功率LDMOS阈值电压温度系数的优化分析

功率LDMOS阈值电压温度系数的优化分析 功率LDMOS阈值电压温度系数的优化分 析 2006年1月 第30卷第1期 安徽大学学报(自然科学版) JournalofAnhuiUniversityNaturalScienceEdition January2006 VoI.30NO.1 功率LDMOS阈值电压温度系数的优化分析 丁峰,柯导明,陈军宁,叶云飞,刘磊,徐太龙 (安徽大学电子科学与技术学院,安徽合肥230039) 摘要:讨论高压LDMOS阈值电压的温度特性,并给出了它的温度系数 计算公式 六西格玛计算公式下载结构力学静力计算公式下载重复性计算公式下载六西格玛计算公式下载年假计算公式 .根据计算 结果,可以得到以下结论:通过提高沟道掺杂浓度或减少栅氧化层能够降低阈值电压随温度的变 化.阈值电压的温度系数可以用温度的线性 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 达式来计算,从而可以得出功率LDMOS阈值电压的 温度系数最优化分析. 关键词:功率LDMOS;阈值电压温度系数;高温 中图分类号:TN386.1文献标识码:A文章编号:1000—2162(2006)01—0036—05 功率LDMOS采用双扩散技术,在同一窗口相继进行两次硼磷扩散,从而使得LDMOS有着工作在 大电流,高电压下的特性.因此LDMOS器件一般都工作在高温情况中,同时有着很高的热处理能 力?-2].在这种背景下,研究功率LDMOS的温度效应就显得十分重要.本文主要研究了高温LDMOS阈 值电压随温度变化的情况.由于阈值电压随温度变化是表面势随温度变化引起的, 所以首先分析了表面 势与温度的关系,然后给出了长沟道MOSFET阈值电压与温度的关系,最后是计算结果与试验情况对 比. 1高压的LDMOS表面势温度系数 LDMOS和普通MOSFET一样,它的表面势可以由下式一表示 ,():?(1) qni 10e一2kT(2) n(T)=3.87× 式(1)中的NMOS取正号,PMOS取负号.这里以NMOS为例,故取正号.?和n分别为沟道掺杂浓度和 本征载流子浓度;T是绝对温标;是波尔兹曼常数;g是电子电荷;E是硅禁带宽度,基本上与温度无 关,可作为一个常数J.将式(2)代人式(1)微分后得到一阶微分方程为 — dq~/( - T)= [n一吾一寻](3) 解式(3),得到以71.为参考温度的表面势为 ():+(寺1n卷).()一3ln(1(4) 我们来求式(4)的近似式.因为>0,In(1+)是一单调增函数.在估计器件的高温特性时,取 Tl=300K,即室温27%.当T—T=Tl,即T=327~C时,(T—T)/Tl=1.对于MOS器件来说在温 度300%时沟道就已经基本上消失了,所以(T—T.)/T=1最大值可以设为1,因而得到 … {1n(d)=百3kT1J01nr1(O.O15V(5) 收稿日期:2005—06—01 基金项目:国家自然科学基金资助项目(60276042);安徽省自然科学基金资助项目(01044104) 作者简介:丁峰(1978一),男,安徽巢湖人,安徽大学硕士研究生; 柯导明(1954一),男,安徽安庆人,安徽大学教授,博士生导师; 陈军宁(1953一),男,安徽芜湖人,安徽大学教授,博士生导师. 第1期丁峰,等:功率LDMOS阈值电压温度系数的优化分析37 一 个典型的LDMOS(包括平面MOS)的表面势一般为0.3V,式(4)如果忽略 r—TI r. 3kTl/2qIIn(1+) 其最大误差为5%左右.对于最大误差为5%,从工程计算的角度去考虑完全可以接受,因此表面势与温 度的关系可以简化为 ,()=,(T,)+(k/q?ln(?/以e:))?(T—T.)(6) 设表面势的温度系数为尸,,则式(6)表明表面势的温度系数 = 寺lnN(7) P,是一个与温度无关的常数,式(6)可以简化如下 ,(T)=,(T1)+Pr(—T1)(8) 这样表面势是温度的线性函数.将T.=300K后得到e3/2=9.01×10加,由于沟道掺杂浓度低于此 值,所以P,为一个负值. 2功率LDMOS的阈值电压温度系数 LDMOS沿沟道长度方向存在着杂质分布,通常定义杂质的峰值处的阈值电压为LDMOS的阈值电 压,这样得到的阈值电压是 ^(T)=+2一Q./C+Q/C. Q口()=?qsNA(max)'(2()一VBs) (9) (9) 式中C是栅氧化层电容,Q是栅氧化层中界面态与固定正电荷,是金属半导体功函数差,是衬 底反向偏压,NA(max)是沟道最大掺杂浓度.对于硅平面MOSFET来说C,Q,,都认为与温度无 关.由于LDMOS材料和工艺都与硅平面MOS相同,所以这里也认为这些参数与温度无关. 由式(9)可知实际上是表面势()函数.将式(8)代人式(9)后得到 ()=(-)+2尸.(T-Tj)+Q — B . o[ , /2PI (T , - 一 T,)1](1.) QBo=~/2q6NA(max)?(2,(T1)一s)(11) (T)的温度系数为 PooCA+B/~/1+D(—T1)(12) 式(12)中的D(—T.)=2(—T,)/(2(T,)一),可以用式(8)证明在温度为325~C以下时其绝 对值大于0,小于等于1.对于(T)用MEDIC软件作了数值分析,得到了它的温度系 数如图1所示]. 从图1可见P.基本上是线性的.这里用最佳逼近的概念来近似式(10),可以得到一个在325~C范围内 误差最小的和温度的线性关系式. 毛 TfK) 图1NA(max)=10"cm,,C.=0.00138F/cm时的阈值电压温度系数 38安徽大学学报(自然科学版)第30卷 3最小均方差下的阈值电压温度系数 从式(10)可以看出对式(10)线性化只需对最后一项进行线性化即可.前面已介绍过0?? 一 2Pr(T—T.)/(2~y(T.)一)?1,因此应当求的最小均方逼近函数是l—一1.设逼近函数是c, ,=I[(V1一一1)一c]dx(13) 它表示用线性函数代替)可以得到整个区间的最小误差,而不是某一点的最小误差.令=0,解式 ,一1=一7x/10(14) 其中 =一 2Pr(一T.)/(2,(T.)一s)(15) 式(14)和(15)代人式(10)后得到最小均方意义下的阈值电压表达式是 )=+3[14]-)(16) 根据式(16)可以写出阈值电压温度系数是 = [+ 对于Pm可作如下讨论: (1)P.与Na(max)的关系. 将C.=~sio2/t代人式(17)得到 f30e,io2/2一kT~InN4(max)1.1n—NA(max)P.与Xa(max)的关系如图2所示. 图2固定t时Po,与Na(max)的关系 图2绘出了P.((max)):A(1+B~/(max))?lnNA(max)/C的示意图.由于P.随着 XA(max)的增加其绝对值减小,所以增加沟道掺杂浓度将减慢阈值电压随温度增加而减小的速率.由 于e=9×10?,取C=0.O0138F/m.所以N(max)非常大时,Po=0,由于这个浓度过大,在 LDMOS中无法实现. (2)P.与栅氧化层厚度的关系. 第1期丁峰,等:功率LDMOS阈值电压温度系数的优化分析39 式(18)也表示了P.与栅氧化层厚度的关系.式中t.为栅氧化层厚度,s咖:为介电常数.我们可以 看出P.与t.是正比关系,即栅氧化层越薄,P.越小,如图3所示. ×l尸一的变化示意图Vth.T的变化示意图 图3P0L与栅氧化层厚度t.的关系图4250,500K温度范围内阈值电压随温度的关系 4计算结果与对比 图4是=0.1V的条件下得到理论近似分析的阈值电压随温度变化的具体值.其表示了在250 , 500K温度范围内阈值电压理论上随温度变化程度大小的关系. 用最小均差法得到的阈值电压验证计算公式的正确性.将式(16)的计算结果与用数值模拟软件 MEDICI模拟的结果进行比较.如表1所示.MEDICI模拟时,取=0.1V,为0,1.5V. 表1高压LDMOS阈值电压随温度变化的对比 表1说明了二者非常接近,在一23oC,227?之间最大误差小于10%,而327?(600K)误差最大, 约为18.5%. 5结语 本文分析了高压LDMOS阈值电压温度系数,给出了阈值电压的一个最佳平方逼近展开的线性表 达式,得到了LDMOS阈值电压温度系数可以按一个常数来处理的结论,并提出了它的表达式.同时文 章讨论了高压LDMOS阈值电压温度系数的性质,结果说明只有薄的栅氧化层厚度和高的衬底掺杂浓 度才能得到小的阈值电压温度系数.文章最后将得到的阈值电压系数与MEDICI数值模拟的结果进行 了对比,验证了它的正确性. 参考文献: [1]ChungYoungSandBairdBob.PowerCapabilityLimitsofPowerMOSFETDevices[J]M icroelectronicsReliability, 2002,42(4):211—218. [2]YoungSchung.Electrical—ThermalCouplingMechanismOnOperatingLimitofLDMOSTransistor[J].IEDM,2000. 83—86. 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Anoptimizationanalysisofthreshold voltagetemperaturecoefficientforpowerLDMOSTs DINGFeng,KEDao—ming,CHENJun—ing,YEYun—fei,LIULei,XUTai—long (SchoolofElectronicandTechnology,AnhuiUniversity,Hefei230039,China) Abstract:Thepaperhasanalyzedtemperaturecharacteristicsonhighvoltagep0werLDMOST'sthresh 0ld VohageandgivenacalculationformulaofitstemperaturecoefficientfromcomputingresuIts . Itcanreducethe changeofthresholdvoltagewiththetemperaturebyenhancetheconsistence0fchaneelintermingl e0rdeDress thethickofcxiadtion.Itmaybeconcludedthatathresholdvoltagetemperaturec0e伍 cient0fahigh v0Itage powerLDMOSTisaconstantatawidetemperaturerange,andalinearexpIlessi0ncanbeusedt0describeits temperaturecharacteristics?Atlast,wecangettheoptimizati0nanalysis0fthresh0ldvohagetemperaturec0effi. cientforpowerLDMOSTs. Keywords:highvoltagepowerLDMOS;hightemperature;thresholdvohagetemperaturecoefficient 责任编校:朱夜明