RF功率MOSFET產品及工藝

RF 功率 MOSFET的最大應用是無線通訊中的RF功率放大器。直到上世紀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、成本低的優點，成為目前RF 功率 MOSFET的主流技術。
手機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是手機基站中成本最高的元器件。一個典型的手機基站中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的發展，RF功率放大器的需求將進一步提高。

RF 功率 MOSFET在無線電通訊領域也有應用，其頻率已延伸至低微波段且輸出功率可達百W以上。它同時也應用于電視(特別是數字電視)功率放大器、雷達系統和軍事通訊中。

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

圖1 LDMOSFET基本結構圖

RF 功率 LDMOSFET性能特征

與硅雙極型晶體管相比，RF 功率 LDMOSFET有以下優點：

1. 工作頻率更高，穩定性好：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可以達到14dB。
3. 線性度好，失真小：特別在數字信號傳輸應用中，LDMOSFET表現更加突出。
4. 熱穩定性好：溫度對LDMOSFET電流有負反饋作用，溫度升高可以限制電流的進一步提高；而雙極型晶體管溫度對電流起正反饋作用，所以LDMOSFET的熱穩定性好。

RF 功率 LDMOSFET基本結構和制造工藝特點

RF 功率 LDMOSFET 是具有橫向溝道結構的功率MOSFET，它以LDMOSFET為基本結構，利用雙擴散技術在同一窗口相繼進行硼、磷兩次擴散，通過兩種雜質橫向擴散的結深之差精確控制溝道長度。其基本結構如圖1所示，由幾個關鍵結構組成：

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結構的基本元素，P-阱和N+源就是通過自對準注入和雙擴散技術形成的。P-阱和N+源注入后在多晶下方橫向擴散，最后形成了MOS的溝道和源區。
3. LDD結構：從多晶柵邊緣到漏端是輕摻雜的LDD(Lightly Doped Drain)區，這個區域可承受源漏之間的高電壓。通過優化LDD區域的電荷和長度，可以使源漏的穿通電壓達到最大值。一般來說，LDD區域的電荷密度約為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+ 加強區(P+ enhancement)和金屬屏蔽(shield)：P+加強區是為了保證電流從表面的源端通過金屬，流向P+埋層。金屬屏蔽結構是為了降低多晶柵靠LDD區邊緣的電壓，防止熱電子注入效應。

產品設計難點分析和解決方案

通過分析RF 功率 MOSFET器件的性能和結構特征，本文設計了器件的基本結構，并通過工藝和器件模擬獲得了關鍵參數。

器件的關鍵參數包括：

1. 柵氧厚度：需根據器件的閾值電壓等設計合適的柵氧厚度。
2. 溝道長度、雜質濃度及分布：它們決定器件的開啟電壓，以及源漏之間的穿通電壓，必須經過專門的設計。
3. LDD長度和雜質濃度：LDD區域分擔最大部分的源漏電壓，它的長度和雜質濃度分布必須優化，使得器件的擊穿電壓可以達到最大值，同時LDD區域的電壓分布均勻。
4. 外延厚度和雜質濃度：它們決定N+漏和襯底引出的源極之間的縱向穿通電壓。
結合6寸芯片生產線， RF 功率 MOSFET的制造工藝流程設計完成，包括：P+埋層、LOCOS、柵結構， P阱、源漏和LDD結構，以及接觸孔、鋁、鈍化層。

工藝難點和解決方案如下：

1. 柵結構：設計了特殊柵結構和工藝制造流程，以滿足器件功能和頻率特性需要。
2. P-阱和N+源區的自對準注入和雙擴散工藝：器件溝道是通過P-阱和N+源區推進過程中硼、磷的橫向擴散差異形成的。這兩個區域通過兩次多晶單邊自對準注入形成。注入和推進過程需嚴格控制。
3. P+阱溝道：該區域的雜質濃度和長度是決定器件性能的關鍵因素，制造工藝中必須嚴格控制注入和推進過程，保證器件基本性能和均勻性。

結語

本文通過分析RF功率 LDMOSFET的性能和結構特征，設計出RF 功率 LDMOSFET器件結構，通過工藝和器件模擬確定了關鍵參數，并設計了一套符合6寸芯片生產線的制造工藝流程，對工藝中的難點提出了解決方案。