一種具有高擊穿電壓和低導通電阻的新型鰭狀柵極LDMOS*

蔣志林，王旭鋒，于平平，姜巖峰

(江南大學電子工程系，物聯網技術應用教育部工程研究中心，江蘇 無錫 214122)

近年來碳化硅(SiC)和III－V 族型的氮化鎵(GaN)器件因其具備高電子遷移率，高特征頻率，耐高壓和耐高溫等優點被認為是高功率開關器件的最優選擇，但這兩者在生產中材料的晶體缺陷率一直很高，導致價格居高不下，難以大規模應用[1－3]。隨著5G 技術的迅速發展，移動通訊系統中大量采用射頻電路，工作頻率在幾百MHz 到幾個GHz 之間，迫切需要價格合適的高頻高耐壓的功率開關器件[4－6]，同時便攜式設備快速充電器的驅動電路也需要高頻大電流耐高壓的開關器件[7]。區別于GaN 和SiC 功率器件需特殊制造工藝[8－9]，橫向雙擴散MOSFET(LDMOS)同CMOS 工藝兼容[10]，其導通電阻也很小，耐壓也很高，且價格便宜性能穩定，非常適合作為以上領域中所需的大功率開關器件。

LDMOS 型功率器件的主要電學特性包含比導通電阻(Ron.sp)、源漏擊穿電壓(BVpp(Si))以及開關速度，可以由式(1)和式(2)計算得出[11]，其中q是電子電荷，WD是導電溝道寬度，μn是電子遷移率，ND是N 漂移區電子濃度。

由式(1)和(2)可知，通常增強型MOSFET 導電溝道的形成需要向柵電極施加電壓，而溝道有效寬度對器件的比導通電阻具有很大的影響[12]。當有效寬度一定時Ron.sp和BVpp(Si)都隨著ND的降低而反向增加。高擊穿電壓通常伴隨著大比導通電阻，而實際應用中常要求較高擊穿電壓和較小導通電阻并存，如何緩解這種矛盾是LDMOS 設計的難點。以往的研究思路有:添加以半絕緣的多晶硅制成的電阻場板，使漂移區電場分布更均勻，在降低漂移區表面峰值電場的同時提高中部橫向電場強度[13－14]；通過改變漂移區梯度摻雜濃度提高器件耐壓并降低導通電阻[15]，但會增加工藝復雜度；通過改變N 漂移區長度來增大擊穿電壓[16]，但會同時增大導通電阻。

本文結合上述思路，在傳統LDMOS(Con-LDMOS)的基礎上加入嵌入式場板得到鰭狀柵極LDMOS(FG-LDMOS)，該器件橫截面上溝道變得曲折，能在不增大自身體積的情況下實現了溝道有效寬度的增加，提高了擊穿電壓，降低了比導通電阻[17]。

1 器件結構與制備

Con-LDMOS 和新型FG-LDMOS 的結構分別如圖1(a)和圖1(b)所示，該FG-LDMOS 中的鰭狀柵極是通過在溝道處刻蝕一組淺溝槽[18－19]，再經熱氧化后填充半絕緣的多晶硅而形成的，沿著AB 線剖開后包含溝道的FG-LDMOS 橫截面如圖1(c)所示，可以清晰地看出除了在柵極正下方形成N 溝道外，在垂直插入柵結構的每一側都增加了2 個豎向的溝道結構。

圖1 兩種器件的結構圖及FG-LDMOS 的橫截面圖

圖2(a)和2(b)分別顯示出了Con-LDMOS 和FG-LDMOS 在導通時SiO2層下電子的分布情況。由于插入了鰭狀柵極，極大地增加了SiO2下方與P襯底交界處形成的溝道的有效寬度，從而加寬了自由電子的傳輸通道，提供更大的導通電流。此外以多晶硅插入結構作為場板增強了器件的場板效應，提高了其耐壓值。鰭狀柵極的CMOS 工藝步驟如圖3 所示，首先在P 襯底上刻蝕出鰭狀溝槽，對其表面進行熱氧化形成很薄的SiO2絕緣層，然后填充相應形狀的多晶硅，最后一層鋁作為金屬電極。該FG-LDMOS 外延層中漂移區的厚度為1.5 μm，在生成鰭狀柵極的過程中，柵漏極間會伴生出RESURF(Reduced Surface Field)結構，利用器件中電場分布的二維效應降低其表面電場，讓器件的雪崩擊穿發生在體內而不是表面，如此可進一步增大器件的擊穿電壓。

圖2 器件導通時氧化層下方N 溝道中電子分布

圖3 FG-LDMOS 的工藝步驟

2 仿真與分析

利用Silvaco TCAD 對FG-LDMOS 的輸出特性、傳輸特性、擊穿電壓、比導通電阻和開關特性進行仿真[20]。仿真參數如表1 所示，FG-LDMOS 與Con-LDMOS 兩者的溝道長度都為1 μm，柵極氧化層厚度都為50 nm，器件尺寸都為10 μm×3 μm×10 μm，兩者的襯底、P 阱、N 漂移區和源/漏區摻雜濃度分別為5×1014cm－3、1×1017cm－3、1×1016cm－3、1×1020cm－3。FG-LDMOS 向下的刻蝕深度為1.5 μm，其等效溝道寬度WD－FG＝1.5 μm×6＋3 μm＝12 μm。

表1 器件仿真參數

根據文獻[21－22]可知，FG-LDMOS 器件的RESURF 結構會改變其柵漏極間的表面電場，使靠近柵漏兩端的電場分布翹起來，在y軸方向(與AB線平行)上取多組截面測量沿x軸方向(即從源極到漏極)的電場強度分布情況后求出平均曲線，再將其與Con-LDMOS 的電場強度分布情況對比得圖4。分析可得兩種器件的開關電壓大部分由位于4 μm 到5 μm 處的N 溝道承擔，兩者的電場強度峰值都出現在源極到漏極方向的N 溝道起始處(即4 μm 處)，其中FG-LDMOS 的電場強度峰值比Con-LDMOS 的小1×105V/cm，表明該FG-LDMOS的電場分布更均勻[22]。這是因為FG-LDMOS 在N漂移區下降速度變小，其電場強度沿x軸方向積分得到的擊穿電壓變大了。當漂移區摻雜濃度都為1×1016cm－3且VGS＝0 V 時，從如圖5 可知FG-LDMOS的擊穿電壓較Con-LDMOS 從80 V 提高到100 V，提升了25%。

圖4 Con-LDMOS 和FG-LDMOS 的器件橫向電場強度分布

圖5 Con-LDMOS 和FG-LDMOS 的漏極電流IDS與漏源電壓VDS的關系

由于P 阱摻雜濃度是從上到下遞減的，導致溝槽側壁的氧化物－硅交界處縱向電子濃度隨槽深遞減，側壁溝道中電場強度也隨深度遞減，使FG-LDMOS 的場板效應較Con-LDMOS 增強，這進一步引起器件開關特性的變化。受此影響的兩種器件的轉移特性和跨導特性曲線如圖 6，可見FG-LDMOS 的閾值電壓僅為1.1 V，比Con-LDMOS的閾值電壓(2.0 V)降低了45%；同時FG-LDMOS的最大跨導為0.26 mS，比Con-LDMOS 的最大跨導(0.13 mS)高出一倍；在相同的柵極偏置電壓下FG-LDMOS 具有更大的漏極電流。此外隨著跨導的增加，開關器件的上升和下降延時均減小，進而改善系統的高頻特性。

圖6 Con-LDMOS 和FG-LDMOS 的轉移特性和跨導特性曲線

兩種器件的電流密度分布情況分別如圖7(a)和(b)所示，將電流密度值取以10 為底的對數后從0 到6(單位A/cm2)分成10 等份。當VDS＝20 V，VGS＝3 V 時，FG-LDMOS 工作在飽和區，此時Con-LDMOS 的電流密度值能達到103量級，而FGLDMOS 的卻能達到105量級。這表明由于鰭狀柵極的作用，FG-LDMOS 最大電流密度也更高，在通道中具有更大的電流密度分布范圍，故其積分得來的導通電流IDS應比Con-LDMOS 高得多。圖8 所示的Con-LDMOS 和FG-LDMOS 的輸入輸出特性曲線驗證了這一推論，當柵極偏置電壓同為3 V 時，Con-LDMOS 的飽和電流為0.046 mA，而FG-LDMOS 的飽和電流為0.29 mA，增加了530%，可見同等情況下FG-LDMOS 具有更大的導通電流。

圖7 當VDS=20 V 且VGS=3 V 時兩種器件電流密度分布

圖8 兩種器件的在不同柵壓下的輸入輸出特性曲線

表2 列出了Con-LDMOS 和FG-LDMOS 的比導通電阻Ron.sp和品質因數FOM。FG-LDMOS的比導通電阻與Con-LDMOS 相比，從3.62 mΩ/cm2降低到2.68 mΩ/cm2，減小了25%；FG-LDMOS 的品質因數與Con-LDMOS 相比從1.84 MW/cm2增加至3.58 MW/cm2，提高了94.5%。綜上該FG-LDMOS 的優勢非常明顯。

表2 兩種器件的比導通電阻與品質因數對比

功率MOSFET 的開關速率取決于等效輸入電容器的充電或放電速率。圖9 表示FG-LDMOS 與Con-LDMOS 開啟時的延時特性及相應的測試方法:在柵極輸入一個幅值為4 V 的階躍信號Vin，其上升時間為1 ns，觀察輸出電壓Vout的下降情況。Vout的一端與60 V 的VDD 連接，另一端通過LDMOS 接地。仿真得出Con-LDMOS 開啟延時為0.92 ns，而FG-LDMOS 的開啟延時僅為0.81 ns，減小了12%。FG-LDMOS 開關速度變快，除了受其閾值電壓下降作用外，其結構中寄生參數的影響也不容忽視。

圖9 兩種器件開啟時的瞬態特性曲線

米勒電容CGD隨著漏極－源極電壓VDS的增大而減小，電容柵極電荷量QGD隨之變化[23－24]。米勒電容是影響LDMOS 高頻開關的最大寄生參數，會改變開關的延時特性，其測量方法如圖10 電路所示，當VDS上升到3 V 后，寄生柵漏電容CGD趨于穩定。Con-LDMOS 的CGD降至0.68×10－16F/μm，而該FGLDMOS 的CGD降至0.46×10－16F/μm，較前者減小了32.4%，從而減小了寄生參數，改善了高頻特性。

圖10 兩種器件米勒電容CGD隨VDS的變化曲線

3 結論

本文提出了一種新的鰭狀柵極結構的FG-LDMOS，在不改變器件尺寸大小的情況下增加了導電溝道的有效寬度，與相同大小的Con-LDMOS 相比，其擊穿電壓提高了25%，比導通電阻降低了25%，跨導gm幾乎增大了一倍，品質因數FOM 提高了94.5%。可以預見的是，該FG-LDMOS 在射頻通信系統和高頻驅動電路中有一定的應用價值。