基于超薄外延技術(shù)的雙擴(kuò)散新型D-RESURF LDMOS設(shè)計(jì)

摘要：文中針對(duì)高壓節(jié)能應(yīng)用領(lǐng)域，開(kāi)發(fā)了一種基于超薄外延技術(shù)的雙擴(kuò)散BCD兼容工藝，實(shí)現(xiàn)了一種新型D-RESURF結(jié)構(gòu)的700V LDMOS設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)中N型外延的厚度減小為4．5μm，漂移區(qū)長(zhǎng)度縮減至70μm，使得芯片面積和制造成本大幅減小。并通過(guò)仿真設(shè)計(jì)，優(yōu)化了器件結(jié)構(gòu)的表面電場(chǎng)分布，使反向擊穿電壓達(dá)到700V的同時(shí)，使器件導(dǎo)通電阻降為33Ω·mm2。流片結(jié)果表明，功率管可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵詞：超薄外延；D-RESURF；雙阱高壓LDMOS；VLD

0 引言
SPIC(Smart Power IC)目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于開(kāi)關(guān)電源、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、工業(yè)控制、汽車(chē)電子、日常照明、家用電器等領(lǐng)域。在SPIC中，通常需要將耐高壓的功率器件與低壓控制電路集成在同一芯片上。在高壓功率器件應(yīng)用領(lǐng)域中，LDMOS由于工作電流密度大、導(dǎo)通電阻低、開(kāi)關(guān)特性好等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用。從工藝應(yīng)用角度看，LDMOS擁有橫向結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，可采用BCD工藝條件將LDMOS、CMOS和BJT器件單片集成在同一硅片上。在LDMOS設(shè)計(jì)過(guò)程中，新技術(shù)的應(yīng)用決定了器件的耐壓和導(dǎo)通電阻特性。在本文中，LDMOS成熟地在結(jié)構(gòu)中引入了D-RESURF技術(shù)，D-RESURF技術(shù)是在N型漂移區(qū)表面引入P型降場(chǎng)層形成節(jié)終端擴(kuò)展區(qū)，可使表面電場(chǎng)得到改善，同時(shí)增加了器件反向擊穿電壓；另外D-RESURF技術(shù)也使漂移區(qū)單位面積可注入雜質(zhì)密度增大，從而降低了器件的導(dǎo)通電阻。
目前，高耐壓的LDMOS一般采用厚度為10μm左右的外延層，其外延厚度遠(yuǎn)高于目前標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝，并且用于高壓集成時(shí)需要增加對(duì)通隔離的時(shí)間，因而不易與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容。為了解決上述問(wèn)題，本文采用了P埋層的薄外延完善該LDMOS結(jié)構(gòu)，以傳統(tǒng)CMOS工藝，在厚度為4.5μm的超薄外延層上，仿真設(shè)計(jì)了耐壓為700V以上的LDMOS器件。

1 器件結(jié)構(gòu)與分析
本文中所采用的雙擴(kuò)散高功率的BCD工藝涉及了多種類(lèi)型器件，主要包括耐壓為700V的高壓LDMOS、耐壓為40V的中壓MOS管、5．8V低壓CMOS器件、二極管、電阻等。因此在設(shè)計(jì)LDMOS的過(guò)程中需要考慮與其他器件在工藝加工過(guò)程、注入濃度、版次等方面的匹配性。
新型雙擴(kuò)散LDMOS的設(shè)計(jì)要求是：在4．5μm超薄外延層工藝條件下，可以滿(mǎn)足700V以上高耐壓要求，同時(shí)盡可能的降低導(dǎo)通電阻；在此基礎(chǔ)上壓縮漂移區(qū)長(zhǎng)度，優(yōu)化器件的結(jié)構(gòu)尺寸，達(dá)到減小芯片版圖面積和制造成本的目的。雙擴(kuò)散LDMOS的結(jié)構(gòu)如圖1所示，多環(huán)P型降場(chǎng)層P-topring被分為數(shù)個(gè)隔離的島，用以改善器件的表面電場(chǎng)；圖中的P-sub表示工藝中采用P型襯底材料；LDMOS的耐壓漂移區(qū)分為上下兩部分：
HVnwel表示N型外延層漂移區(qū)部分，DNW表示器件襯底漂移區(qū)部分；Pwell表示LDMOS的體區(qū)，用來(lái)形成MOS器件的溝道。LDMOS的柵板位于體區(qū)上方，它的右側(cè)延伸了一段到場(chǎng)氧上，形成場(chǎng)板，用來(lái)改善器件表面電場(chǎng)分布。

1．1 器件表面降場(chǎng)層的結(jié)構(gòu)描述
在器件表面降場(chǎng)層的設(shè)計(jì)中采用了DRESURF技術(shù)，在器件的源漏端之間的N型漂移區(qū)表面引入了相反導(dǎo)電類(lèi)型的多個(gè)P-top環(huán)形摻雜區(qū)。這些環(huán)形降場(chǎng)層的設(shè)計(jì)是基于橫向變摻雜(VLD)技術(shù)，VLD技術(shù)是通過(guò)改變雜質(zhì)注入窗口的尺寸和間距，有效地控制P-top降場(chǎng)層在器件表面的濃度分布。在P型雜質(zhì)以相同的注入濃度注入后，雜質(zhì)通過(guò)不同間距和尺寸的窗口進(jìn)入漂移區(qū)表面，在相同的環(huán)境溫度下產(chǎn)生橫向和縱向擴(kuò)散，最終在器件表面的降場(chǎng)層濃度分布近似線性，從漏端到源端濃度的線性增加，可以使表面電場(chǎng)的分布均勻。P-top降場(chǎng)層被分為九個(gè)不同間隔的區(qū)域，如圖2所示，P-top從左到右各環(huán)的橫向尺寸Wn在逐漸變大，而環(huán)間距Sn則逐漸變小，實(shí)現(xiàn)從左到右(從漏到源)P-top降場(chǎng)層濃度的近似線性分布。

在這些P-top區(qū)域的P型雜質(zhì)是以高能量，高濃度的方式注入，這樣可以確保器件HNV漂移區(qū)保持較高的雜質(zhì)濃度來(lái)耗盡P-top反型區(qū)，在漂移區(qū)外延層內(nèi)，如此高的積分電荷器件確保了器件擁有較低的導(dǎo)通電阻。