基于超薄外延技术的双扩散新型D-RESURF LDMOS设计

 引言

SPIC(Smart Power IC)目前已经被广泛应用于开关电源、电机驱动、工业控制、汽车电子、日常照明、家用电器等领域。在SPIC中，通常需要将耐高压的功率器件与低压控制电路集成在同一芯片上。在高压功率器件应用领域中，LDMOS由于工作电流密度大、导通电阻低、开关特性好等优点而被广泛采用。从工艺应用角度看，LDMOS拥有横向结构的优势，可采用BCD工艺条件将LDMOS、CMOS和BJT器件单片集成在同一硅片上。在LDMOS设计过程中，新技术的应用决定了器件的耐压和导通电阻特性。在本文中，LDMOS成熟地在结构中引入了D-RESURF技术，D-RESURF技术是在N型漂移区表面引入P型降场层形成节终端扩展区，可使表面电场得到改善，同时增加了器件反向击穿电压；另外D-RESURF技术也使漂移区单位面积可注入杂质密度增大，从而降低了器件的导通电阻。

目前，高耐压的LDMOS一般采用厚度为10μm左右的外延层，其外延厚度远高于目前标准CMOS工艺，并且用于高压集成时需要增加对通隔离的时间，因而不易与标准CMOS工艺兼容。为了解决上述问题，本文采用了P埋层的薄外延完善该LDMOS结构，以传统CMOS工艺，在厚度为4.5μm的超薄外延层上，仿真设计了耐压为700V以上的LDMOS器件。

1 器件结构与分析

本文中所采用的双扩散高功率的BCD工艺涉及了多种类型器件，主要包括耐压为700V的高压LDMOS、耐压为40V的中压MOS管、5．8V低压CMOS器件、二极管、电阻等。因此在设计LDMOS的过程中需要考虑与其他器件在工艺加工过程、注入浓度、版次等方面的匹配性。

新型双扩散LDMOS的设计要求是：在4．5μm超薄外延层工艺条件下，可以满足700V以上高耐压要求，同时尽可能的降低导通电阻；在此基础上压缩漂移区长度，优化器件的结构尺寸，达到减小芯片版图面积和制造成本的目的。双扩散LDMOS的结构如图1所示，多环P型降场层P-topring被分为数个隔离的岛，用以改善器件的表面电场；图中的P-sub表示工艺中采用P型衬底材料；LDMOS的耐压漂移区分为上下两部分：
HVnwel表示N型外延层漂移区部分，DNW表示器件衬底漂移区部分；Pwell表示LDMOS的体区，用来形成MOS器件的沟道。LDMOS的栅板位于体区上方，它的右侧延伸了一段到场氧上，形成场板，用来改善器件表面电场分布。

1．1 器件表面降场层的结构描述

在器件表面降场层的设计中采用了DRESURF技术，在器件的源漏端之间的N型漂移区表面引入了相反导电类型的多个P-top环形掺杂区。这些环形降场层的设计是基于横向变掺杂(VLD)技术，VLD技术是通过改变杂质注入窗口的尺寸和间距，有效地控制P-top降场层在器件表面的浓度分布。在P型杂质以相同的注入浓度注入后，杂质通过不同间距和尺寸的窗口进入漂移区表面，在相同的环境温度下产生横向和纵向扩散，最终在器件表面的降场层浓度分布近似线性，从漏端到源端浓度的线性增加，可以使表面电场的分布均匀。P-top降场层被分为九个不同间隔的区域，如图2所示，P-top从左到右各环的横向尺寸Wn在逐渐变大，而环间距Sn则逐渐变小，实现从左到右(从漏到源)P-top降场层浓度的近似线性分布。

在这些P-top区域的P型杂质是以高能量，高浓度的方式注入，这样可以确保器件HNV漂移区保持较高的杂质浓度来耗尽P-top反型区，在漂移区外延层内，如此高的积分电荷器件确保了器件拥有较低的导通电阻。

在用MEDICI、Tsuprem4软件对该器件进行工艺器件联合仿真时，观察结果如LDMOS表面电场分布图中所示，漂移区内由高浓度P-top环引起的电场波峰均匀地分布在漂移区电场中部，各电场波峰值大小相似，约为2×1015V／cm。在该分布状况下，器件源漏间漂移区的表面电场的耐压分布得到有效地改善。


1．2 器件漂移区的结构分布

N型漂移区的浓度分布和尺寸结构，决定着LDMOS电场分布和比导通电阻的大小。为实现与中、低压MOS良好的工艺兼容，器件漂移区的形成采用了双阱双次注入的设计方法，通过对外延层和衬底表面分别注入不同剂量N型杂质来实现。在外延生长前，在衬底表面注入P型材料形成漂移区的DNW部分；生长4．5μm薄外延后，在DNW正上方的超薄外延中实现第二次注入扩散，完成漂移区的HNV部分。双注入不但成功地在4．5μm超薄外延的基础上使漂移区结深达到10μm，同时由于漂移区的截面积大幅增加，也可以在横向上大幅缩短了漂移区长度。

在仿真设计过程中，由于P-top降场层的大剂量注入，允许漂移区的HNV区域保持较高的浓度分布，器件比导通电阻随之降低。由于DNW杂质在外延生长加热过程中会向上反扩，增大外延层的浓度，所以DNW区域的注入浓度要小于HNV。为防止过早发生体内击穿，DNW在外延生长前需要较长时间的高温加热，使得注入结深向衬底扩散，确保器件在衬底纵向保持6μm漂移区结深。两次不同剂量，不同加热环境的注入，实现了器件电场分布的优化设计，有效地满足了器件在不同区域的技术需求。