橫向超結器件模型與新結構研究.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,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之一,其中橫向超結(Super Junction,簡稱SJ)器件是一類極具發(fā)展?jié)摿Φ男滦推骷?。超結技術將縱向MOSFET器件中耐壓與比導通電阻的2.5次方關系變?yōu)?.3次方,緩解了耐壓與比導通電阻之間的矛盾。超結技術應用于橫向雙擴散 MOSFET器件(Lateral Double-diffused MOSFET,簡稱LDMO

2、S)有望進一步降低器件的功耗。但是,在超結LDMOS(SJ-LDMOS)器件中,襯底耗盡區(qū)中的電離受主負電荷打破了超結N柱區(qū)與P柱區(qū)之間的電荷平衡,導致P柱區(qū)不能全耗盡,這就是“襯底輔助耗盡效應”,造成橫向超結器件的耐壓急劇下降。為此,國內外眾多學者提出了一系列新的器件結構來緩解襯底輔助耗盡效應的影響,本小組也在最近提出了橫向超結器件的等效襯底模型,揭示了襯底輔助耗盡效應的本質。這些結構大多基于電荷補償原理,仍尚待改進。
　　本文

3、在上述研究的基礎上,研究了橫向超結高壓器件機理,通過求解表面電場分布和比導通電阻,建立了橫向超結器件的電荷補償模型和變漂移區(qū)模型?；趦蓚€模型,提出了分段式和N型埋層兩類橫向超結器件新結構,提高了橫向超結器件的耐壓,優(yōu)化了比導通電阻。主要的創(chuàng)新點如下:
　　1、提出橫向超結器件的電荷補償模型。從對橫向超結器件的耐壓分析出發(fā),給出了三種基本的電荷補償方式及每種方式的電荷平衡條件,通過對漂移區(qū)電勢滿足的二維Poisson方程求解,導出

4、電荷補償結構表面電場的分布,并對比導通電阻進行分析,將導通電阻分成了溝道電阻、擴展電阻等四個部分,獲得了比導通電阻與電荷補償結構各參數之間的關系。同時,比較了三種補償方式的優(yōu)缺點,提出混合補償的概念來優(yōu)化器件的設計。
　　2、提出橫向分段式超結器件新結構?；谏鲜瞿Ｐ?獲得將漂移區(qū)有效濃度分段來優(yōu)化器件表面電場分布的設計思想,提出以下三種新器件:
　　(1)表面分段超結層LDMOS。利用非平衡設計的超結層作為電流低阻通道并提

5、高漂移區(qū)摻雜濃度,降低了器件的比導通電阻;利用變摻雜濃度的超結P柱區(qū)改善器件的電荷平衡,調制器件的表面電場分布,提高了器件的耐壓。該器件還兼容標準的CMOS工藝。實驗表明,器件在漂移區(qū)長度為70μm和超結條寬度為2μm時,耐壓達到了800V,比導通電阻為207mΩ·cm2,功率品質因數FOM(FOM=BV2/Ron,sp)達到了3.1 MW·cm-2,處于國內外已報道橫向超結器件實驗結果中的領先水平。
　　(2)體內分段超結層LD

6、MOS。將非平衡設計的超結層置于漂移區(qū)內部進一步提高了漂移區(qū)摻雜濃度,同時保證了器件的耐壓。研究表明,當器件漂移區(qū)長度為15μm和超結條深寬比為1μm/2μm時,耐壓達到了300V,比導通電阻為8.08mΩ·cm2,相比常規(guī)RESURF LDMOS耐壓提高了35％,比導通電阻下降了60％。
　　(3)柱區(qū)兩段式SJ-LDMOS。在常規(guī)SJ-LDMOS器件的基礎上,僅將超結 P柱區(qū)分成摻雜濃度不同的兩個部分,改善了超結的電荷不平衡,

7、優(yōu)化了橫向電場的分布,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)長度為15μm和超結條深寬比為4μm/1μm時,器件的耐壓達到了300V,比導通電阻僅為8.2mΩ·cm2,相比常規(guī)SJ-LDMOS在比導通電阻幾乎相同的情況下耐壓提高了近兩倍。
　　3、提出橫向超結器件變漂移區(qū)模型和N型埋層緩沖SJ-LDMOS新結構。該模型基于變化漂移區(qū)厚度以優(yōu)化器件表面電場的設計思想,通過對漂移區(qū)電勢

8、滿足的二維Poisson方程求解和對比導通電阻的分析,獲得了變漂移區(qū)結構表面電場、比導通電阻的解析式?；谠撃Ｐ?提出N型埋層緩沖SJ-LDMOS。N型緩沖層減小了超結條的深寬比,降低了超結的制作難度?？拷﹨^(qū)的 N型埋層針對襯底輔助耗盡效應最嚴重的漏端進行電荷補償,進一步改善了器件的電荷平衡,并通過同時改變漂移區(qū)厚度和有效濃度,加強了對器件表面電場的調制作用。分析表明,在漂移區(qū)長度為15μm時,器件的耐壓達到了350V,橫向表面平均電