射频LDMOS器件结构和ESD保护研究

1、西安电子科技大学硕士学位论文射频LDMOS器件结构和ESD保护研究姓名：许晟瑞申请学位级别：硕士专业：材料物理与化学指导教师：李德昌;郝跃20070101摘要摘横向高压功率器件（要）有耐高压、增益大、动态范围宽、失真低和易于和低压电路工艺兼容等特点。随着半导体工艺技术的不断成熟，越来越广泛地应用于功率集成电路及智能功率集成电路中。射频大功率由于具有、波段以上的工作频率和高的性价比而成为手机基站射频放大器的首选器件。因此，对器件的电学特性研究与建模有着重要实际意义。本文使用器件模拟软件，建立了射频的器件模型，比较了射频器件的击穿电压和衬底浓度、漂移浓度、沟道浓度的关系，通过对各个参数的模拟比较，

2、得到了优化的射频结构，在大量模拟实验的基础上，为最终射频的设计奠定了数据基础。源电容萨与栅源电压啦漏源电压的关系；研究了栅氧化层厚度，漂移区浓度，沟道区浓度等参数对盘的影响。文章使用二维器件模拟软件，模拟并研究了栅漏电容和栅本文研究了器件在（）应力下的击穿机理，并分析比较了目前流行的器件的静电保护结构：深漏极的双结构、结构、结构，提出了适合我们自己开发的的静电保护方案。本文提出并研究了采用双技术的槽栅横向双扩散（）。与传统的器件结构相比，新结构在相同的漂移长度和导通电阻下，击穿电压提高了，并表现出优异的频率特性。关键词：结构电容曲，；（锚（咐。（由，妇，：，关键词：创新性声明本人声明所呈交的论

3、文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。本人签名：关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。

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5、器件这一高科技领域的诞生。在此后的半个多世纪中，功率器件的发展同新月异，大致经历了个阶段：第一阶段是六十到七十年代，各种类型的晶闸管和大功率晶体管有很大的发展，即为双极性的年代。其服务对象是以工业应用为主，包括电力系统，机车牵引等。第二阶段是八十到九十年代，由于功率的兴起，使电力电子步入了一个新的领域。二十一世纪前后，功率半导体器件的发展又进入到第三阶段，即和集成电路结合愈来愈紧密的阶段。固态功率放大器广泛应用在卫星通信、移动通信、雷达和电子战以及各种工业装备中。随着无线通信和军事领域新标准新技术的发展，同益要求提高的性能，使之在更宽频带内，具有更高的输出功率、效率和可靠性。为了满足以上各种应

6、用需求，近年来人们不断推动微波功率放大器的发展和进步。在这年的发展过程中，微波器件及微波技术的发展是推动微波功率放大器发展的两大因素。微波器件的发展使微波功率放大器的发展成为可能，微波技术的发展使微波功率放大器的性能得到提高。年，功率的诞生逐步改变了整个功率半导体器件的面貌。九十年代开始，功率用于中小功率领域，随后逆变器件、晶闸管、功率双极型晶体管逐步让位于，其中功率管替代功率晶体管占领新市场的速度达到的年增长率。随着时代的到来，射频系统所用的半导体器件在不断更新，包括、器件和等。器件是功率器件在微波领域的出色结合，已对和双极器件构成很大威胁，并成为基站助率器件的首选。射频器仆结构研究和保护的

7、器件结构和特点（）横向双扩散金属一氧化物场效应晶体管最早是年由等人提出的，它的典型结构如图所示，它是在保持普通优点的基础上，通过横向双扩散技术形成沟道区，并在漏极和沟道之间引入漂移区。漂移区可以采用外延工艺，也可以采用离子注入。与早期的之不同主要有两点：在沟道与漏极之间增加了一个较长的低浓度漂移区。高阻漂移区的存在提高了击穿电压，并减小了漏、源两极之问的寄生电容，有利于提高频率特性。同时，漂移区在沟道和漏之间起缓冲作用，削弱了的短沟道效应。由于该区的杂质浓度：型沟道区的低，当漏电压增加时，耗尽区主要向低浓度的漂移区延伸，所以只要适当选取漂移区的长度及型沟道区：型漂移区的电阻率就可使这种结构的承

8、受较高的电压而不会产生击穿或穿通，即漂移区是承载高压的区域。沟道区的长度主要由两次扩散的结深来控制，所以沟道长度可以做得很小而不受光刻精度的限制，这样就可以对沟道区进行精确控制，再加上增加沟宽的措施后，器件的电流也可以做得较大。源，栅漏幽。：咱一漂移区衬底掺杂浓嫂¨土掺杂浓度瓜：幽器什结构和浓度分布具有高增益、高跨导、频率响应好、高线性、控制简单、开关速度快、大的安全工作区、无闭锁、热稳定性好、易与电路集成等优点而得到了广泛的应用，与其他功率半导体器件的比较如表、表。和表所示。第一章绪论表与性能比较表微波功率双极型晶体管（）：作机理少数载流子导电多数载流子导电常关电压控制常关电流控制

9、特低电流区平方伏安特性指数伏安特性性高电流区线性伏安特性。（发射极周长），沟道宽度）电流容量不能简单并联，需采用镇流电不产生电流集中，能简单并联阻、内匹配等措施微波大功率时，需内匹配采用分压坏、深结保护等终端采用场板、分压环、深结保护环等耐压能力技术平面终端技术小，要求较大的基极电流，故输入阻抗大，驱动电路设计简单驱动电路设计复杂跨导换算成较大，但上升时下降受沟道宽长比限制，）上升下降导通电阻受集电区外延层限制，较受沟道电阻和漏区高阻层限制，。小，上升氏。增大较大，但大时，氏比小导通电压由工艺参数决定取决于沟道区掺杂及栅介质厚度（安全操作区受二次击穿影响，小无二次击穿，大域）丌关特性少子存储效

10、应，限制开关速度多子漂移，无存储效应，丌关速度比高一个数量级温度特性电流温度系数为下，会发生热温度系数为负，无热斑，稳定性好朋上受基区少数载流子渡越时间限工作频率取决于多子的沟道区场漂移运动制线性性能较好很好，类更好，大动态范围性能较好很好抗烧毁力较差好射频器件结构研究和保护器件和器件同属于功率器件，也同属二家族。差别主要在结构上。表比较表【儿电极位置扩散工艺漂移区漂移区电流方向丌始时间功率芯片的表面结构工艺源栅电极在芯片表面垂直双扩散技术漂移区纵向的结构垂直流过漂移区年，丌始时问比较晚，但源栅漏均在芯片表面横向双扩散技术漂移区横向结构水平流过漂移区是发展速度非常惊人超大功率芯片表面利用率高各

11、极从表面引出，便于在集成时与其他元器件相连在主要用于超视大功率年芯片表面积太大，硅表面利用率不高，频率受影响工艺上与现在高度发展的超大规模集成电路工艺相兼容距雷达、车载移动通信及发应用领域及方向一方面应用在低压、低噪声、小功率，主要是便携式移动通信：另一方面是向微波大功率方向，主要用于发射机及、地面射机等领域，在主要用于电子对抗、雷达等领域：以上主要用相控阵雷达等领域功率损耗线性性能频率特性以下将大量替代的功率损耗比较大站的功率损耗比的功率损耗低很好很好在很好以下将大量替代，而且研究水平有望超过好抗烧毁能力好第一章绪论表、性能比较表工艺工艺比较成熟在功率放大的领域低由于漂移区的存在，工艺很成熟

12、，广泛应用工艺不成熟，成品率器件尺寸的尺寸较小由于的乜的尺寸比是三者当中最小的大差不多倍频率子迁移率的倍，频率可以做的很高可靠性成本功率密度效率输出功率漏极电压热稳定性很好比的略高比略低一般成本比贵迁移率是硅中的电频率比低，在比较高的频率范围受限制频率是三者当中最高的很好由于使用做材料，器件的成本比较低功率密度一般低成本最高功率密度是的倍效率比的高效率大约功率密度最大可达到以上，是三者当中最高的较高和相近较高很高很好非常好器件的研究进展年等人首次研制出了，的微波，并给出了较全面的微波分析及测试。浚器件在时噪声系数为，时，；在振荡电路中时器件输出，效率大于。在的窄带放大器中，增益为，在的宽带放大

13、器中，增益为，而且该器件在时仍有的增益。此后至年代初，研究者们的努力方向是提高击穿电压和增大输出功率。年等人研制出了输出、增射频器什结构研究和保护益和输出、增益的。同年等人又研制出了沟道长度在下连续波输出、增益、漏极效率达的。年等人在源金属尚未延伸覆盖住栅极的情况下，研制出了高效率的靠电池供电移动通信用的低压栅，其沟道长度为，在工作时下输出，增益，漏极效率达，功率附加效率为。年又研制出了在下连续波输出，增益，漏极效率的微波功率。年，的等人研制出了下连续波输出的高性能的微波功率，其增益为，漏极效率为。年又报道了采用推挽结构实现了下连续波输出，增益，漏极效率为的微波功率，而且显示了良好的线性。年月

14、公司也采用推出了系列化的高性能的微波功率产品，如，：，：，；，的系幂系列例。目前摩托罗拉和爱立信在射频大功率方面的研究处于领先地位，在年相继推出了用于的波段波段的之后，年又研制出适于第代移动通信系统用的及相应的放大器。摩托罗拉公司开发的用，年已开发出了基站用的塑料封装晶体管。目前摩托罗拉正在开发第代产品。已推出了两种产品，即强和。爱立信公司相继研制出了工作于的增强型器件。爱立信公司开发的是适用于基站的金金属化晶体管。晶体管在的中可提供的峰包功率（），压缩点的输出功率为。工作于类方式时，典型功率增益。射频微波大功率器件的研制与商品化目前主要以、为主流，国内研制基本空白。、波段、输出功率以上的射频

15、放大系统（如手机基站、雷达）上使用的功率放大器件目前依赖进口，随着系统的发展，基站的数目也将急剧增加，对于性能卓越器件的需求也益增加。大功率、线性好的是基站最具竞争力的器件。开展射频大功率器件的研究与丌发并逐步实现产业化，不仅能填补国内微波射频通信器件国产化的一项空白，而且可以打破国外在此领域的垄断，具有经济和战略上的双重意义。第一章绪论的研究方向由于具有高增益、高跨导、性能价格比高、易与电路集成等优点而得到了广泛的应用，同时对器件的研究，也越来越多的得到了大家的币视。自从年提出了的理沦到今天，已经发展到了第五代，设计者们都在努力通过改变器件的结构或者工艺来提高器件的整体性能。研究的热点主要集

16、中在击穿电压的提高，频率特性的改善等方面。而设计者们也设计出了很多新颖的结构，使的发展同新月异。击穿特性的改善击穿电压是射频的一个重要的电学参数，同时也是器件可靠性的一个重要方面，由于有低掺杂漂移区的存在，使之有较高的击穿电压，为了更适合高压大功率的发展需要，对击穿电压的研究就显得格外重要。为了提高击穿电压而采用的技术主要有：技术】【、内场限环技术和场板技术“¨】【】。的击穿电压下降主要是由于受结界面的影响，表面电场常常在掺杂浓度突变的地方（耗尽区）突然增大，远大于体内的最大电场。故器件的击穿电压往往由表面电场来决定。另外，当碰撞电离发生在表面时，电离过程产生的热载流子容易进入二氧化

17、硅层，在栅氧形成固定电荷，改变了电场分布，严重降低了器件的可靠性。技术的基本原理是：选择适当的漂移区掺杂浓度和厚度，控制漂移区表面的二维电场，使击穿发生在体内从而达到高击穿电压的目的。所以器件必须设计成在沟道和漂移区结的电场尚未达到临界电场之前，即漂移区在表面击穿前要全部耗尽。漂移区厚度应等于或小于发生表面击穿时漂移区和衬底结在漂移区的耗尽层厚度。也就是说，通过降低漂移区掺杂，在沟道矛一漂移区耗尽层的电场尚未达到临界电场之自仃，利用衬底一漂移区的结将漂移区耗尽，降低横向电场强度，减小雪崩击穿的可能性，从而提高击穿电压。技术的原理图如图所示。上印土图，采州技术的器作，射频器，：结构研究和保护球技

18、术已经广泛应用于的设计中，我们在后面童节会详细分析采用技术的器件的原理和应用价值。内场限环的基本原理是在漂移区中插入型区域，漂移区插入内场限环时，内场限环耗尽区的电场与表面电场方向相反，增大了栅场耗尽区的肓效曲率半径，降低了栅极边缘的峰值电场强度，从而提高了器件耐压。采用内场限环技术的的器件结构如图所示。图采用内场限环技术的结构场板技术的原理是在漂移区上方形成半绝缘多晶硅电阻场板，如图所示，处电阻场板产生均匀分布的垂直电场施加于漂移区中，与水平电场合成，迫使漂移区电场分布也均匀化，降低了处的电场强度，从而提高了击穿电压。图采用场扳技术的结构可靠性提高采用技术的结构如图所示，这种结构在的范围内有

19、着非常好的射频特性，这种器件的工艺和的工艺兼容，并得到高的击穿电压和高的频率【】【引。晶体管由于它的击穿电压高，驱动电流大等特性，被广泛的应用于功率集成电路中。而的较有更多的优点，例如具有较高的跨导和输出电导，导通电阻小，阈值电压受衬底偏压的影响小，亚阈值斜率低，漏衬电容很小，功率增益系数高，可以工作在各种恶劣的环境中。严咿第一章绪论图采用技术的结构频率特性的改善射频功率器件是半导体微电子集成电路技术与微波电子技术融合起来的新一代集成化的固体微波功率半导体产品，射频作为射频功率器件的使用，除了需要较高的击穿特性，还需要提高器件的特征频率。对于频率特性的改善，设计者往往从器件结构上来考虑。岁簪芋

20、图器什结构图是射频结构图，这种结构的特点是漂移区的浓度分布不是均一的，而是三层的浓度分布来形成漂移区。这种结构的最大跨导值比传统的提高了，截止频率提高。为了改善频率特性而设计的新结构也日新月异。本论文的研究意义和研究内容本课题研究的目的是在软件平台下建立的器件模型；通过调整各个部分的结构和浓度掺杂，在大量的模拟实验基础上，使器件的各个参数达到作为基站功率放大器的要求，为最终的投片提供数据基础；通过模拟得到大量射频器件结构研究和保护的数据，并和理论进行系统的比较，分析模拟结构，改进器件结构，最终设计出一款工作频率在到、压缩点输出功率为、击穿电压大于具有静电保护能力的微波功率放大器。以其线性度好、

21、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、价格低廉、易于和艺集成等方面的优势已经成为基站最具竞争力的功率器件。我国在、波段、输出功率以上的射频放大系统（如手机基站、雷达）上使用的功率放大器件基本依赖进口。研究出具有自主知识产权的器件不仅具有巨大的市场价值，同时对于打破垄断，国家安全都具有重大的战略意义。器件的能力是器件的可靠性的主要方面，随着器件的尺寸不断缩小，栅氧化层厚度越来越薄，其栅耐压能力显著下降，集成电路失效的产品中有是由于问题所引起的。因此集成电路的静电放电（）保护电路的设计越来越受到了电路设计者的重视。也同样有静电保护的问题。本文在电子科学预先研究基金和陕西电

22、子发展基金的资助下，借助器件模拟工具，研究了射频大功率器件的结构和性能，分析讨论了各个部分的结构对于器件的性能的影响，同时设计具有高抗静电能力的结构。具体如下：、用器件模拟软件对器件进行建模：、确定器件各部分的掺杂浓度，器件各部分的尺寸大小，使器件的电学特性满足作为功率器件的要求；、对器件的阈值电压、击穿电压和跨导进行系统讨论；、对投片的结果进行分析，与模拟结果进行比较；、优化器件结构，使器件达到应用的标准；、分析器件的静电保护原理，研究在应力条件下，器件的特性和器件特性的差别，讨论引起和结构在过程中差异的原因，分析的特性对静电保护的影响；、通过设计保护电路或结构，使器件的能力超过的应用标准，

23、并尽可能少的影响器件的射频参数。设计出具有高能力整体性能优异的。第二章射频击穿特性研究第二章射频击穿特性研究击穿电压是器件非常重要的电学参数，也是器件可靠性的一个重要方面，由有低浓度漂移区的存在，有较高的耐压能力。设计者也广泛采用新技术和新结构来提高击穿电压。主要的方法是技术：通过降低漂移区掺杂，在阱和。漂移区耗尽区的电场尚未达到临界电场之前，利用衬底和漂移区的结将漂移区耗尽，增大了耗尽区边界的曲率半径，从而提高了击穿电压；内场限环技术：在漂移区中插入型区域，在漂移区内形成内场限坏时，内场限坏耗尽区的电场与表面电场方向相反，增大了栅场耗尽区的有效曲率半径，从而提高了器件耐压；加场极板：在漂移区

24、上方形成电阻场板，电阻场板产生均匀分布的垂直电场施加于漂移区中，与水平电场交叠，使漂移区电场分布也均匀化，降低了电场强度，从而提高了击穿电压。技术在提高击穿电压中的应用采用平面工艺制作的结，由于结在表面存在曲率半径、氧化层中的正电荷以及界面念的影响，使得结表面处的电场增大，结击穿首先在表面发生，为了提高击穿电压而在结边缘采取的减小表面电场的技术称为技术。也是现在广泛采用的技术之一，而内场限环技术及场板技术也在提高击穿电压中有一定的应用。图技术原理图技术减小表面电场（）技术是设计器件时提高击穿电压的主要方法，从图中可以看出，结构是由一个决定导通电阻的横向二极管和一个决定器件击穿电压的纵向二极管构

25、成，结构的击穿特性主要由以下三个参数决定：衬底掺杂浓度（只。厶），阱掺杂浓度（训），和阱射频器件结构研究和保护的厚度（厶坩，），所以阱区的电荷总量为。俐×。，。阱的垂直空间电荷区和横向结的空电荷区相互作用，使横向耗尽区的范围变大。从而降低了峰值电场，达到提高击穿电压的目的。所以，为了在提高击穿电压，必须要使横向电场达到临界值之前阱全部耗尽。在这种结构中，阱区的电荷总量就显得特别重要。对于结构的，横向击穿电压为】：生！垒！：。州（一）垂直耗尽区在阱中深度为：（）喇其中，艮为硅的临界场强（兰），岛为硅介电常数，印为外加电压，为单位电荷，为了获得高的击穿电压，在横向二极管发生击穿之前，阱区

26、必须全部耗尽，因为横向的结是电场最容易集中的地方，也是最容易引起击穿的点，这样可以减小电场集中，使击穿发生在纵向结。而为了保证阱垂直耗尽，必须满足下列条件：。删（）。，（）其中见，（）是在临界击穿点时，阱中的垂直耗尽深度。所以，在结构的当中，阱的浓度范围为【：。×。（）而在实际掺杂过程中，为了保证对掺杂浓度和区域的精确控制，往往衬底和阱区之间满足下列条件：。训只，（）所以采用结构时，的理论上限值为当删，只曲时的情况，即：（）击穿电压模拟分析）击穿电压和衬底浓度的关系技术已经广泛应用于高压器件的设计中，根据技第二章射频，穿特性研究术要求弱化表面电场的要求，当器件发生击穿时，击穿点发生在

27、体内，而不是在表面，如果这两个击穿点同时发生时，则说明该器件达到了最大击穿电压。我们使用器件模拟软件，建立了器件的物理模型，确定了器件各个部分的尺寸，在漂移区浓度为×一，深度为，沟道区浓度为一，深度为的情况下，得到击穿咆妪随着衬底浓度的变化关系如图所示。即击穿电压是随着衬底浓度增加而减小的。砖¨陀加明宕队。图衬底浓度和击穿电压的关系漂移区纵向电场分布为【：跚）警”告旷国（）占，为硅的介电常数，为漂移区的离子注入剂量，为衬底中耗尽区宽度，乙为漂移区结深，根据的电离公式可知，当满足：×：（）器件发生雪崩击穿，综合两个式子可见衬底浓度越高，击穿电压越低，和我们模拟结果完

28、全一致。但是在实际制作器件过程中，浓度很低的衬底不容易制备，所以要根据设计的需要合理选择衬底浓度。）击穿电压和漂移区浓度的关系漂移区是和器件结构的主要差异之一，也正是由于浅掺杂射频器川结构岍究剌保护日自卜一、立、一。、口一一一一一吡。哐，一吖，漂移浓度和穿电压的戈系漂移区的存在使的击穿压比传统的高很多。漂移区的氏度、深度和浓度对击穿电压的影响非常大，也是原理的核心所在。般说来，击穿电压随着漂移区长度的增加，沟道区和漂移区横向击穿电压提高但是当漂移长度增大到一定值时，横向击穿电压随着漂移区长度的变化逐渐变缓。我们采用器件模拟软件模拟了漂移区注入剂量与器件击穿电压之间的关系。在衬底浓度为×

29、;”。，漂移区深度为，沟道区浓度×”一，深度为岬，漂移区浓度和击穿电压的关系如图，所示。的在技术磅击宇占，漂移浓鹰较低时；芽点和场分】幽漂移浓度较高时击穿点和场分布的浓度极限值（×”。）附近，击穿屯压迅速下降这电验证了第二章射频击穿特性研究原理在中的正确性。图为漂移浓度×，。时器件的电场分仃。图为漂移浓度为×时器件的电场分布，低浓度时击穿点在漏极附近，高浓度时击穿点在栅极附近。也就是兑，在漂移区浓度不断增加的过程中，伴随着击穿点从漏极到栅极的转移。然而，当漂移区浓度较低的时候，电流密度较小，进而影响到输出功率。所以，击穿电压和输出功率也是矛盾的量，在的设

30、计中要根据应用的需要兼顾。）击穿电压和沟道区浓度的关系日，面我们讨论了衬底浓度和漂移区浓度对击穿电的影响，而对击穿电压的影响，沟道区也有非常显著的作用。和的一个显著区别就是通过横向扩散形成沟道区，而扩散的浓度大小会使耗尽区在漂移区内范围的改变，影响电场分布，进而影响击穿电压的大小。在漂移区浓度为×，衬底浓度为×”一，漂移区深度为时沟道区浓度和击穿电压的关系如图所示。从图中可以看出，在沟道浓度小于×的情况下，击穿电压随着沟道浓度的增加而增加。当沟道浓度大于时，击穿电压趋于稳定。加加加日图沟道浓度和击穿电压的关系在沟道浓度较低的时候击穿电压较低，这是由于沟道区的型注入

31、剂量过低，达不到耗尽浅掺杂的型漂移区的目的，漂移区没有完全耗尽使得器件的耐压能力较弱，随着沟道区浓度的增加，击穿电压不断提高，当沟道浓度上升到使漂移区完全耗尽的时候，击穿电压达到了最大值。当进一步增加沟道区浓度的情况下，击穿电压也就没有明显的变化。在的设计中往往对阂值电压有一定的要求，即需要阈值电压有固定射频器件结构研究币¨保护、孓，图沟道浓度和闽值电压的关系取值范围。阈值电压和沟道区浓度之间有着紧密关系，在漂移区浓度为一，衬底浓度为×一，漂移区深度为时采用器件模拟软件得到的阈值电压和沟道浓度的关系如图所示。也就是阈值电压和沟道浓度是几乎线性的增加。而我们设计的射频的阈值电

32、压的取值为左右，这也就限制了沟道区的浓度范围，即设计过程中沟道区的浓度范围要首先确定，也就是首先保证阈值电压满足设计的要求，所以，玎技术应用到我们设计的器件过程中，也就是只考虑在沟道浓度为定值的情况下，击穿电压和漂移区及衬底浓度的关系了。在沟道浓度为。的情况下，设计出了符合应用要求的阈值电压。阈值电压的大小如图所示。、一目，口一田言。图符合应川要求的射频闽值电压第二章射频击穿特性研究内场限环技术内场限环技术对于提高的击穿电压有着重要的作用，对于漂移区深度较深，浓度较高的情况，通过我们上一节的论述，击穿一般发生在漂移区和沟，綦生；善善善每掣；叠二搿：；：“：！：；：；？：；：？。；扼童。；曩强融

33、嚣嚣：丫；：；图结构的空间电荷分布道区相邻处附近，结构的空间电荷分布和击穿点的分布如图所示。内场限环一般在的沟道和漏极中间，其结构和位置如图中所示，内场限环的存在，大大增加了栅下面的耗尽区的曲率半径。漂移区中的空间电荷向漏极移动，从而大大降低了栅极下面的电场分布。内场限环应用到当中，要发挥最大的作用，环的浓度、深度、和长度对于决定器件的性能都有重要的影响。所以，对于如何进行选择，是要精确的计算和分析的。图内场限环技术的各个部分尺寸在没有内场限环的情况下，栅极下的耗尽长度可以通过下面的式子确定：耻似毒警），（）馘“；和占。分别是硅和氧化层的介电常数，虬是外延层（漂移区）的掺杂浓度，射频器件结构研

34、究和保护是氧化层的厚度，是沟道区和外延层之间的击穿电压。的表达式如下：（挚【（训】）（）其中的表达式为：，：鱼上。（）朋一是内场限环在漂移区内的耗尽深度，表达式为：一（百）¨。：（占，），（一）而艿一是的试验公式【，表达式为：一坨之（）内场限环要发挥作用，则环的左侧必须要在漂移区的耗尽区中，并且和栅相连，满足的关系式为：。（）其中为沟道区和内场限环之间的距离，是栅极薄氧化层下面的漂移区长度。为了减小栅极边缘的电场浓度，内场限环和场板之间必须相互交叠，在开态漏极电压较大的情况，内场限环被耗尽，而外延层和内场限环之间的耗尽电荷是相反的。从而形成了电场，和表面电场方向相反，进而降低了表面电

35、场，提高了击穿电压。为了能够充分的利用这个反向电压提高击穿电压，沟道和内场环之间的距离必须等于场板的长度。关系式为：。，三删（）图内场限环内部和器件整体的空间电荷分布而空间电荷的分布如图所示，内场限环和漂移区之间的浓度及空间电荷之间的关系为：第二章射频击穿特性研究虬。，）其中，和分别是外延层和内场限环的耗尽深度。的掺杂浓度分布。则上式变成了：（一）而（石）是内场限环内部了（一）其中，。是环的表面掺杂浓度，当场板和内场限环相互交叠的时候，则环和外延层结的电压就等于漏压。所以，即使在较低的漏压情况下，环和外延层之间也存在一个较强的电压，为了避免这个结的提前击穿，内场限环必须要充分耗尽。也就是说，必

36、须超过环的结深歹，并且表面的浓度必须满足下列条件：（）在公式（一）中，用币分别替换朋一和曰一，所以表面掺杂浓度的关系式就变为：郇州可）（）本文采用器件模拟软件，在内场限环的结深，表面掺杂浓度为。，栅场板长度和内场限环与沟道之间距离都是。漂移长度为岬，环宽岬的情况下，击穿电压实现了伏。而在没有内场限环的相同情况下，击穿电压为，击穿电压提高了近，内场限环的浓度分布如图所示。采用内场限环技术的的击穿电压如图所示。入：霸轴图内场限环内部的电荷分布射频器什结构研究和保护；¨厂”¨幽采刚内场限环技术的的击穿电压场板技术提高击穿电压的另一个主要的方法是加场极板以降低其表面击穿电压。图是高

37、压驱动电路中的的示意图【”，它的表面击穿电压比未加场极板的击穿电压明显提高。为了说明场扳的作用，先考虑场板是无穷大的情况，在这种情况下管的漏极经过衬底、场氧化层、再至栅极形成一个回路，形成一个电容器。漏极的高压被场氧化层电容器分压，碱小了表面处的雪崩击穿电压。陴孵！一！：！：苎一一一幽加场极板构示意图卜图，昏场极扳为有限情况时，其降低表面击穿电压的效果，除了受上述介绍的无限大场极板形成的电容器的影响外，还要考虑场板的边界效应。有限尺寸场极板的边缘效应，等效一个平面结的击穿电压，因此可咀将无限大场电容器和这个等效结的击穿电压比较，两者之中较小的击穿电压，就是外加场极板的击穿电压。第一：章射频击穿

38、特性研究设的电位移矢量是珧，的电位移矢量是珧，件可知，在和界面应有下式成立【】：§仃由于电磁场的边界条（）盯是界面上的自由电荷密度，综合电位移矢量和电场的关系，则上式变为：可一。册：旦（）其中，：和幺，分别是和的介电常数。法向电场与场强矢量之间关系如图所示。仍弋入仍，瓦图硅中场强与二氧化硅中的场强关系由图可以得到：羞。瓦￥面茏（）层的最小击穿电场为：的情况，此时踟：就是最小击穿场强。实际上这时层中只有法向场强，的相对介电常数为，的介电常数。不考虑界面自由电荷面密度，上式可以写成：商（）其中，是结的体内击穿场强。由于中的场强是均匀电场，又只有法向电场。所以吲）些鼍警凸（）其中一是发生击

39、穿的漏源电压，是栅源电压，是场管的平带电压，射频器件结构研究和保护是图中点的电压，甜是栅下氧化层厚度。综合以上两式，可以得到：矿基一，。筇矗（）其中的表达式为：一毒椰脚（）瓯是的界面态密度；是场氧化层的单位电容。埘是金属半导体功函数差。所以：瓶。：。，。，一腑吮（）乙“是点的电压，处电压近似等于结的电压，为单边结的雪崩击穿，综合漏极衬底结击穿电压得的击穿电压为【】：一：砷。”口一譬埘（）、一虬是漏结的击穿电压，所以。就是场极板的作用引起的。也即场极板的作用提高了击穿电压。以上的几种技术都是提高器件击穿电压的主要方法，在应用中也广泛采用，甚至可以几种综合使用。其中技术应用的最为广泛。在高压领域，内场限环技术和场板技术也有较大的应用前景。喙栅结构技术、内场限环技术和场板技术都可以提高的击穿电压，设计者们也不断的通过改进的器件结构和工艺条件来改善击穿电压及器件的整体性能。为了改善器件的跨导值，需要减小栅极氧化层厚度，但是较薄的栅氧化层厚度会使栅漏电容增大，从而严重影响器件的频率特性。而且，较薄的氧化层厚度使击穿电压有较多的下降，这是由于电场集中在了栅氧化层的边缘。也就是说跨导值