RF功率MOSFET产品及其工艺开发

2007-02-05 14:07:50来源: 电子设计应用

引言

RF 功率 MOSFET的最大应用是无线通讯中的RF功率放大器。直到上世纪90年代中期,RF功率MOSFET还都是使用硅双极型晶体管或GaAs MOSFET。到90年代后期,的出现改变了这一状况。和硅双极型晶体管或GaAs MOSFET相比较,硅基LDMOSFET有失真小、线性度好、成本低的优点,成为目前RF 功率 MOSFET的主流技术。
手机基站中功率放大器的输出功率范围从5W到超过250W,RF 功率 MOSFET是手机基站中成本最高的元器件。一个典型的手机基站中RF部分的成本约6.5万美元,其中功率放大器的成本就达到4万美元。功率放大器元件的年销售额约为8亿美元。随着3G的发展,RF功率放大器的需求将进一步提高。

RF 功率 MOSFET在无线电通讯领域也有应用,其频率已延伸至低微波段且输出功率可达百W以上。它同时也应用于电视(特别是数字电视)功率放大器、雷达系统和军事通讯中。

随着新一代无线通讯技术的快速发展和越来越广泛的应用,RF 功率 MOSFET有着非常乐观的市场前景。而目前国内使用的RF功率器件仍然依赖进口,国内RF芯片和器件自有产品不到1%,因此,自主开发RF功率MOSFET具有非常重要的意义。



图1 LDMOSFET基本结构图

RF 功率 LDMOSFET性能特征

与硅双极型晶体管相比,RF 功率 LDMOSFET有以下优点:

1. 工作频率更高,稳定性好:双极型晶体管只能在300MHz以下的频段工作,而LDMOSFET由于反馈电容小,可以在几百MHz到几GHz的频率工作,且频率稳定性好。
2. 高增益:通常在相同的输出功率水平下,双极型晶体管的增益为8dB~9dB,而LDMOSFET可以达到14dB。
3. 线性度好,失真小:特别在数字信号传输应用中,LDMOSFET表现更加突出。
4. 热稳定性好:温度对LDMOSFET电流有负反馈作用,温度升高可以限制电流的进一步提高;而双极型晶体管温度对电流起正反馈作用,所以LDMOSFET的热稳定性好。

RF 功率 LDMOSFET基本结构和制造工艺特点

RF 功率 LDMOSFET 是具有横向沟道结构的功率MOSFET,它以LDMOSFET为基本结构,利用双扩散技术在同一窗口相继进行硼、磷两次扩散,通过两种杂质横向扩散的结深之差精确控制沟道长度。其基本结构如图1所示,由几个关键结构组成:

1. P+衬底和P-外延层:器件一般会使用P+硅衬底加一定厚度的P-外延层,使用P+衬底是为了源端能很好地从背面引出;P-外延层是为了提高器件的源漏击穿电压。
2. P-阱、N+源/漏、氧和多晶栅:这是组成MOS结构的基本元素,P-阱和N+源就是通过自对准注入和双扩散技术形成的。P-阱和N+源注入后在多晶下方横向扩散,最后形成了MOS的沟道和源区。
3. LDD结构:从多晶栅边缘到漏端是轻掺杂的LDD(Lightly Doped Drain)区,这个区域可承受源漏之间的高电压。通过优化LDD区域的电荷和长度,可以使源漏的穿通电压达到最大值。一般来说,LDD区域的电荷密度约为1011 cm-2~1013cm-2时,可以得到最大的源漏穿通电压。
4. P+埋层:连接表面源端和P+衬底,工作时电流从表面的源极通过P+埋层流到P+衬底,并从背面引出。这样不需要另外从正面引线引出,降低反馈电容电感,提高频率特性。
5. P+ 加强区(P+ enhancement)和金属屏蔽(shield):P+加强区是为了保证电流从表面的源端通过金属,流向P+埋层。金属屏蔽结构是为了降低多晶栅靠LDD区边缘的电压,防止热电子注入效应。

产品设计难点分析和解决方案

通过分析RF 功率 MOSFET器件的性能和结构特征,本文设计了器件的基本结构,并通过工艺和器件模拟获得了关键参数。

器件的关键参数包括:

1. 栅氧厚度:需根据器件的阈值电压等设计合适的栅氧厚度。
2. 沟道长度、杂质浓度及分布:它们决定器件的开启电压,以及源漏之间的穿通电压,必须经过专门的设计。
3. LDD长度和杂质浓度:LDD区域分担最大部分的源漏电压,它的长度和杂质浓度分布必须优化,使得器件的击穿电压可以达到最大值,同时LDD区域的电压分布均匀。
4. 外延厚度和杂质浓度:它们决定N+漏和衬底引出的源极之间的纵向穿通电压。
结合6寸芯片生产线, RF 功率 MOSFET的制造工艺流程设计完成,包括:P+埋层、LOCOS、栅结构, P阱、源漏和LDD结构,以及接触孔、铝、钝化层。

工艺难点和解决方案如下:

1. 栅结构:设计了特殊栅结构和工艺制造流程,以满足器件功能和频率特性需要。
2. P-阱和N+源区的自对准注入和双扩散工艺:器件沟道是通过P-阱和N+源区推进过程中硼、磷的横向扩散差异形成的。这两个区域通过两次多晶单边自对准注入形成。注入和推进过程需严格控制。
3. P+阱沟道:该区域的杂质浓度和长度是决定器件性能的关键因素,制造工艺中必须严格控制注入和推进过程,保证器件基本性能和均匀性。

结语

本文通过分析RF功率 LDMOSFET的性能和结构特征,设计出RF 功率 LDMOSFET器件结构,通过工艺和器件模拟确定了关键参数,并设计了一套符合6寸芯片生产线的制造工艺流程,对工艺中的难点提出了解决方案。

参考文献

1. S. Lavey , A. M. Leibovitch.World-wide Base Transceiver Station Semiconductor Forecast.2002-2006. IDC Report #28297, November 2002
2. B. Jayant Baliga.Silicon RF? POWER MOSFETs.World Scientific, c2005
3. Giuseppe Vacca.POWER? Amplifiers for Microwaves and RF Applications with LDMOS Transistors. Microwave Journal, vol.49, NO.6, pp.98-102, June 2006
4. IC Design China Report.Semiconductor International, vol.2, NO.9, pp15, Oct. 2006

关键字:晶体管  放大器  微波

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/qtjs/200702/604.html
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