Ultra-Resistance Spesifik Rendah Lateral Transistor Logam-Oksida-Semikonduktor-Semikonduktor dengan Resistansi Ganda yang Ditingkatkan dengan Lapisan Terkubur-P Parsial dan Gerbang Ganda yang Ditingkatkan

Hasil dan Diskusi

Gambar 1a menunjukkan penampang skema LDMOS dengan resistensi spesifik ultra-rendah dengan lapisan terkubur-P gerbang ganda dan parsial yang disempurnakan. LDMOS menampilkan gerbang ganda dengan lapisan terkubur-N dan lapisan terkubur-P parsial yang berkontribusi untuk mengurangi R _on,sp dan meningkatkan BV, masing-masing. Di wilayah saluran, gerbang ganda yang disempurnakan dibentuk oleh gerbang parit dan lapisan terkubur-N yang sangat didoping. Dibandingkan dengan struktur gerbang ganda konvensional, lapisan terkubur-N secara signifikan mengurangi resistansi wilayah saluran dengan menyediakan jalur konduksi dengan resistansi rendah di bawah sumur-P dalam kondisi aktif. Di wilayah drift, lapisan terkubur P parsial dengan konsentrasi doping tinggi diperkenalkan di bawah wilayah N-drift untuk meningkatkan BV sambil mempertahankan R rendah _on,sp . Lapisan terkubur-P parsial membantu mengurangi medan listrik vertikal dalam keadaan tidak aktif tanpa merusak keseimbangan muatan di wilayah melayang. Ukuran kunci perangkat baru tercantum di Tabel 1.

a Tampilan penampang skematis dari LDMOS on-resistance spesifik ultra-rendah dengan lapisan terkubur-P gerbang ganda dan parsial yang ditingkatkan. b Resistensi skematis yang setara untuk LDMOS yang diusulkan

Gambar 1b menunjukkan model on-resistance ekivalen skematis untuk LDMOS yang diusulkan. Total resistansi-on dianggap sebagai resistansi dari wilayah drift (R _d ) dan resistansi daerah saluran (R _c ) dalam seri. Di wilayah saluran, jalur konduksi saluran permukaan sejajar dengan jalur konduksi saluran parit. Jadi, R _c sama dengan (R _chs + R _akun )//(R _cht + R _nb ), di mana R _chs , R _akun , R _cht , dan R _nb masing-masing adalah resistansi saluran gerbang permukaan, daerah akumulasi, saluran gerbang parit, dan lapisan terkubur-N. Berdasarkan model on-resistance yang diusulkan, pengurangan R _c akan dicapai dengan mengurangi R _nb tanpa mempengaruhi kinerja lainnya, karena hambatan lain terutama ditentukan oleh teknologi proses, tegangan operasi, dan tegangan ambang. R _d telah dikurangi dengan memperkenalkan lapisan terkubur P di bawah wilayah N-drift untuk meningkatkan efek Reduce Surface-field (RESURF) dalam pekerjaan kami sebelumnya. Dalam karya ini, lapisan terkubur P parsial diadopsi untuk meningkatkan BV sambil mempertahankan R rendah _d .

Bertujuan untuk mengurangi R _c , lapisan terkubur-N dengan konsentrasi doping tinggi diperkenalkan di bawah sumur-P. Gambar 2 menunjukkan R numerical numerik dan analitis _c sebagai fungsi dari konsentrasi doping dari lapisan terkubur-N (N _nb ) dengan gerbang tunggal dan gerbang ganda. Diindikasikan bahwa struktur gerbang ganda membantu mengurangi R _c dibandingkan dengan gerbang tunggal. Ketika T _nb = T _d = 5.5 × 10 ¹⁶ cm ⁻³ , R _c adalah 110 mΩ. Menurut model on-resistance, R _nb adalah kontributor utama R _c . Dan kemudian, R _nb diinginkan untuk dikurangi dengan tujuan R . yang lebih kecil _c . Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2a, R _c dikurangi dengan N _nb meningkat. Ketika T _nb = 1,35 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ , R _c dikurangi menjadi 85 mΩ. Namun, Gambar. 2 juga menunjukkan bahwa N _nb akan dibatasi oleh punch-through breakdown. Karena menambahkan gerbang parit, R _c berkurang pertama sebesar 34% dengan N _nb = T _d = 5.5 × 10 ¹⁶ cm ⁻³ . Sebagai N _nb meningkat, R _c terus berkurang. Dengan N . yang dioptimalkan _nb = 1,05 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ , R _c akhirnya berkurang 45%. Ketika T _nb> 1.05 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ , breakdown punch-through akan terjadi di P-well. Hasil analisis R _on,sp ditunjukkan pada Gambar. 2 menunjukkan bahwa model yang diusulkan memberikan kesesuaian yang baik dengan hasil simulasi numerik. Oleh karena itu, model dapat dipercaya untuk memandu desain pengoptimalan.

Numerik dan analitis R _c sebagai fungsi dari N _nb dengan gerbang tunggal dan gerbang ganda (Z =1 cm). T _d adalah konsentrasi doping wilayah N-drift

Gambar 3a menunjukkan BV numerik sebagai fungsi N _nb dengan konsentrasi doping P-well yang berbeda (N _pwell ). T _nb memiliki efek tidak hanya pada R _c , tetapi juga BV. Untuk N . yang diberikan _pwell , BV tetap tidak berubah pada N small kecil _nb , dan kemudian berkurang dengan N _nb meningkat. Ketika T _nb meningkat menjadi 1,2 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ , BV mulai turun dengan N _pwell = 2 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ . Penurunan BV dianggap berasal dari kerusakan punch-through di wilayah P-well seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3b. Saat tegangan saluran meningkat, daerah penipisan di sumur-P meluas ke sumbernya. Ketika daerah penipisan menyerang sambungan sumur N+/P, maka terjadi kerusakan punch-through. Untuk N . yang besar _pwell , penipisan terutama meluas ke daerah drift, dan breakdown punch-through dihindari tanpa menurunkan BV. Meskipun sumur-P dengan konsentrasi doping tinggi bermanfaat untuk menghindari kerusakan akibat pukulan, ini akan meningkatkan tegangan ambang batas. Jadi, N _pwell dari 2 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ dipilih dengan pertimbangan tegangan ambang dan pertukaran antara BV dan R _on,sp .

a BV numerik sebagai fungsi dari N _nb dengan N different yang berbeda _pwell . b Profil kepadatan saat ini untuk N _nb = 10.5 × 10 ¹⁶ cm ⁻³ dan 14.5 × 10 ¹⁶ cm ⁻³ sementara N _pwell = 2 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ saat rusak

Untuk mencapai R low rendah _d dan BV tinggi, lapisan terkubur-P parsial diperkenalkan di bawah wilayah N-drift. Gambar 4a menunjukkan BV sebagai fungsi dari L _pb dengan N different yang berbeda _pb . Untuk N . yang diberikan _pb , sebagai L _pb meningkat, BV meningkat dan kemudian sedikit menurun. Ketika L _pb = 0,1 μm, T _pb = 1 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ , BV mencapai nilai maksimum 43 V. Sisipan menunjukkan profil kontur ekuipotensial dengan N _pb = 1 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ . Hal ini menunjukkan bahwa kontur ekuipotensial pada struktur lapisan tertimbun P parsial lebih meluas ke substrat dibandingkan dengan lapisan terkubur P penuh. Gambar 4b menunjukkan distribusi medan listrik di permukaan dan antarmuka persimpangan P-bured/N-drift. Untuk LDMOS konvensional yang dioptimalkan, kerusakan biasanya terjadi pada antarmuka N-drift/P-burried. Untuk LDMOS yang diusulkan, sambungan N-drift/P-sub menggantikan sambungan N-drift/P-terkubur untuk mengendurkan medan listrik vertikal dan memperluas daerah penipisan, yang menghasilkan BV yang lebih tinggi sambil mempertahankan R rendah _d .

a BV sebagai fungsi dari ΔL _pb dengan N different yang berbeda _pb . Sisipannya adalah profil kontur ekuipotensial dengan N _pb = 1 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ . b Distribusi medan listrik di permukaan dan antarmuka persimpangan P-terkubur/N-drift

Keseimbangan muatan antara N-drift dan lapisan terkubur P parsial diperlukan untuk mencapai BV tinggi. Gambar 5a menunjukkan bahwa BV numerik dan analitis dan R _on,sp sebagai fungsi dari konsentrasi doping dari P-terkubur (N _pb ) untuk N different yang berbeda _d . Untuk N . yang diberikan _d , BV memiliki nilai maksimum dengan N . yang bervariasi _pb , dan maksimum BV meningkat dengan penurunan N _d . Namun, R _on,sp dapat ditingkatkan sebagai N _d menurun. Karena BV diperlukan lebih tinggi dari 40 V, N _d = 5.5 × 10 ¹⁶ cm ⁻³ dan T _pb = 1 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ dipilih. Gambar 5b menunjukkan BV numerik dan analitis dan R _on,sp sebagai fungsi dari ketebalan lapisan IMS (T _sti ). T _sti memiliki dampak yang kuat pada BV dan R _on,sp , dan itu harus dirancang dan dioptimalkan dengan hati-hati serta pekerjaan kami sebelumnya [21]. Untuk T _sti < 0.3 μm, titik tembus di bawah tepi pelat medan poli memiliki puncak medan listrik yang tinggi. Sebagai T _sti meningkat, puncak medan listrik menjadi rileks, dan kemudian BV meningkat. Untuk T _sti = 0.3 μm, diperoleh BV sebesar 43 V. Untuk T _sti 0.3 μm, puncak medan listrik di bawah tepi pelat medan poli cukup rendah, sebagai akibatnya, titik tembus dipindahkan ke persimpangan P/N di bawah sisi pembuangan. Sebagai T _sti meningkat, BV meningkat dan kemudian jenuh.

a Numerik (garis putus-putus) dan analitis (garis padat) BV dan R _on,sp sebagai fungsi dari N _pb untuk N different yang berbeda _d . b Numerik (garis putus-putus) dan analitis (garis padat) BV dan R _on,sp sebagai fungsi T _sti

Gambar 6 menunjukkan tolok ukur teknologi Bipolar-CMOS-DMOS (BCD) yang ada dan LDMOS yang diusulkan. Tampaknya, teknologi proses untuk LDMOS yang diusulkan kompatibel dengan teknologi BCD yang kami kembangkan yang mencapai kinerja LDMOS terbaik di kelasnya. Dalam proses fabrikasi untuk LDMOS yang diusulkan, lapisan terkubur-N dapat berbagi topeng yang sama dengan sumur-P. Untuk LDMOS yang diusulkan, R _on,sp adalah 8,5 mΩ·mm ² sementara BV = 43 V, yang berkurang sekitar 37% dibandingkan dengan pekerjaan kami sebelumnya.

Tolok ukur teknologi BCD yang ada dan LDMOS yang diusulkan