开关器件[7]。区别于GaN 和SiC 功率器件需特殊制造工艺[8－9]，横向双扩散MOSFET(LDMOS)同CMOS 工艺兼容[10]，其导通电阻也很小，耐压也很高，且价格便宜性能稳定，非常适合作为以上领域中所需的大功率开关器件。

LDMOS 型功率器件的主要电学特性包含比导通电阻(Ron.sp)、源漏击穿电压(BVpp(Si))以及开关速度，可以由式(1)和式(2)计算得出[11]，其中q是电子电荷，WD是导电沟道宽度，μn是电子迁移率，ND是N 漂移区电子浓度。

由式(1)和(2)可知，通常增强型MOSFET 导电沟道的形成需要向栅电极施加电压，而沟道有效宽度对器件的比导通电阻具有很大的影响[12]。当有效宽度一定时Ron.sp和BVpp(Si)都随着ND的降低而反向增加。高击穿电压通常伴随着大比导通电阻，而实际应用中常要求较高击穿电压和较小导通电阻并存，如何缓解这种矛盾是LDMOS 设计的难点。以往的研究思路有:添加以半绝缘的多晶硅制成的电阻场板，使漂移区电场分布更均匀，在降低漂移区表面峰值电场的同时提高中部横向电场强度[13－14]；通过改变漂移区梯度掺杂浓度提高器件耐压并降低导通电阻[15]，但会增加工艺复杂度；通过改变N 漂移区长度来增大击穿电压[16]，但会同时增大导通电阻。

本文结合上述思路，在传统LDMOS(Con-LDMOS)的基础上加入嵌入式场板得到鳍状栅极LDMOS(FG-LDMOS)，该器件横截面上沟道变得曲折，能在不增大自身体积的情况下实现了沟道有效宽度的增加，提高了击穿电压，降低了比导通电阻[17]。

1 器件结构与制备

Con-LDMOS 和新型FG-LDMOS 的结构分别如图1(a)和图1(b)所示，该FG-LDMOS 中的鳍状栅极是通过在沟道处刻蚀一组浅沟槽[18－19]，再经热氧化后填充半绝缘的多晶硅而形成的，沿着AB 线剖开后包含沟道的FG-LDMOS 横截面如图1(c)所示，可以清晰地看出除了在栅极正下方形成N 沟道外，在垂直插入栅结构的每一侧都增加了2 个竖向的沟道结构。

图1 两种器件的结构图及FG-LDMOS 的横截面图

图2(a)和2(b)分别显示出了Con-LDMOS 和FG-LDMOS 在导通时SiO2层下电子的分布情况。由于插入了鳍状栅极，极大地增加了SiO2下方与P衬底交界处形成的沟道的有效宽度，从而加宽了自由电子的传输通道，提供更大的导通电流。此外以多晶硅插入结构作为场板增强了器件的场板效应，提高了其耐压值。鳍状栅极的CMOS 工艺步骤如图3 所示，首先在P 衬底上刻蚀出鳍状沟槽，对其表面进行热氧化形成很薄的SiO2绝缘层，然后填充相应形状的多晶硅，最后一层铝作为金属电极。该FG-LDMOS 外延层中漂移区的厚度为1.5 μm，在生成鳍状栅极的过程中，栅漏极间会伴生出RESURF(Reduced Surface Field)结构，利用器件中电场分布的二维效应降低其表面电场，让器件的雪崩击穿发生在体内而不是表面，如此可进一步增大器件的击穿电压。

图2 器件导通时氧化层下方N 沟道中电子分布

图3 FG-LDMOS 的工艺步骤

2 仿真与分析

利用Silvaco TCAD 对FG-LDMOS 的输出特性、传输特性、击穿电压、比导通电阻和开关特性进行仿真[20]。仿真参数如表1 所示，FG-LDMOS 与Con-LDMOS 两者的沟道长度都为1 μm，栅极氧化层厚度都为50 nm，器件尺寸都为10 μm×3 μm×10 μm，两者的衬底、P 阱、N 漂移区和源/漏区掺杂浓度分别为5×1014cm－3、1×1017cm－3、1×1016cm－3、1×1020cm－3。FG-LDMOS 向下的刻蚀深度为1.5 μm，其等效沟道宽度WD－FG＝1.5 μm×6＋3 μm＝12 μm。

表1 器件仿真参数

根据文献[21－22]可知，FG-LDMOS 器件的RESURF 结构会改变其栅漏极间的表面电场，使靠近栅漏两端的电场分布翘起来，在y轴方向(与AB线平行)上取多组截面测量沿x轴方向(即从源极到漏极)的电场强度分布情况后求出平均曲线，再将其与Con-LDMOS 的电场强度分布情况对比得图4。分析可得两种器件的开关电压大部分由位于4 μm 到5 μm 处的N 沟道承担，两者的电场强度峰值都出现在源极到漏极方向的N 沟道起始处(即4 μm 处)，其中FG-LDMOS 的电场强度峰值比Con-LDMOS 的小1×105V/cm，表明该FG-LDMOS的电场分布更均匀[22]。这是因为FG-LDMOS 在N漂移区下降速度变小，其电场强度沿x轴方向积分得到的击穿电压变大了。当漂移区掺杂浓度都为1×1016cm－3且VGS＝0 V 时，从如图5 可知FG-LDMOS的击穿电压较Con-LDMOS 从80 V 提高到100 V，提升了25%。

图4 Con-LDMOS 和FG-LDMOS 的器件横向电场强度分布

图5 Con-LDMOS 和FG-LDMOS 的漏极电流IDS与漏源电压VDS的关系

由于P 阱掺杂浓度是从上到下递减的，导致沟槽侧壁的氧化物－硅交界处纵向电子浓度随槽深递减，侧壁沟道中电场强度也随深度递减，使FG-LDMOS 的场板效应较Con-LDMOS 增强，这进一步引起器件开关特性的变化。受此影响的两种器件的转移特性和跨导特性曲线如图 6，可见FG-LDMOS 的阈值电压仅为1.1 V，比Con-LDMOS的阈值电压(2.0 V)降低了45%；同时FG-LDMOS的最大跨导为0.26 mS，比Con-LDMOS 的最大跨导(0.13 mS)高出一倍；在相同的栅极偏置电压下FG-LDMOS 具有更大的漏极电流。此外随着跨导的增加，开关器件的上升和下降延时均减小，进而改善系统的高频特性。

图6 Con-LDMOS 和FG-LDMOS 的转移特性和跨导特性曲线

两种器件的电流密度分布情况分别如图7(a)和(b)所示，将电流密度值取以10 为底的对数后从0 到6(单位A/cm2)分成10 等份。当VDS＝20 V，VGS＝3 V 时，FG-LDMOS 工作在饱和区，此时Con-LDMOS 的电流密度值能达到103量级，而FGLDMOS 的却能达到105量级。这表明由于鳍状栅极的作用，FG-LDMOS 最大电流密度也更高，在通道中具有更大的电流密度分布范围，故其积分得来的导通电流IDS应比Con-LDMOS 高得多。图8 所示的Con-LDMOS 和FG-LDMOS 的输入输出特性曲线验证了这一推论，当栅极偏置电压同为3 V 时，Con-LDMOS 的饱和电流为0.046 mA，而FG-LDMOS 的饱和电流为0.29 mA，增加了530%，可见同等情况下FG-LDMOS 具有更大的导通电流。

图7 当VDS=20 V 且VGS=3 V 时两种器件电流密度分布

图8 两种器件的在不同栅压下的输入输出特性曲线

表2 列出了Con-LDMOS 和FG-LDMOS 的比导通电阻Ron.sp和品质因数FOM。FG-LDMOS的比导通电阻与Con-LDMOS 相比，从3.62 mΩ/cm2降低到2.68 mΩ/cm2，减小了25%；FG-LDMOS 的品质因数与Con-LDMOS 相比从1.84 MW/cm2增加至3.58 MW/cm2，提高了94.5%。综上该FG-LDMOS 的优势非常明显。

表2 两种器件的比导通电阻与品质因数对比

功率MOSFET 的开关速率取决于等效输入电容器的充电或放电速率。图9 表示FG-LDMOS 与Con-LDMOS 开启时的延时特性及相应的测试方法:在栅极输入一个幅值为4 V 的阶跃信号Vin，其上升时间为1 ns，观察输出电压Vout的下降情况。Vout的一端与60 V 的VDD 连接，另一端通过LDMOS 接地。仿真得出Con-LDMOS 开启延时为0.92 ns，而FG-LDMOS 的开启延时仅为0.81 ns，减小了12%。FG-LDMOS 开关速度变快，除了受其阈值电压下降作用外，其结构中寄生参数的影响也不容忽视。

图9 两种器件开启时的瞬态特性曲线

米勒电容CGD随着漏极－源极电压VDS的增大而减小，电容栅极电荷量QGD随之变化[23－24]。米勒电容是影响LDMOS 高频开关的最大寄生参数，会改变开关的延时特性，其测量方法如图10 电路所示，当VDS上升到3 V 后，寄生栅漏电容CGD趋于稳定。Con-LDMOS 的CGD降至0.68×10－16F/μm，而该FGLDMOS 的CGD降至0.46×10－16F/μm，较前者减小了32.4%，从而减小了寄生参数，改善了高频特性。

图10 两种器件米勒电容CGD随VDS的变化曲线

3 结论

本文提出了一种新的鳍状栅极结构的FG-LDMOS，在不改变器件尺寸大小的情况下增加了导电沟道的有效宽度，与相同大小的Con-LDMOS 相比，其击穿电压提高了25%，比导通电阻降低了25%，跨导gm几乎增大了一倍，品质因数FOM 提高了94.5%。可以预见的是，该FG-LDMOS 在射频通信系统和高频驱动电路中有一定的应用价值。