Боковой транзистор металл-оксид-полупроводник со сверхнизким удельным сопротивлением в открытом состоянии с улучшенным двойным затвором и частичным скрытым P-слоем

Фон

С увеличением спроса на более сложные и быстрые логические функции в аналоговых ИС питания, важно улучшить характеристики латерального двойного диффузионного металл-оксид-полупроводникового транзистора (LDMOS), особенно минимизируя удельное сопротивление в открытом состоянии ( R _{on, sp} ) и максимизации напряжения пробоя в закрытом состоянии (BV) [1,2,3,4,5,6,7,8,9]. Большинство разработанных технологий сосредоточены на оптимизации области дрейфа, чтобы улучшить компромисс R _{on, sp} по сравнению с BV для устройств LDMOS [10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20]. В нашей предыдущей работе был предложен LDMOS со сверхмелкой траншейной изоляцией (USTI) [21]. Глубина и угол поворота USTI были оптимизированы для достижения лучших в своем классе характеристик. Однако для низковольтного LDMOS область дрейфа теряет доминирование в R _{on, sp} и нельзя игнорировать вклад региона канала.

Метод

В этой работе исследуется новый LDMOS со сверхнизким удельным сопротивлением в открытом состоянии с улучшенным двойным затвором и частично скрытым P-слоем. В численном моделировании используются физические модели IMPACT.I, BGN, CONMOB, FLDMOB, SRH и SRFMOB. Предлагается аналитическая модель сопротивления во включенном состоянии, чтобы обеспечить более глубокое понимание взаимосвязи между сопротивлением области дрейфа и сопротивлением области канала. На основе модели N-заглубленный слой и частично заглубленный P-слой оптимизированы для достижения низкого R _{on, sp} и высокий BV.

Результаты и обсуждение

На рисунке 1а показано схематическое поперечное сечение LDMOS со сверхнизким удельным сопротивлением в открытом состоянии с улучшенным двойным затвором и частично скрытым P-слоем. LDMOS имеет двойной затвор с N-заглубленным слоем и частичный P-заглубленный слой, который способствует уменьшению R _{on, sp} и увеличивают BV соответственно. В области канала улучшенный двойной затвор образован канавочным затвором и сильно легированным заглубленным слоем азота. По сравнению с традиционной структурой с двумя затворами, скрытый слой N значительно снижает сопротивление области канала, обеспечивая путь проводимости с низким сопротивлением в открытом состоянии под P-колодцем в открытом состоянии. В области дрейфа частично скрытый слой P с высокой концентрацией легирования вводится под областью N-дрейфа для увеличения BV при сохранении низкого R _{on, sp} . Частично скрытый слой P помогает уменьшить вертикальное электрическое поле в выключенном состоянии без нарушения баланса заряда в области дрейфа. Размер ключа нового устройства указан в таблице 1.

а Схематический вид в разрезе LDMOS со сверхнизким удельным сопротивлением в открытом состоянии с улучшенным двойным затвором и частично скрытым P-слоем. б Схематический эквивалент открытого сопротивления для предлагаемого LDMOS

На рисунке 1b показана схематическая эквивалентная модель сопротивления в открытом состоянии для предложенного LDMOS. Общее сопротивление в открытом состоянии рассматривается как сопротивление области дрейфа ( R _d ) и сопротивление области канала ( R _c ) последовательно. В области канала путь проводимости поверхностного канала параллелен пути проводимости канала траншеи. Таким образом, R _c равно ( R _chs + R _acc ) // ( R _cht + R _nb ), где R _chs , R _acc , R _cht , и R _nb - сопротивления канала с поверхностным затвором, области накопления, канала затвора траншеи и заглубленного слоя N соответственно. На основе предложенной модели сопротивления при включении уменьшение R _c будет достигнуто за счет уменьшения R _nb не влияя на другие характеристики, поскольку другие сопротивления в основном определяются технологическим процессом, рабочим напряжением и пороговым напряжением. R _d был уменьшен за счет введения P-скрытого слоя под N-дрейфовой областью для усиления эффекта уменьшения поверхностного поля (RESURF) в нашей предыдущей работе. В этой работе частичный заглубленный P слой принят для улучшения BV при сохранении низкого R _d .

Стремясь снизить R _c , N-заглубленный слой с высокой концентрацией легирования вводится под P-лунку. На рисунке 2 показаны числовые и аналитические R . _c как функции концентрации легирования в скрытом N-слое ( N _nb ) с одностворчатым и двойным затвором. Указывается, что двойная вентильная структура помогает уменьшить R _c по сравнению с одностворчатым. Когда N _nb = N _d =5,5 × 10 ¹⁶ см ⁻³ , R _c составляет 110 мОм. Согласно модели сопротивления при включении, R _nb является основным участником R _c . А затем R _nb желательно уменьшить с целью уменьшения R _c . Как показано на рис. 2a, R _c сокращается на N _nb увеличивается. Когда N _nb =1,35 × 10 ¹⁷ см ⁻³ , R _c снижается до 85 мОм. Однако на рис. 2 также показано, что N _nb будет ограничено пробивкой насквозь. Из-за добавления траншейных ворот R _c уменьшается сначала на 34% с N _nb = N _d =5,5 × 10 ¹⁶ см ⁻³ . Как N _nb увеличивается, R _c непрерывно уменьшается. С оптимизированным N _nb =1,05 × 10 ¹⁷ см ⁻³ , R _c уменьшился наконец на 45%. Когда N _nb > 1,05 × 10 ¹⁷ см ⁻³ , пробой произойдет в P-колодце. Аналитический результат R _{on, sp} Показанная на рис. 2 показывает, что предложенная модель хорошо согласуется с результатами численного моделирования. Следовательно, модель является правдоподобной для руководства при разработке оптимизации.

Числовой и аналитический R _c как функция от N _nb с одинарным и двойным вентилем ( Z =1 см). N _d - концентрация легирования в области N-дрейфа

На рисунке 3a показано числовое значение BV как функция от N . _nb с разной концентрацией легирования P-well ( N _pwell ). N _nb влияет не только на R _c , но и BV. Для заданного N _pwell , BV остается без изменений при малых N _nb , а затем уменьшается на N _nb увеличивается. Когда N _nb увеличивается до 1,2 × 10 ¹⁷ см ⁻³ , BV начинает падать с N _pwell =2 × 10 ¹⁷ см ⁻³ . Падение BV приписывается пробою в области P-лунки, как показано на рис. 3b. По мере увеличения напряжения стока область истощения в P-колодце расширяется до истока. Когда область истощения атакует соединение N + / P-скважины, происходит пробой сквозного пробоя. Для большого N _pwell , обеднение в основном распространяется на область дрейфа, и пробой пробоя избегают без ухудшения BV. Хотя P-колодец с высокой концентрацией легирования позволяет избежать сквозного пробоя, он может повысить пороговое напряжение. Таким образом, N _pwell из 2 × 10 ¹⁷ см ⁻³ выбирается с учетом порогового напряжения и компромисса между BV и R _{on, sp} .

а Числовой BV как функция от N _nb с разными N _pwell . б Профиль плотности тока для N _nb =10,5 × 10 ¹⁶ см ⁻³ и 14,5 × 10 ¹⁶ см ⁻³ пока N _pwell =2 × 10 ¹⁷ см ⁻³ при поломке

Для достижения низкого R _d и с высоким BV, частичный заглубленный слой P вводится под областью N-дрейфа. На рисунке 4а показана зависимость BV от Δ L . _pb с разными N _pb . Для заданного N _pb , как Δ L _pb увеличивается, BV увеличивается, а затем немного уменьшается. Когда Δ L _pb =0,1 мкм, N _pb =1 × 10 ¹⁷ см ⁻³ , BV достигает максимального значения 43 В. На вставке показан профиль эквипотенциального контура с N _pb =1 × 10 ¹⁷ см ⁻³ . Показано, что эквипотенциальный контур в структуре частичного заглубленного P-слоя простирается больше на подложку по сравнению с полным P-заглубленным слоем. На рис. 4b показано распределение электрического поля на поверхности и на границе раздела P-заглубленный / N-дрейфовый. Для оптимизированного обычного LDMOS пробой обычно происходит на границе раздела N-дрейф / P-заглубленный. Для предлагаемого LDMOS соединение N-дрейф / P-sub заменяет соединение N-дрейф / P-заглубленный, чтобы ослабить вертикальное электрическое поле и расширить область истощения, что приводит к более высокому BV при сохранении низкого R _d .

а BV как функция от ΔL _pb с разными N _pb . Вставка представляет собой профиль эквипотенциального контура с N _pb =1 × 10 ¹⁷ см ⁻³ . б Распределение электрического поля на поверхности и на границе раздела P-заглубленный / N-дрейфовый

Для достижения высокого BV требуется баланс заряда между N-дрейфом и частичным заглубленным P-слоем. На рисунке 5a показано, что числовые и аналитические BV и R _{on, sp} в зависимости от концентрации допирования в скрытом фосфоре ( N _pb ) для разных N _d . Для заданного N _d , BV имеет максимальное значение при различных N _pb , и максимум BV увеличивается с уменьшением N _d . Однако R _{on, sp} можно увеличить как N _d уменьшается. Благодаря BV требуется более 40 В, N _d =5,5 × 10 ¹⁶ см ⁻³ и N _pb =1 × 10 ¹⁷ см ⁻³ выбраны. На рисунке 5b показаны числовые и аналитические BV и R . _{on, sp} как функции толщины слоя STI ( T _sti ). Т _sti оказывает сильное влияние на BV и R _{on, sp} , и он должен быть тщательно спроектирован и оптимизирован, как и наша предыдущая работа [21]. Для T _sti <0,3 мкм в месте пробоя под краем полнопольной пластинки наблюдается высокий пик электрического поля. Как T _sti увеличивается, пик электрического поля релаксирует, а затем BV увеличивается. Для T _sti =0,3 мкм, получается BV 43 В. Для T _sti ≥ 0,3 мкм, пик электрического поля под краем полуполевой пластины достаточно низкий, в результате точка пробоя переходит на P / N переход под стороной стока. Как T _sti увеличивается, BV увеличивается, а затем насыщается.

а Числовые (пунктирная линия) и аналитические (сплошная линия) BV и R _{on, sp} как функции от N _pb для разных N _d . б Числовые (пунктирная линия) и аналитические (сплошная линия) BV и R _{on, sp} как функции от T _sti

На рисунке 6 показан тест существующих технологий биполярного CMOS-DMOS (BCD) и предлагаемого LDMOS. Очевидно, технологический процесс для предлагаемого LDMOS совместим с разработанной нами технологией BCD, которая обеспечивает лучшую в своем классе производительность LDMOS. В процессе изготовления предлагаемого LDMOS слой с N-заглублением может иметь ту же маску, что и P-well. Для предлагаемого LDMOS, R _{on, sp} составляет 8,5 мОм · мм ² а BV =43 В, что примерно на 37% меньше, чем в нашей предыдущей работе.

Тест существующих технологий BCD и предлагаемого LDMOS

Заключение

Новый LDMOS со сверхнизким удельным сопротивлением в открытом состоянии с улучшенным двойным затвором и частичным заглубленным слоем P предлагается и исследуется с помощью численного моделирования в этой статье. Скрытый N-слой с высокой концентрацией легирования используется для достижения улучшенного двойного затвора с уменьшением R _c . Частично скрытый слой P вводится под областью N-дрейфа для увеличения BV с сохранением начисленного баланса. Процесс изготовления LDMOS в этой работе совместим с существующей технологией BCD, описанной в нашей предыдущей работе. Результат показывает, что R _{on, sp} предлагаемого LDMOS уменьшается на 37% при BV 43 В по сравнению с предыдущими работами. Поскольку технология обработки полупроводников выходит на нанометровый уровень, R _{on, sp} может еще больше уменьшиться с уменьшением длины канала.

Сокращения

BCD:

Биполярный-CMOS-DMOS

BV:

Напряжение пробоя

LDMOS:

Боковой двухдиффузионный транзистор металл-оксид-полупроводник

RESURF:

Уменьшить поверхностное поле

R _{on, sp} :

Удельное сопротивление при включении

USTI:

Изоляция сверхмалых траншей