RF功率MOSFET产品及其工艺开发

摘    要：本文简述了RF 功率 MOSFET器件的应用，分析了以LDMOSFET工艺为基础的RF 功率 MOSFET的功能特性、产品结构和制造工艺特点。文中结合6寸芯片生产线，设计了产品的制造工艺流程，分析了制造工艺的难点，并提出了解决方案。

关键词：RF 功率 MOSFET；LDMOSFET；器件结构；制造工艺

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。

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、栅氧和多晶栅：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。

图 LDMOSFET基本结构图

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