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一种高压SJ-nLDMOS的准饱和特性研究

来源: 编者:徐英雪,马宁,温恒娟 发布时间:2014-01-26

摘要:研究高压SJ-nLDMOS器件中的一种特殊的电流饱和现象—准饱和效应。利用仿真工具SILVACO,对三维nLDMOS器件进行仿真,并从准漏极电压Vd’和漂移区耗尽层入手,研究准饱和效应的物理机制。与常规双RESURF-nLDMOS器件相比,在不改变器件击穿电压的情况下,降低了器件的导通电阻,大幅度提高器件的开态准饱和电流。
关键词:准饱和效应;超结;高压nLDMOS
Abstract:
Keyword:

随着集成电路的快速发展,电子产品越来越小型化智能化复杂化,应用面越来越广泛,比如手机、计算机、等离子电视、汽车电子等等。功率器件作为高压集成电路中的重要部分,要求具有高耐压和大电流等特性。与标CMOS工艺兼容的高压nLDMOS由于电极均在表面易于集成被用于高压功率器件的设计与此同时,研究高压功率器件一些独有的性质,例如准饱和效应,也是一项重要的工作。准饱和效应对于高压器件建模和指导电路仿真有重要的作用[1-3]。关于准饱和效应的产生机理,也有很多种说法[4-6]

高压LDMOS器件为了缓解耐压和导通电阻之间的矛盾关系,常采用双RESURF结构[7-8],如图1a)所示,以提高器件的耐压和降低器件导通电阻。而超结(SJSuper Junction[9-10]的发明和使用,可以进一步优化器件耐压和导通电阻之间的关系。

         

1a)双RESURF-nLDMOS三维结构图     bSJ-nLDMOS三维结构图

本文以高压SJ-nLDMOS结构为例,如图1b)所示,Vd值是沟道和N漂移区的冶金结边界电压,即准漏极电压。高压SJ-nLDMOS结构是在常规单晶型高压nLDMOS器件的漂移区表面增加超结(SJ)结构,旨在降低导通电阻增大电流。借助仿真软件SILVACO,对不同偏置的三维nLDMOS器件进行研究,并从准漏极电压Vd 和漂移区耗尽层入手,研究准饱和现象的物理机制。且相比常规双RESURF高压nLDMOS器件,在相同的耐压条件下,高压SJ-nLDMOS结构可以降低导通电阻提高饱和电流。

1准饱和现象

高压LDMOS较低压MOS器件,最大的区别在于增加了轻掺杂漂移区。该区域有助于器件承受高耐压,但同时由于掺杂浓度较低而增加了器件导通电阻。也正是由于轻掺杂漂移区的存在,高压LDMOS容易发生准饱和效应。器件工作时,沟道载流子会受到两个方向的电场,分别为由栅电压引起的纵向电场EY和漏电压引起的横向电场EX。横向电场EX值高于临界电场(1V/μm)时,容易造成载流子的速度饱和。对于长沟道低压CMOS器件,饱和漏电流与驱动电压(Vg-Vt)的平方成正比;对于短沟道低压CMOS器件,由于载流子容易发生速度饱和,饱和漏电流与驱动电压(Vg-Vt)成正比。而对于高压器件,在栅电压较高时,还有一种特殊的现象,漏电流Id几乎不随栅电压Vg变化,即电流饱和。这一现象称为准饱和特性。

2 SJ-nLDMOS的输出特性曲线

对于本文所研究结构高压SJ-nLDMOS,沟道长度3.5μm,阈值电压为1.2V,其输出特性曲线如图2所示。可以看出,当Vg<4.5V时,随着栅压Vg的增大,漏电流Id是增大的;但是当Vg4.5V时,随着栅压Vg的增大,漏电流Id对栅电压Vg几乎不敏感,出现准饱和现象。

2 准饱和效应的物理机制

2.1准漏极电压

从准漏极电压Vd入手,研究Vd随漏电压Vd和栅电压Vg的变化,有助于分析准饱和效应产生的原因。本文通过仿真工具SILVACO,分析Vd随漏电压Vd和栅电压Vg的变化关系,如图3所示。可以看出,在同一漏电压Vg时,准漏极电压Vd随着Vd的增加而增加;在同一漏电压Vd时,准漏极电压Vg随着栅电压Vg的增加,先变大后减小。结合图2分析,Vd=20V1V<Vg<4V时,器件电流饱和且没有发生准饱和效应;Vd=20VVg4V时,器件电流不再饱和且进入准饱和区。当栅极电压较低(1V<Vg<4V)时,Vd值大于2V,电流饱和是由于沟道夹断和沟道区载流子进入速度饱和状态。当Vg4V时,Vd值小于2V,即沟道区电场不足以使载流子进入速度饱和状态,器件应当进入线性区。因此,Vd的变化说明器件在栅压较小时由于沟道夹断效应导致载流子速度饱和,进而器件进入电流饱和状态。但是,当栅压较大时,电流饱和的原因不再是沟道载流子速度饱和。

3 Vd随漏电压Vd和栅电压Vg的变化

2.2 漂移区耗尽层分析

利用仿真工具SILVACO,在漏电压Vd20V时,对不同栅压Vg条件的器件耗尽区和载流子的二维分布图如图4所示。MOS器件属于多子器件,器件工作时,电流通路主要由SJ中的N条和漂移区组成,因此主要分析含有SJ中的N条的剖面结构。在图4中,区域2代表SJ中的N条区域。由图4a)可以看出,当Vg比较小(Vg=2V)时,由于沟道中反型的电子浓度较小,漂移区和SJN条的靠近沟道部分(区域3和区域1)形成耗尽层,相当于P+N突变结,承担耐压。由于漂移区浓度远远低于SJ中的N条浓度,因此漂移区耗尽区(区域3)比SJN条耗尽区(区域1)要大的多。区域5部分作为耗尽区,是由于漂移区和衬底相互耗尽形成。当Vg=3V时,如图4b),SJ中的N条耗尽区(区域1)几乎消失,且漂移区耗尽区(区域3)中被注入大量电子,靠近栅一侧的部分电子浓度比靠近漏极的电子浓度要高。当Vg=4V时,由源极注入的电子进一步增加,缩小了漂移区耗尽层(区域3)和与衬底相互耗尽形成的耗尽层(区域5),且使得靠近沟道一侧的漂移区耗尽层消失,如图4c)。图4d)中,Vg=5V时,会进一步缩小靠近漏极的低掺杂浓度的漂移区耗尽层(区域3)的范围,耗尽区主要由靠近漏极的低掺杂浓度的漂移区耗尽层(区域3)和与衬底相互耗尽形成的耗尽层(区域5)组成,区域3的电场会进一步增大,承担耐压。

......



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