RF功率MOSFET的性能和結(jié)構(gòu)特征及其應(yīng)用

RF 功率 MOSFET的最大應(yīng)用是無線通訊中的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、線性度好、成本低的優(yōu)點，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250W，RF 功率 MOSFET是手機(jī)基站中成本最高的元器件。一個典型的手機(jī)基站中RF部分的成本約6.5萬美元，其中功率放大器的成本就達(dá)到4萬美元。功率放大器元件的年銷售額約為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在無線電通訊領(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。

隨著新一代無線通訊技術(shù)的快速發(fā)展和越來越廣泛的應(yīng)用，RF 功率 MOSFET有著非常樂觀的市場前景。而目前國內(nèi)使用的RF功率器件仍然依賴進(jìn)口，國內(nèi)RF芯片和器件自有產(chǎn)品不到1%，因此，自主開發(fā)RF功率MOSFET具有非常重要的意義。

圖1 LDMOSFET基本結(jié)構(gòu)圖

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：

1. 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MHz到幾GHz的頻率工作，且頻率穩(wěn)定性好。

2. 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。

3. 線性度好，失真?。禾貏e在數(shù)字信號傳輸應(yīng)用中，LDMOSFET表現(xiàn)更加突出。

4. 熱穩(wěn)定性好：溫度對LDMOSFET電流有負(fù)反饋作用，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電流起正反饋作用，所以LDMOSFET的熱穩(wěn)定性好。

RF 功率 LDMOSFET基本結(jié)構(gòu)和制造工藝特點

RF 功率 LDMOSFET 是具有橫向溝道結(jié)構(gòu)的功率MOSFET，它以LDMOSFET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，通過兩種雜質(zhì)橫向擴(kuò)散的結(jié)深之差精確控制溝道長度。其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，由幾個關(guān)鍵結(jié)構(gòu)組成：

1. P+襯底和P-外延層：器件一般會使用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。

2. 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+源就是通過自對準(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)。

3. 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)，這個區(qū)域可承受源漏之間的高電壓。通過優(yōu)化LDD區(qū)域的電荷和長度，可以使源漏的穿通電壓達(dá)到最大值。一般來說，LDD區(qū)域的電荷密度約為1011 cm-2~1013cm-2時，可以得到最大的源漏穿通電壓。

4. P+埋層：連接表面源端和P+襯底，工作時電流從表面的源極通過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引出，降低反饋電容電感，提高頻率特性。

5. 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)計難點分析和解決方案

通過分析RF 功率 MOSFET器件的性能和結(jié)構(gòu)特征，本文設(shè)計了器件的基本結(jié)構(gòu)，并通過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)包括：

1. 柵氧厚度：需根據(jù)器件的閾值電壓等設(shè)計合適的柵氧厚度。

2. 溝道長度、雜質(zhì)濃度及分布：它們決定器件的開啟電壓，以及源漏之間的穿通電壓，必須經(jīng)過專門的設(shè)計。

3. LDD長度和雜質(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LDD區(qū)域的電壓分布均勻。

4. 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， RF 功率 MOSFET的制造工藝流程設(shè)計完成，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。

工藝難點和解決方案如下：

1. 柵結(jié)構(gòu)：設(shè)計了特殊柵結(jié)構(gòu)和工藝制造流程，以滿足器件功能和頻率特性需要。

2. P-阱和N+源區(qū)的自對準(zhǔn)注入和雙擴(kuò)散工藝：器件溝道是通過P-阱和N+源區(qū)推進(jìn)過程中硼、磷的橫向擴(kuò)散差異形成的。這兩個區(qū)域通過兩次多晶單邊自對準(zhǔn)注入形成。注入和推進(jìn)過程需嚴(yán)格控制。

3. P+阱溝道：該區(qū)域的雜質(zhì)濃度和長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)過程，保證器件基本性能和均勻性。

結(jié)語

本文通過分析RF功率 LDMOSFET的性能和結(jié)構(gòu)特征，設(shè)計出RF 功率 LDMOSFET器件結(jié)構(gòu)，通過工藝和器件模擬確定了關(guān)鍵參數(shù)，并設(shè)計了一套符合6寸芯片生產(chǎn)線的制造工藝流程，對工藝中的難點提出了解決方案。