中心論題:
- RF功率LDMOSFET性能特征
- RF功率LDMOSFET基本結(jié)構(gòu)和制造工藝特點(diǎn)
- 產(chǎn)品設(shè)計(jì)難點(diǎn)分析和解決方案
- 器件的關(guān)鍵參數(shù)
- 工藝難點(diǎn)和解決方案
解決方案:
- 設(shè)計(jì)了特殊柵結(jié)構(gòu)和工藝制造流程
- P-阱和N+源區(qū)通過(guò)兩次多晶單邊自對(duì)準(zhǔn)注入形成
- P+阱溝道的雜質(zhì)濃度和長(zhǎng)度是決定器件性能的關(guān)鍵因素
引言
RF 功率 MOSFET的最大應(yīng)用是無(wú)線(xiàn)通訊中的RF功率放大器。直到上世紀(jì)90年代中期,RF功率MOSFET還都是使用硅雙極型晶體管或GaAs MOSFET。到90年代后期,的出現(xiàn)改變了這一狀況。和硅雙極型晶體管或GaAs MOSFET相比較,硅基LDMOSFET有失真小、線(xiàn)性度好、成本低的優(yōu)點(diǎn),成為目前RF 功率 MOSFET的主流技術(shù)。
手機(jī)基站中功率放大器的輸出功率范圍從5W到超過(guò)250W,RF 功率 MOSFET是手機(jī)基站中成本最高的元器件。一個(gè)典型的手機(jī)基站中RF部分的成本約6.5萬(wàn)美元,其中功率放大器的成本就達(dá)到4萬(wàn)美元。功率放大器元件的年銷(xiāo)售額約為8億美元。隨著3G的發(fā)展,RF功率放大器的需求將進(jìn)一步提高。
RF 功率 MOSFET在無(wú)線(xiàn)電通訊領(lǐng)域也有應(yīng)用,其頻率已延伸至低微波段且輸出功率可達(dá)百W以上。它同時(shí)也應(yīng)用于電視(特別是數(shù)字電視)功率放大器、雷達(dá)系統(tǒng)和軍事通訊中。
隨著新一代無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)的快速發(fā)展和越來(lái)越廣泛的應(yīng)用,RF 功率 MOSFET有著非常樂(lè)觀(guān)的市場(chǎng)前景。而目前國(guó)內(nèi)使用的RF功率器件仍然依賴(lài)進(jìn)口,國(guó)內(nèi)RF芯片和器件自有產(chǎn)品不到1%,因此,自主開(kāi)發(fā)RF功率MOSFET具有非常重要的意義。
RF功率LDMOSFET性能特征
與硅雙極型晶體管相比,RF功率LDMOSFET有以下優(yōu)點(diǎn):
a.工作頻率更高,穩(wěn)定性好:雙極型晶體管只能在300MHz以下的頻段工作,而LDMOSFET由于反饋電容小,可以在幾百M(fèi)Hz到幾GHz的頻率工作,且頻率穩(wěn)定性好。
b.高增益:通常在相同的輸出功率水平下,雙極型晶體管的增益為8dB~9dB,而LDMOSFET可以達(dá)到14dB。
c.線(xiàn)性度好,失真?。禾貏e在數(shù)字信號(hào)傳輸應(yīng)用中,LDMOSFET表現(xiàn)更加突出。
d.熱穩(wěn)定性好:溫度對(duì)LDMOSFET電流有負(fù)反饋?zhàn)饔?,溫度升高可以限制電流的進(jìn)一步提高;而雙極型晶體管溫度對(duì)電流起正反饋?zhàn)饔茫訪(fǎng)DMOSFET的熱穩(wěn)定性好。
RF功率LDMOSFET基本結(jié)構(gòu)和制造工藝特點(diǎn)
RF功率LDMOSFET是具有橫向溝道結(jié)構(gòu)的功率MOSFET,它以L(fǎng)DMOSFET為基本結(jié)構(gòu),利用雙擴(kuò)散技術(shù)在同一窗口相繼進(jìn)行硼、磷兩次擴(kuò)散,通過(guò)兩種雜質(zhì)橫向擴(kuò)散的結(jié)深之差精確控制溝道長(zhǎng)度。其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示,由幾個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)組成:
a.P+襯底和P-外延層:器件一般會(huì)使用P+硅襯底加一定厚度的P-外延層,使用P+襯底是為了源端能很好地從背面引出;P-外延層是為了提高器件的源漏擊穿電壓。
b.P-阱、N+源/漏、柵氧和多晶柵:這是組成MOS結(jié)構(gòu)的基本元素,P-阱和N+源就是通過(guò)自對(duì)準(zhǔn)注入和雙擴(kuò)散技術(shù)形成的。P-阱和N+源注入后在多晶下方橫向擴(kuò)散,最后形成了MOS的溝道和源區(qū)。
c.LDD結(jié)構(gòu):從多晶柵邊緣到漏端是輕摻雜的LDD(Lightly Doped Drain)區(qū),這個(gè)區(qū)域可承受源漏之間的高電壓。通過(guò)優(yōu)化LDD區(qū)域的電荷和長(zhǎng)度,可以使源漏的穿通電壓達(dá)到最大值。一般來(lái)說(shuō),LDD區(qū)域的電荷密度約為1011 cm-2~1013cm-2時(shí),可以得到最大的源漏穿通電壓。
d.P+埋層:連接表面源端和P+襯底,工作時(shí)電流從表面的源極通過(guò)P+埋層流到P+襯底,并從背面引出。這樣不需要另外從正面引線(xiàn)引出,降低反饋電容電感,提高頻率特性。
e.P+ 加強(qiáng)區(qū)(P+ enhancement)和金屬屏蔽(shield):P+加強(qiáng)區(qū)是為了保證電流從表面的源端通過(guò)金屬,流向P+埋層。金屬屏蔽結(jié)構(gòu)是為了降低多晶柵靠LDD區(qū)邊緣的電壓,防止熱電子注入效應(yīng)。
產(chǎn)品設(shè)計(jì)難點(diǎn)分析和解決方案
通過(guò)分析RF 功率 MOSFET器件的性能和結(jié)構(gòu)特征,本文設(shè)計(jì)了器件的基本結(jié)構(gòu),并通過(guò)工藝和器件模擬獲得了關(guān)鍵參數(shù)。
器件的關(guān)鍵參數(shù)
a.柵氧厚度:需根據(jù)器件的閾值電壓等設(shè)計(jì)合適的柵氧厚度。
b.溝道長(zhǎng)度、雜質(zhì)濃度及分布:它們決定器件的開(kāi)啟電壓,以及源漏之間的穿通電壓,必須經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)的設(shè)計(jì)。
c.LDD長(zhǎng)度和雜質(zhì)濃度:LDD區(qū)域分擔(dān)最大部分的源漏電壓,它的長(zhǎng)度和雜質(zhì)濃度分布必須優(yōu)化,使得器件的擊穿電壓可以達(dá)到最大值,同時(shí)LDD區(qū)域的電壓分布均勻。
d.外延厚度和雜質(zhì)濃度:它們決定N+漏和襯底引出的源極之間的縱向穿通電壓。
結(jié)合6寸芯片生產(chǎn)線(xiàn), RF功率MOSFET的制造工藝流程設(shè)計(jì)完成,包括:P+埋層、LOCOS、柵結(jié)構(gòu), P阱、源漏和LDD結(jié)構(gòu),以及接觸孔、鋁、鈍化層。
工藝難點(diǎn)和解決方案
a.柵結(jié)構(gòu):設(shè)計(jì)了特殊柵結(jié)構(gòu)和工藝制造流程,以滿(mǎn)足器件功能和頻率特性需要。
b.P-阱和N+源區(qū)的自對(duì)準(zhǔn)注入和雙擴(kuò)散工藝:器件溝道是通過(guò)P-阱和N+源區(qū)推進(jìn)過(guò)程中硼、磷的橫向擴(kuò)散差異形成的。這兩個(gè)區(qū)域通過(guò)兩次多晶單邊自對(duì)準(zhǔn)注入形成。注入和推進(jìn)過(guò)程需嚴(yán)格控制。
c.P+阱溝道:該區(qū)域的雜質(zhì)濃度和長(zhǎng)度是決定器件性能的關(guān)鍵因素,制造工藝中必須嚴(yán)格控制注入和推進(jìn)過(guò)程,保證器件基本性能和均勻性。
結(jié)語(yǔ)
本文通過(guò)分析RF功率 LDMOSFET的性能和結(jié)構(gòu)特征,設(shè)計(jì)出RF功率LDMOSFET器件結(jié)構(gòu),通過(guò)工藝和器件模擬確定了關(guān)鍵參數(shù),并設(shè)計(jì)了一套符合6寸芯片生產(chǎn)線(xiàn)的制造工藝流程,對(duì)工藝中的難點(diǎn)提出了解決方案。