LDMOS概述

LDMOS (橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體)

結(jié)構(gòu)見圖。

在高壓功率集成電路中常采用高壓LDMOS滿足耐高壓、實(shí)現(xiàn)功率控制等方面的要求，常用于射頻功率電路。

與晶體管相比，在關(guān)鍵的器件特性方面，如增益、線性度、開關(guān)性能、散熱性能以及減少級數(shù)等方面優(yōu)勢很明顯。

LDMOS由于更容易與CMOS工藝兼容而被廣泛采用。

LDMOS能經(jīng)受住高于雙極型晶體管3倍的駐波比，能在較高的反射功率下運(yùn)行而沒有破壞LDMOS設(shè)備;它較能承受輸入信號(hào)的過激勵(lì)和適合發(fā)射射頻信號(hào)，因?yàn)樗懈呒壍乃矔r(shí)峰值功率。LDMOS增益曲線較平滑并且允許多載波射頻信號(hào)放大且失真較小。LDMOS管有一個(gè)低且無變化的互調(diào)電平到飽和區(qū)，不像雙極型晶體管那樣互調(diào)電平高且隨著功率電平的增加而變化。這種主要特性允許LDMOS晶體管執(zhí)行高于雙極型晶體管二倍的功率，且線性較好。LDMOS晶體管具有較好的溫度特性溫度系數(shù)是負(fù)數(shù)，因此可以防止熱耗散的影響。這種溫度穩(wěn)定性允許幅值變化只有0.1dB，而在有相同的輸入電平的情況下，雙極型晶體管幅值變化從0.5~0.6dB,且通常需要溫度補(bǔ)償電路。2100433B

1.熱穩(wěn)定性；2.頻率穩(wěn)定性；3.更高的增益；4.提高的耐久性；5.更低的噪音；6.更低的反饋電容；7.更簡單的偏流電路；8.恒定的輸入阻抗；9.更好的IMD性能；10.更低的熱阻；11.更佳的AGC能力。LDMOS器件特別適用于CDMA、W-CDMA、TETRA、數(shù)字地面電視等需要寬頻率范圍、高線性度和使用壽命要求高的應(yīng)用。2100433B

DMOS與CMOS器件結(jié)構(gòu)類似，也有源、漏、柵等電極，但是漏端擊穿電壓高。 DMOS主要有兩種類型，垂直雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管VDMOSFET（vertical double-diffused MOSFET）和橫向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管LDMOSFET（lateral double-diffused MOSFET）。

DMOS器件是由成百上千的單一結(jié)構(gòu)的DMOS 單元所組成的。這些單元的數(shù)目是根據(jù)一個(gè)芯片所需要的驅(qū)動(dòng)能力所決定的，DMOS的性能直接決定了芯片的驅(qū)動(dòng)能力和芯片面積。對于一個(gè)由多個(gè)基本單元結(jié)構(gòu)組成的LDMOS器件，其中一個(gè)最主要的考察參數(shù)是導(dǎo)通電阻，用R ds（on）表示。導(dǎo)通電阻是指在器件工作時(shí)，從漏到源的電阻。對于 LDMOS器件應(yīng)盡可能減小導(dǎo)通電阻，就是BCD工藝流程所追求的目標(biāo)。當(dāng)導(dǎo)通電阻很小時(shí)，器件就會(huì)提供一個(gè)很好的開關(guān)特性，因?yàn)槁┰粗g小的導(dǎo)通電阻，會(huì)有較大的輸出電流，從而可以具有更強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力。DMOS的主要技術(shù)指標(biāo)有：導(dǎo)通電阻、閾值電壓、擊穿電壓等。

在功率應(yīng)用中，由于DMOS技術(shù)采用垂直器件結(jié)構(gòu)(如垂直NPN雙極晶體管)，因此具有很多優(yōu)點(diǎn)，包括高電流驅(qū)動(dòng)能力、低Rds導(dǎo)通電阻和高擊穿電壓等。

LDMOS由于更容易與CMOS工藝兼容而被廣泛采用。LDMOS器件結(jié)構(gòu)如圖1所示，LDMOS是一種雙擴(kuò)散結(jié)構(gòu)的功率器件。這項(xiàng)技術(shù)是在相同的源/漏區(qū)域注入兩次，一次注入濃度較大（典型注入劑量 1015cm-2）的砷（As），另一次注入濃度較小（典型劑量1013cm-2）的硼（B）。注入之后再進(jìn)行一個(gè)高溫推進(jìn)過程，由于硼擴(kuò)散比砷快，所以在柵極邊界下會(huì)沿著橫向擴(kuò)散更遠(yuǎn)（圖1中P阱），形成一個(gè)有濃度梯度的溝道，它的溝道長度由這兩次橫向擴(kuò)散的距離之差決定。為了增加擊穿電壓，在有源區(qū)和漏區(qū)之間有一個(gè)漂移區(qū)。LDMOS中的漂移區(qū)是該類器件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，漂移區(qū)的雜質(zhì)濃度比較低，因此，當(dāng)LDMOS 接高壓時(shí)，漂移區(qū)由于是高阻，能夠承受更高的電壓。圖1所示LDMOS的多晶擴(kuò)展到漂移區(qū)的場氧上面，充當(dāng)場極板，會(huì)弱化漂移區(qū)的表面電場，有利于提高擊穿電壓。場極板的作用大小與場極板的長度密切相關(guān)。要使場極板能充分發(fā)揮作用，一要設(shè)計(jì)好SiO2層的厚度，二要設(shè)計(jì)好場極板的長度。

LDMOS制造工藝結(jié)合了BPT和砷化鎵工藝。與標(biāo)準(zhǔn)MOS工藝不同的是，在器件封裝上，LDMOS沒有采用BeO氧化鈹隔離層，而是直接硬接在襯底上，導(dǎo)熱性能得到改善，提高了器件的耐高溫性，大大延長了器件壽命。由于LDMOS管的負(fù)溫效應(yīng)，其漏電流在受熱時(shí)自動(dòng)均流，而不會(huì)象雙極型管的正溫度效應(yīng)在收集極電流局部形成熱點(diǎn)，從而管子不易損壞。所以LDMOS管大大加強(qiáng)了負(fù)載失配和過激勵(lì)的承受能力。同樣由于LDMOS管的自動(dòng)均流作用，其輸入－輸出特性曲線在1dB 壓縮點(diǎn)（大信號(hào)運(yùn)用的飽和區(qū)段）下彎較緩，所以動(dòng)態(tài)范圍變寬，有利于模擬和數(shù)字電視射頻信號(hào)放大。LDMOS在小信號(hào)放大時(shí)近似線性，幾乎沒有交調(diào)失真，很大程度簡化了校正電路。MOS器件的直流柵極電流幾乎為零，偏置電路簡單，無需復(fù)雜的帶正溫度補(bǔ)償?shù)挠性吹妥杩蛊秒娐贰?

對LDMOS而言，外延層的厚度、摻雜濃度、漂移區(qū)的長度是其最重要的特性參數(shù)。我們可以通過增加漂移區(qū)的長度以提高擊穿電壓，但是這會(huì)增加芯片面積和導(dǎo)通電阻。高壓DMOS器件耐壓和導(dǎo)通電阻取決于外延層的濃度、厚度及漂移區(qū)長度的折中選擇。因?yàn)槟蛪汉蛯?dǎo)通阻抗對于外延層的濃度和厚度的要求是矛盾的。高的擊穿電壓要求厚的輕摻雜外延層和長的漂移區(qū)，而低的導(dǎo)通電阻則要求薄的重?fù)诫s外延層和短的漂移區(qū)，因此必須選擇最佳外延參數(shù)和漂移區(qū)長度，以便在滿足一定的源漏擊穿電壓的前提下，得到最小的導(dǎo)通電阻。

隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的不斷完善與創(chuàng)新以及大規(guī)模集成電路開發(fā)設(shè)計(jì)水平的逐步提高，一方面由于器件工藝尺寸在不斷縮小，短溝道、量子效應(yīng)等小尺寸效應(yīng)越來越明顯，而LDMOS器件由于具有漂移區(qū)，在這方面有比較好的適應(yīng)能力。另一方面，LDMOS應(yīng)用廣泛，但是其SPICE模型的研究還不充分，基于器件物理基礎(chǔ)的電路模型還未建立起來。因此，我們提出“高壓LDMOS的新結(jié)構(gòu)和解析集約-等效電路模型研究”項(xiàng)目，擬將以高壓LDMOS作為研究對象，探索高壓LDMOS的新工藝、新材料和新結(jié)構(gòu)，以獲得性能更好的高壓LDMOS，為集成電路設(shè)計(jì)提供更多選擇，進(jìn)而從其器件物理出發(fā)，結(jié)合各次級效應(yīng)的研究分析，構(gòu)建解析集約模型和等效電路模型，以發(fā)展并完備高壓LDMOS的SPICE模型，從而為大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)提供幫助。此項(xiàng)目具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。