橫向超結(jié)器件模型與新結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、功率集成電路要求功率器件具有高功率、高速、低功耗和易集成的特點(diǎn),橫向功率器件作為功率集成電路的核心成為了研究的熱點(diǎn)之一,其中橫向超結(jié)(Super Junction,簡(jiǎn)稱SJ)器件是一類極具發(fā)展?jié)摿Φ男滦推骷３Y(jié)技術(shù)將縱向MOSFET器件中耐壓與比導(dǎo)通電阻的2.5次方關(guān)系變?yōu)?.3次方,緩解了耐壓與比導(dǎo)通電阻之間的矛盾。超結(jié)技術(shù)應(yīng)用于橫向雙擴(kuò)散 MOSFET器件(Lateral Double-diffused MOSFET,簡(jiǎn)稱LDMO

2、S)有望進(jìn)一步降低器件的功耗。但是,在超結(jié)LDMOS(SJ-LDMOS)器件中,襯底耗盡區(qū)中的電離受主負(fù)電荷打破了超結(jié)N柱區(qū)與P柱區(qū)之間的電荷平衡,導(dǎo)致P柱區(qū)不能全耗盡,這就是“襯底輔助耗盡效應(yīng)”,造成橫向超結(jié)器件的耐壓急劇下降。為此,國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者提出了一系列新的器件結(jié)構(gòu)來(lái)緩解襯底輔助耗盡效應(yīng)的影響,本小組也在最近提出了橫向超結(jié)器件的等效襯底模型,揭示了襯底輔助耗盡效應(yīng)的本質(zhì)。這些結(jié)構(gòu)大多基于電荷補(bǔ)償原理,仍尚待改進(jìn)。
　　本文

3、在上述研究的基礎(chǔ)上,研究了橫向超結(jié)高壓器件機(jī)理,通過(guò)求解表面電場(chǎng)分布和比導(dǎo)通電阻,建立了橫向超結(jié)器件的電荷補(bǔ)償模型和變漂移區(qū)模型。基于兩個(gè)模型,提出了分段式和N型埋層兩類橫向超結(jié)器件新結(jié)構(gòu),提高了橫向超結(jié)器件的耐壓,優(yōu)化了比導(dǎo)通電阻。主要的創(chuàng)新點(diǎn)如下:
　　1、提出橫向超結(jié)器件的電荷補(bǔ)償模型。從對(duì)橫向超結(jié)器件的耐壓分析出發(fā),給出了三種基本的電荷補(bǔ)償方式及每種方式的電荷平衡條件,通過(guò)對(duì)漂移區(qū)電勢(shì)滿足的二維Poisson方程求解,導(dǎo)出

4、電荷補(bǔ)償結(jié)構(gòu)表面電場(chǎng)的分布,并對(duì)比導(dǎo)通電阻進(jìn)行分析,將導(dǎo)通電阻分成了溝道電阻、擴(kuò)展電阻等四個(gè)部分,獲得了比導(dǎo)通電阻與電荷補(bǔ)償結(jié)構(gòu)各參數(shù)之間的關(guān)系。同時(shí),比較了三種補(bǔ)償方式的優(yōu)缺點(diǎn),提出混合補(bǔ)償?shù)母拍顏?lái)優(yōu)化器件的設(shè)計(jì)。
　　2、提出橫向分段式超結(jié)器件新結(jié)構(gòu)。基于上述模型,獲得將漂移區(qū)有效濃度分段來(lái)優(yōu)化器件表面電場(chǎng)分布的設(shè)計(jì)思想,提出以下三種新器件:
　　(1)表面分段超結(jié)層LDMOS。利用非平衡設(shè)計(jì)的超結(jié)層作為電流低阻通道并提

5、高漂移區(qū)摻雜濃度,降低了器件的比導(dǎo)通電阻;利用變摻雜濃度的超結(jié)P柱區(qū)改善器件的電荷平衡,調(diào)制器件的表面電場(chǎng)分布,提高了器件的耐壓。該器件還兼容標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝。實(shí)驗(yàn)表明,器件在漂移區(qū)長(zhǎng)度為70μm和超結(jié)條寬度為2μm時(shí),耐壓達(dá)到了800V,比導(dǎo)通電阻為207mΩ·cm2,功率品質(zhì)因數(shù)FOM(FOM=BV2/Ron,sp)達(dá)到了3.1 MW·cm-2,處于國(guó)內(nèi)外已報(bào)道橫向超結(jié)器件實(shí)驗(yàn)結(jié)果中的領(lǐng)先水平。
　　(2)體內(nèi)分段超結(jié)層LD

6、MOS。將非平衡設(shè)計(jì)的超結(jié)層置于漂移區(qū)內(nèi)部進(jìn)一步提高了漂移區(qū)摻雜濃度,同時(shí)保證了器件的耐壓。研究表明,當(dāng)器件漂移區(qū)長(zhǎng)度為15μm和超結(jié)條深寬比為1μm/2μm時(shí),耐壓達(dá)到了300V,比導(dǎo)通電阻為8.08mΩ·cm2,相比常規(guī)RESURF LDMOS耐壓提高了35％,比導(dǎo)通電阻下降了60％。
　　(3)柱區(qū)兩段式SJ-LDMOS。在常規(guī)SJ-LDMOS器件的基礎(chǔ)上,僅將超結(jié) P柱區(qū)分成摻雜濃度不同的兩個(gè)部分,改善了超結(jié)的電荷不平衡,

7、優(yōu)化了橫向電場(chǎng)的分布,提高了器件的耐壓,并使該器件與常規(guī)SJ-LDMOS器件的制作工藝兼容。分析表明,在漂移區(qū)長(zhǎng)度為15μm和超結(jié)條深寬比為4μm/1μm時(shí),器件的耐壓達(dá)到了300V,比導(dǎo)通電阻僅為8.2mΩ·cm2,相比常規(guī)SJ-LDMOS在比導(dǎo)通電阻幾乎相同的情況下耐壓提高了近兩倍。
　　3、提出橫向超結(jié)器件變漂移區(qū)模型和N型埋層緩沖SJ-LDMOS新結(jié)構(gòu)。該模型基于變化漂移區(qū)厚度以優(yōu)化器件表面電場(chǎng)的設(shè)計(jì)思想,通過(guò)對(duì)漂移區(qū)電勢(shì)

8、滿足的二維Poisson方程求解和對(duì)比導(dǎo)通電阻的分析,獲得了變漂移區(qū)結(jié)構(gòu)表面電場(chǎng)、比導(dǎo)通電阻的解析式。基于該模型,提出N型埋層緩沖SJ-LDMOS。N型緩沖層減小了超結(jié)條的深寬比,降低了超結(jié)的制作難度?？拷﹨^(qū)的 N型埋層針對(duì)襯底輔助耗盡效應(yīng)最嚴(yán)重的漏端進(jìn)行電荷補(bǔ)償,進(jìn)一步改善了器件的電荷平衡,并通過(guò)同時(shí)改變漂移區(qū)厚度和有效濃度,加強(qiáng)了對(duì)器件表面電場(chǎng)的調(diào)制作用。分析表明,在漂移區(qū)長(zhǎng)度為15μm時(shí),器件的耐壓達(dá)到了350V,橫向表面平均電