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RF 功率MOSFET 产品及其工艺开发 作者：蔡丽霞 张健亮等 关键词：RF，MOSFET，功率，放大器，硅基LDMOSFET 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、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。 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