槽型低阻SOI橫向功率器件研究與設(shè)計.pdf

1、SOI(Silicon On Insulator)橫向功率 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor)是功率集成電路的核心器件,實(shí)現(xiàn)高壓和低阻是功率器件的主要目標(biāo)。然而,高擊穿電壓BV需要較長且濃度低的漂移區(qū),因而比導(dǎo)通電阻Ron,sp隨耐壓升高按 Ron,sp∝BV2.5的關(guān)系增加,導(dǎo)致功率損耗增大,即“硅極限”問題。本文圍繞以緩解BV和Ron,sp的矛盾關(guān)系為目

2、標(biāo),提出了三種新型橫向功率MOSFET結(jié)構(gòu),并進(jìn)行了機(jī)理研究、數(shù)值仿真和工藝流程設(shè)計。
　　(1)提出一種具有低阻通道的槽型SOI LDMOS器件(SOI NBL TLDMOS),該結(jié)構(gòu)具有三個方面特征:SOI層與埋氧層界面上有一層薄的 N埋層,漂移區(qū)中的氧化槽以及延伸至埋層的槽柵。首先,器件開態(tài)時,延伸槽柵側(cè)面形成的電子積累層與高摻雜的N埋層構(gòu)成低阻導(dǎo)電通道,顯著降低了器件比導(dǎo)通電阻。其次,由于高濃度 N埋層的作用,根據(jù)高斯定理

3、,埋氧層電場增加。再者,氧化槽提高了器件的橫向電場,同時增強(qiáng)了器件的多維度耗盡,提高漂移區(qū)濃度。最后,氧化槽沿縱向折疊漂移區(qū),從而減小器件元胞尺寸和比導(dǎo)通電阻。通過仿真優(yōu)化獲得SOI NBL TLDMOS的擊穿電壓為166V、比導(dǎo)通電阻為1.64 mΩ·cm2。與傳統(tǒng)槽柵SOI TG LDMOS(SOI Trench Gate LDMOS)相比,在相同6μm的元胞尺寸下, SOI NBL TLDMOS耐壓提高了105％;在相同耐壓下,導(dǎo)

4、通電阻降低了80％。
　　(2)提出一種介質(zhì)場增強(qiáng)低阻的槽型SOI LDMOS器件(SOI LS TLDMOS)。該結(jié)構(gòu)有三方面特征:漂移區(qū)中L型氧化槽、槽兩側(cè)高摻雜濃度N/P區(qū)以及延伸至漂移區(qū)的槽柵。首先,L型凹槽內(nèi)積累反型層電荷提高器件的橫向耐壓,縮小元胞尺寸;其次,高濃度 N/P區(qū)被反向耗盡時,N區(qū)提高氧化槽和漂移區(qū)中電場,橫向耐壓增加。P區(qū)輔助耗盡漂移區(qū)以增加漂移區(qū)濃度,N區(qū)提供低阻導(dǎo)電通道,導(dǎo)致比導(dǎo)通電阻降低;再者,源端

5、的縱向耐壓提高會使埋氧層界面產(chǎn)生自適應(yīng)電荷,界面電荷增強(qiáng)埋氧層電場和器件耐壓。最后,薄埋氧層有效地減緩 SOI LS TLDMOS的自熱效應(yīng)。通過仿真優(yōu)化獲得SOI LS TLDMOS的擊穿電壓為179V、比導(dǎo)通電阻為2.7mΩ·cm2。在相同4μm元胞尺寸下,與常規(guī)槽型SOI TLDMOS(SOI Trench LDMOS)相比,新結(jié)構(gòu)耐壓提高了58％,比導(dǎo)通電阻降低了65％。
　　(3)提出一種超低導(dǎo)通比導(dǎo)通電阻的槽型 SOI

6、 LDMOS器件( SOI VSJ TLDMOS),該結(jié)構(gòu)主要特征有:第一,通過在漂移區(qū)引入縱向SJ(Super Junction)結(jié)構(gòu),使橫向器件縱向承受耐壓,縮小器件元胞尺寸。第二,SJ中P型柱區(qū)輔助耗盡N漂移區(qū),增加漂移區(qū)濃度,降低比導(dǎo)通電阻。第三,漏區(qū)N+層和埋層界面 N+層為器件提供了一條超低阻導(dǎo)電通道,縮短了載流子在漂移區(qū)內(nèi)的流通路徑,降低比導(dǎo)通電阻。第四,P柱區(qū)中的電離受主負(fù)電荷與氧化槽右側(cè)極薄的N+硅層中的電離施主正電荷