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射频LDMOS的击穿电压与静电保护

作　者: 习毓
导　师: 李德昌
学　校: 西安电子科技大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: RESURF 雪崩击穿电压 ESCR-LDMOS 静电放电 二次电流
分类号: TN386
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要


横向高压功率器件LDMOS(Lateral Diffused Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)以其高耐压、高增益、高跨导、宽动态范围、低失真和易于与低压电路工艺兼容等优点,广泛应用于射频功率集成电路中。射频大功率LDMOS由于具有P、L波段以上的工作频率和高的性价比而成为3G手机基站射频放大器的首选器件。如今LDMOS已经发展到了第五代,设计者们都在努力的通过改变器件的结构或者工艺来提高器件的整体性能。因此,本文在频率特性和电学特性满足使用要求的情况下,主要集中在可靠性的研究方面。本文利用二维器件模拟软件ISE,建立了射频LDMOS器件的模型,比较了射频LDMOS器件的击穿电压和衬底浓度、漂移区浓度、沟道区浓度的关系,分析了RESURF技术原理,验证了RESURF技术对提高LDMOS击穿电压的作用。最后,通过对各个参数的模拟比较,得到了优化的射频LDMOS结构,在大量模拟实验的基础上,最终为射频LDMOS的设计奠定了数据基础。射频LDMOS可靠性的研究主要从两个方面进行。一方面是从击穿电压方面研究,击穿电压是射频LDMOS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,我们主要从结构上进行调整,使器件的击穿电压满足使用要求,同时分析了RESURF技术原理,讨论了击穿电压和衬底浓度、漂移区浓度、沟道区浓度的关系。另一方面是从ESD方面进行研究,由于静电放电引起的局部电热击穿也是LDMOS可靠性关键的一个方面,在论文中主要讨论了电热击穿的基本机理和在不增加器件尺寸的情况下不同的LDMOS结构在提高二次电流方面的作用。我们在二维器件模拟软件ISE平台下,采用RESURF技术,提出了在器件内部嵌入一个寄生晶闸管的横向双扩散MOSFET(ESCR-LDMOS)结构。模拟了基于RESURF技术的RF-LDMOS的频率参数(ft、gm)、电学参数(Vt、Idss、BVds)和反应可靠性的雪崩击穿电压(BVds)和二次电流(It2)。文中重点讨论了ESCR-LDMOS器件的击穿电压、电热击穿机理和由于ESD引起的二次电流It2和频率特性,最后给出器件的各个电学参数的模拟结果。在工作频率为1GHZ、阈值电压为3.8V且在不增加器件尺寸、并保持相同的漂移长度(2.7um)和击穿电压(40V)的情况下,与传统的LDMOS器件结构相比,ESCR-LDMOS新结构的二次电流It2是普通LDMOS的7.5倍,并表现出优异的频率特性。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-8
第一章 绪论  8-18
  1.1 LDMOS功率器件的发展和研究进展  8-10
  1.2 与LDMOS可靠性相关的国内外科技发展动态  10
  1.3 选题的目的和意义  10-11
  1.4 LDMOS的研究方向  11-16
    1.4.1 LDMOS的频率特性  11-12
    1.4.2 LDMOS的击穿电压  12-15
    1.4.3 LDMOS的ESD特性  15-16
  1.5 本课题所要完成的工作  16-18
第二章 射频LDMOS的击穿电压  18-32
  2.1 LDMOS的击穿特性  18
  2.2 栅绝缘层的击穿  18-19
  2.3 漏源雪崩击穿  19-23
    2.3.1 击穿电压和衬底浓度的关系  20
    2.3.2 击穿电压和漂移区浓度的关系  20-22
    2.3.3 击穿电压和沟道区浓度的关系  22-23
    2.3.4 满足击穿电压要求情况下的阈值电压  23
  2.4 提高漏源雪崩击穿电压的技术  23-30
    2.4.1 RESURF技术  24-25
    2.4.2 双RESERF LDMOS结构  25-27
    2.4.3 场板技术  27-29
    2.4.4 具有n~+浮空等位层的LDMOS结构  29-30
  2.5 本章小结  30-32
第三章 射频LDMOS的静电保护  32-50
  3.1 静电效应  32-34
  3.2 静电放电模型  34-37
    3.2.1 人体等效放电模型（Human-Body Model，HBM）  34-36
    3.2.2 机器放电模型（Machine Model，MM）  36-37
  3.3 LDMOS的电热击穿机理和特性  37-41
    3.3.1 LDMOS和MOS在ESD过程中的差异  37-40
    3.3.2 LDMOS的电热击穿机理  40-41
  3.4 LDMOS的静电保护分类  41-48
    3.4.1 静电保护电路  41-44
    3.4.2 自保护结构  44-48
  3.5 本章小结  48-50
第四章 射频ESCR-LDMOS的结构和模拟  50-68
  4.1 ESCR-LDMOS的结构及等效电路  50-51
  4.2 ESCR-LDMOS的工艺参数  51
  4.3 ESCR-LDMOS和LDMOS的击穿机理  51-52
  4.4 ESCR-LDMOS关于ESD的工作原理分析  52-53
  4.5 ESCR-LDMOS的阈值电压  53-54
  4.6 ESCR-LDMOS的电流电压输出曲线  54-55
  4.7 ESCR-LDMOS的雪崩击穿电压  55-58
    4.7.1 ESCR-LDMOS漏源雪崩击穿电压BV_(DS)与漂移区的关系  56-57
    4.7.2 ESCR-LDMOS漏源雪崩击穿电压与衬底浓度之间的关系  57-58
    4.7.3 ESCR-LDMOS漏源雪崩击穿电压与沟道区浓度之间的关系  58
  4.8 ESCR-LDMOS的频率参数  58-64
    4.8.1 影响ESCR-LDMOS电容特性的因素  59-63
    4.8.2 影响ESCR-LDMOS 跨导特性的因素  63-64
  4.9 ESD引起ESCR-LDMOS电热击穿的模拟分析  64-67
    4.9.1 ESCR-LDMOS的电热模拟结果分析  65
    4.9.2 ESCR-LDMOS的二次击穿电流分析  65-66
    4.9.3 ESCR-LDMOS的电子电流密度分布  66-67
    4.9.4 ESCR-LDMOS的电场分布  67
  4.10 本章小结  67-68
第五章 结束语  68-69
  5.1 结论  68
  5.2 未来的计划  68-69
参考文献  69-73
致谢  73-74
研究成果  74-75

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 半导体技术 > 场效应器件
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