论文摘要
LDMOS（Lateral Double-Diffused MOSFET）作为一种横向功率器件，其电极均位于器件表面，易于通过内部连接实现与低压信号电路以及其它器件的单片集成，同时又具有耐压高、增益大、失真低等优点，如今已被广泛应用于功率集成电路中。这当中，LDMOS结构设计的优劣以及LDMOS自身工作的可靠性决定了整个功率集成电路的性能。传统LDMOS的设计主要围绕着击穿电压和特征导通电阻之间的合理折衷来进行，但由于功率集成电路自身大电流、高电压的特点，其许多应用都要求在高温下工作，因而对LDMOS的安全工作区进行设计也是必不可少的。因而需要对三者综合考虑，以提高器件性能。基于此，本文通过二维器件模拟软件MEDICI对高压LDMOS的主要参数如场极板、漂移区等进行了细致的模拟与分析，同时对LDMOS的安全工作区，击穿特性以及主要的高温特性进行了分析与建模，这些分析将有助于设计者对LDMOS进行优化设计。本文首先回顾了功率器件的发展历史，接着介绍了几种结终端技术，如场极板、场限环、横向变化掺杂等，这些结终端技术在LDMOS的设计中被普遍运用。然后，考虑到LDMOS的各种具体应用范围，结合当今LDMOS的设计现状介绍了几种具体的LDMOS结构，并比较了其主要性能参数。LDMOS的场极板设计一直是LDMOS设计中容易忽略和遗漏之处。本文针对单阶梯LDMOS的场极板进行了全面的模拟与分析。模拟发现，对于以LOCOS工艺为基础制作的多晶硅场极板，场极板的长度、高度以及该有源区表面被侵蚀厚度等对击穿电压均有一定的影响。在此基础上，我们提出了一种双阶梯场极板LDMOS，通过优化设计，其击穿电压和导通电阻均比单阶梯LDMOS大大提高。由于LDMOS的漂移区对击穿电压和导通电阻的影响最大，本文接着对LDMOS的漂移区进行了设计，对于采用RESURF技术的LDMOS，通过调节漂移区结深、长度、注入剂量等工艺参数，可以在击穿电压和导通电阻之间达到最合理的折衷。对于LDMOS击穿特性的建模是LDMOS研究的热点和难点，本文在其他作者研究的基础上对LDMOS的击穿特性进行了全面的研究。首先分析了LDMOS的击穿机理，通过对LDMOS的击穿位置的模拟，归结出LDMOS的击穿位置可分为在表面击穿和漏区下方体内击穿两种，并相应的予以建模。通过对LDMOS的非等温模拟，本文对LDMOS的安全工作区（SOA）进行了初步研究。LDMOS的安全工作区是一个综合的参数，它和多种因素相关联，基本上可以分为短期SOA和长期SOA两种，本文相应地给予了改进方案。鉴于温度效应对LDMOS的可靠性影响甚大，本文对LDMOS阈值电压、导通电阻的温度效应进行了研究与建模，结果表明LDMOS的阈值电压随温度的上升近似线性降低，导通电阻则呈平方律抛物线增长，与模拟结果十分吻合。在工艺设计上，抛弃了传统外延工艺，器件直接在单晶衬底上实现。所设计的LDMOS既可应用于HVCMOS，也可由BCD工艺实现，即降低了成本，又大大增加了实际流片的灵活性。文中使用工艺模拟软件Tsuprem4对器件进行了工艺模拟，给出了简明工艺流程，最后对LDMOS单管的版图进行了设计。