（微电子学与固体电子学专业论文）600v超结vdmos器件设计.pdf

t h ed e s i g n o f6 0 0 vs u p e r 心c t i o nv d m osd e v i c e at h e s i ss u b m i t t e dt o s o u t h e a s tu n i v e r s i t y f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y j i n gj i 1 i s u r , , r v i s e dbysupervisedb y p r o f e s s o rs h il o n g x i n g s c h o o lo fe l e c t r o n i cs c i e n c ea n de n g i n e e r i n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y m a r c h2 0 1 0 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：錾主鲴日期：幽垃丝圭曰厶盈 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电 子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：牲导师签名： 摘要 摘要 功率半导体器件是构成电力电子变换装置的重要器件。击穿电压和导通电阻是功率半导体器件 的关键指标，而导通电阻和击穿电压是一对矛盾体。传统m o s 导通电阻与击穿电压的2 5 次方 呈比例关系，超结v d m o s 的漂移区由重掺杂的1 1 型柱区和p 型柱区所构成，所以它的导通电阻与 击穿电压呈线性关系，比传统m o s f e t 的导通电阻降低了五分之一到二分之一。6 0 0 v 系列的超结 v d m o s 在电源适配器、照明等方面的应用更为广泛。 本文以设计6 0 0 v 超结v d m o s 为目的，首先分析了超结结构耐压的基本原理，证明了在反向 电压偏置时，超结结构的纵向电场呈矩形分布，与传统结构的三角形纵向电场分布相比具有更高的 击穿电压。然后研究了电荷不平衡对击穿电压的影响，研究发现1 1 型柱区与p 型柱区的浓度或宽度 不相等会使击穿电压下降，而且浓度越高，宽度越窄，击穿电压下降越明显。借助s e n t a u r u s 的s d e v i c e 研究了超结结构的峰值电场，结果表明超结结构的最大峰值电场出现在n + p 结或m 结的位置。随 后借助t s u p r e m - 4 和m e d i c i 优化了超结v d m o s 的漂移区和p b o d y 的工艺参数。最后利用泊松方程 研究了超结v d m o s 的终端技术，提出了多级场板和浮空场板的终端结构，对于特殊的六角形品格 终端技术，采用了终端六角形晶格宽度为有源区晶格宽度一半的终端结构。 经过t s u p r e m - 4 和m e d i c i 仿真，超结v d m o s 的击穿电压为6 5 0 v ，导通电阻为3 6 m q c 1 t i _ 2 ，符 合器件的设计指标。 关键词；功率器件；超结；电荷平衡；结终端；场板 a b s t r a c t a b s 仃a c t p o w e rs e m i c o n d u c t o rd e v i c e sa r ec o r ec o m p o n e n t so f p o w e re l e c t r o n i cc o n v e r t e r b r e a k d o w nv o l t a g e a n do n - r e s i s t a n c ea r et h ek e ye l e m e n t sf o rt h ep o w e rs e m i c o n d u c t o rd e v i c e s h o w e v e r ，t h eo i l r e s i s t a n c ei s p r o p o r t i o nt ot h e2 5 t ho fb r e a k d o w nv o l t a g e t h ed r i f tr e g i o no fs u p e rj u n c t i o nv d m o si sr e p l a c e db y a l t e r n a t i v e l ys t a c k e dh e a v i l yd o p e dna n dpp i l l a r ，a n dt h eo n - r e s i s t a n c ei sv i r t u a l l yl i n e a rw i t ht h e b r e a k d o w nv o l t a g e ，a l l o w i n gac u ti nt h eo n - r e s i s t a n c eo f1 5t o1 2 as e r i e so f6 0 0 vs u p e rj u n c t i o n v d m o sa r ec o m m o nu s e di na d a p t e r ，l i g h t i n ga n ds oo n t h es u p e rj u n c t i o nt h e o r yo fs u s t a i nv o l t a g ew a sa n a l y z e df o rd e s i g n i n gt h e6 0 0 vs u p e rj u n c t i o n v d m o sf i r s t l y t h ee l e c t r i cf i e l do ft h es u p e rj u n c t i o ns t r u 【蛐a l o n gt h ev e r t i c a ld i r e c t i o nw a st h e r e c t a n g l et h a te n h a n c et h eb r e a k d o w nv o l t a g e t h ei n f l u e n c eo fc h a r g eu n b a l a n c eo nt h eb r e a k d o w n v o l t a g ew a sa l s oa n a l y z e d ，t h eb r e a k d o w nv o l t a g ew o u l db ed r o p p e dw h e nt h ec o n c e n t r a t ea n dw i d t ho fn a n dpp i l l a rv a r i e d ，t h eh i g h e rc o n c e n t r a t ea n dt h i n n e rw i d t h ，t h el o w e rb r e a k d o w nv o l t a g e w i t ht h eh e l p o fs d e v i c eo fs e n t a u r u s ，t h eb r e a k d o w ns p o tw a sa n a l y z e d t h em a x i m u me l e c t r i cf i e l dw a ss h o w na tt h e p + no rn 巾j u n c t i o n t h ep a r to fs u p e rj u n c t i o nd r i f tl a y e ra n dp - b o d yw e r eo p t i m i z e db yu t i l i z i n gt h e t s u p r e m - 4a n dm e d i c i t h er e a l i z a t i o no fs u p e rj u n c t i o nt e r m i n a t i o nw a sp r o p o s e db ys o l v i n gp o i s s o n s e q u a t i o n t e r m i n a t i o nw a sa c h i e v e dw i t ht h em u l t i s t e pf i e l dp l a t ea n df l o a tf i e l dp l a t e ，f o rah e x a g o n a l l a t t i c ee d g et e r m i n a t i o n 。t h ep i t c hb e t w e e nt h ep - d o p e dc o l u m n sw a sr e d u c e db yaf a c t o ro ft w o 淞 c o m p a r e dt ot h ea c t i v ec e l la r r a y b a s e do nt h es i m u l a t i o no ft s u p r e m - 4a n dm e d i c i ，t h eb r e a k d o w nv o l t a g eo fp r o p o s e dd e v i c ei s 6 5 0 v ，w h i l et h eo n - r e s i s t a n c ei s3 6 m o c m 2 ，w h i c ha c h i e v et h ed e s i g nt a r g e t k e yw o r d s ：p o w e rd e v i c e ；s u p e r j u n c t i o n ；c h a r g eb a l a n c e ；j u n c t i o nt e r m i n a t i o n ；f i e l dp l a t e i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i 第一章绪论1 1 1 功率半导体器件的发展1 1 2 超结技术的提出l 1 3 超结功率器件的当前发展3 1 4 本文的主要工作和论文结构5 第二章超结结构的理论分析7 2 1 超结结构的基本原理7 2 2 漂移区参数设计理论1 1 2 3 电荷平衡理论。14 2 4 超结终端技术理论。1 6 2 5 本章小结2 l 第三章超结v d m o s 有源区的优化设计2 2 3 1 超结v d m o s 的设计流程。2 2 3 2 漂移k 的优化设计2 3 3 3 p b o d y 的优化设计2 6 3 4 本章小结3 2 第四章超结v d m o s 的终端结构的优化设计3 3 4 1 终端p 柱的设计。3 3 4 2 场板的优化设计一3 6 4 3六角形版图的终端设计一3 7 4 4 最佳结构参数。4 2 4 5 本章小结4 5 第五章总结和展望4 6 5 1 总l ；，4 6 5 2 展望4 7 致谢z 1 8 参考文献4 9 硕士期间取得的成果5 1 u l 第一章绪论 第一章绪论 本章简要介绍功率半导体器件的发展，超结技术的产生与当前发展，最后说明了本论文的主要 工作和论文结构。 1 1 功率半导体器件的发展 功率半导体器件是电力电子技术的基础与核心器件，它是微电子技术与电力电子技术的结合。 新型电力电子器件的主要代表是场控型功率器件和智能功率集成电路( s m a r tp o w e ri cs p i c ) 。现代 电力电子技术的发展使功率器件多数情形下是用作一种开关。对功率器件性能的要求大致有如下几 条【1 】： ( 1 ) 耐压高。即功率器件加反向电压而处于关断时，其击穿电压要高。这个要求比较容易理解， 而要实现此要求并非易事； ( 2 ) 导通时电流密度大。这使得处理定电流时所需芯片面积不大； ( 3 ) 导通时器件上压降低。即导通时器件单位面积的电阻很小； ( 4 ) 开关速度高。即器件从关断到导通的时间及从导通到关断的时间都很小； ( 5 ) 驱动功率小。即要使得驱动功率器件工作，开关输入端所需要的能耗较小，否则需要多个 前级放大器才能控制。 1 9 8 0 年出现了垂直双扩散m o s f e t ，v d m o s ( v e r t i c a ld i f f u s i o nm o s f e t ) ，由于其导电方向 垂直于硅表面，耐压可以很高【2 】；且由于它是多子器件，开关速度一下子提高了一个数量级以上； 同时还有所需功率极小的优a t 3 1 。这个器件一直沿用到如今。v d m o s 的导通电阻主要由沟道电阻， 积累层电阻，j f e t 区电阻和漂移区电阻所组成 4 1 。高耐压要求v d m o s 具有低浓度、较厚的漂移i 。 但是，随着漂移i x 厚度的增加和浓度的降低，漂移区的电阻将升高，导致器件的导通电阻ka 增 加，通态功耗增大。导通电阻与击穿电压之问约成2 5 次方的关系【5 】。当击穿电压提高时，两者之间 矛盾会加剧。为了缓解v d m o s 的导通电阻与击穿电压之间的矛盾，提出了一种“超结”的概念。 1 2 超结技术的提出 在大力发展节约能源，动态控制，噪音减少等技术的今天，电力电子半导体器件由于其具有精 度高，速度快和功耗低的特点而得到了在功率电子系统的广泛应用。为了降低功耗，要求功率半导 体器件在关断态时能承受较高的电压，在通态时有较低的导通电阻。而超结的概念正是基于上述原 因提出的。2 0 世纪8 0 年代末9 0 年代初，一种概念的提出打破了“硅限”，它可以同时得到低通态 功耗和高开关速度。这一概念经过演化和完善之后，得到了“超结理论”( s u p e rj u n c t i o nt h e o r y ) 。 d j c o e 在1 9 8 8 年第一次提出了横向超结m o s f e t 的技术1 6 】，即超结l d m o s ，采用交替的p 区和n 区结构来替代原有的轻掺杂区作为漂移区。 在随后的1 9 9 3 年，陈星弼提出了纵向超结m o s f e t 的技术【7 】，同样采用交替的p 区和n 区结构来 替代原有的轻掺杂区作为漂移区。 1 9 9 7 年，t a t s u h i k o 等人对超结结构的导通电阻与击穿电压的关系进行了计算，并在一些假设的 条件下，得到了二者的线性关系式，其假设为： ( 1 ) 超结结构中的p 区，n 区掺杂浓度和宽度都相等； ( 2 ) 假设在横向耗尽层交叠前，电场仅在横向上变化；当耗尽层交叠后，电场只在纵向上增加， i 东南人学硕十学位论文 而且变化量为常数，只受漏源电压的控制； ( 3 ) 临界场强只受掺杂浓度变化的影响【引。 随着超结理论的发展，德国西门子的英飞凌公司在1 9 9 8 年推出了c o o l m o s t m 器件 9 1 。它的耐 压范围为6 0 0 - 8 0 0 v ，在相同的j 醛片面积上，其导通电阻，主要是漂移区的电阻，降低了2 0 一5 0 ， 打破了硅限，并且具有很高的开关速度。 对于c o o l m o s t m 器件，它的临界电场没有传统m o s f e t 那样的大斜率，几乎为恒定值，这 就使得击穿电压仅仅依赖于漂移i x 的厚度，而与掺杂浓度无关，从而导通电阻与击穿电压的关系得 到很大改进，由传统的平方关系变为线性关系，这使得超结器件具有更加优越的性能和特点。 尽管超结结构显著的改善了功率m o s f e t 器件的导通电阻和击穿电压的关系，但同时也带来一 些负面的影响。例如器件的工艺难度和工艺成本的增加，超结结构需要很大的深宽比，在工艺中可 以考虑利用高能离子注入的方式实现，也可以采用多次外延和硼离子注入交替进行的方式实现。高 能离子注入的方式实现的超结结构只能用于低压方面，对于高压器件来说，还要采用多次外延和硼 离子注入交替进行的方式，它的工艺成本与外延次数直接成正比。为了得到较小的导通电阻，就需 要很大的深宽比，当然需要增加外延生长的次数，这也就提高了生产成本。因此工艺成本也是超结 器件设计中很重要的一个问题。 利用高能离子注入技术可以实现适用于低压的超结结构。2 0 0 3 年m 的t i m o t h yh e n s o n 等人仅 采用了一次注入能量为1 5 m e v 的高能离子注入就可实现7 5 v 的超结m o s f e t u o l ，其导通电阻与 “s i l i c o nl i m i t ”相比降低了1 9 。另外利用多次离子注入技术也可以实现适用于低压的超结结构。 2 0 0 5 年n e c 电子公司的y o s h i n a om i u r a 等人又提出了在l d m o s ( 横向双扩散m o s f e t ，l a t e r a l d i f f u s i o nm o s f e t ) 中使用多次离子注入形成分离的p 型柱【l 。该结构适用于耐压为4 0 v - - 7 5 v 的 汽车电子器件中。 工艺工程师在传统的沟槽栅m o s f e t 的基础上又发展了沟槽栅超结m o s f e t 。2 0 0 1 年y o s h i y u k i h a t t o r i 等人在传统沟槽栅m o s f e t 的基础上，提出了深沟槽超结m o s f e t 1 2 j 。这个结构是利用反 应离子刻蚀对整饰型漂移【x 挖深槽，通过小角度注入在槽壁形成n 柱区，随后利用多晶硅对沟槽进 行填充。该结构与传统的深槽m o s f e t 相比，深沟槽超结m o s f e t 的导通电阻能降低3 0 ，它主 要用于低压方面。沟槽栅超结m o s f e t 中新的工艺难题是对版误差所带来的特性变差。为了解决沟 槽栅超结m o s f e t 中由于对版误差引起的特性退化问题，2 0 0 4 年v o s h i y u l ( ih a t t o d 等人又提出了新 的沟槽栅超结m o s f e t 1 3 】，这个结构是在沟槽栅和超结的n 柱区之间加入一个n 型缓冲区，其宽度 大于沟槽栅的宽度，只要栅被该n 型缓冲区覆盖，即使栅的位置偏离了设计位置，器件的导通电阻 就不会增大。同时通过减小n 型缓冲区下的n 柱区的宽度可进一步降低导通电阻。传统的沟槽栅 m o s f e t 的优点是器件的输出电容低，频率特性好。沟槽栅超结m o s f e t 器件同样也具备这样的优 势。2 0 0 5 年f a i r c h i l d 公司的s s a p p 等人提出了含有氧化硅填充沟槽的平面栅超结m o s f e t l i 4 j 。这 个新结构的导通电阻比之前文献的同样击穿电压的器件低1 9 。同时，这种结构在耐压层中使用了 氧化硅填充的沟槽后，该结构与传统的多晶硅填充沟槽的平面栅超结m o s f e t 相比，输出电容降低， 适用于射频电路。 在深槽刻蚀和外延再生长填充的工艺基础上，工艺工程师又采用深槽刻蚀和外延再生长填充技 术制造超结结构。2 0 0 0 年三菱电子公司的t n i t t a 等人对传统超结m o s f e t 进行改进，提出了s u p e r t r e n c hm o s f e t 1 6 】。在该新结构中，首先是进行深槽刻蚀，然后通过对沟槽侧壁进行倾斜注入形 成n 柱区和p 柱区。该工艺不同于多次外延和离子注入的工艺技术，又不同于深槽刻蚀的工艺技术。 该工艺简单可行，比传统的超结m o s f e t 工艺流程更简单，且容易准确控制。只需在传统v d m o s 工艺基础上增加一次掩模。 2 0 0 2 年，飞利浦研究实验室的c r o c h e f o r t 等人提出了另外一种超结m o s f e t 的新工艺1 1 7 。l b j a 利用沟槽刻蚀后，再进行气相掺杂来形成p 型区。2 0 0 6 日本d e n s o 公司研究室的s h o i c h iy a m a u c h i 等人使用s i l l 2 c 1 2 和h c i 气体源进行各向异性外延生长来填充沟槽形成p 柱斟憎j 。该工艺方法成功 地应用于最大深宽比为1 8 的沟槽填充中，并且制造出了元胞尺寸为2 7 p , m ，耐压为2 2 5 v ，导通电 阻为1 5 r n q i 1 1 1 1 2 的超结m o s f e t 。 2 第一章绪论 超结结构的另外一个不利因素是，超结m o s f e t 中的体二极管反向恢复特性会变硬，由于超结 m o s f e t 中超结的存在增大了其体二极管的结面积，导致反向恢复电荷较大；另一方面p 柱区和n 柱区又使得这些载流子能迅速排出，导致d v d t 增大，引起反向恢复硬度高。2 0 0 0 年n c e z a c 等人 提出了浮岛m o s f e t ( f l o a t i n gi s l a n d sm o s f e t ) ，改善了超结m o s f e t 的体二极管反向恢复特性， 在v d m o s 的p 阱下漂移区中使用相互隔开的p 柱区。同传统的v d m o s 相比，该结构的导通电阻 降低了3 0 ，与“s i l i c o n l i m i t ”相比降低了4 0 t 驯。2 0 0 1 年e t t o r e n a p o l i 等人提出了m p s d i o d e ( m e r g e d p i ns c h o t t k yd i o d e ) 1 2 l 】，这种结构将p i n 肖特基二极管加入到超结结构中，e t t o r en a p o l i 等人在2 0 0 3 年又提出了在超结m o s f e t 内部使用肖特基接触来替代原有的积累i 是上m o s 栅结构，使反向恢复 特性的硬度有所改善【2 2 1 。为了改善反向恢复特性，改善导通电阻和击穿电压的矛盾关系，降低工艺 难度和工艺成本，2 0 0 3 年w a t a r us a t i o 等人提出了s e m i s u p e ri u n c t i 0 1 1m o s f e t i 乃j ，这种结构的漂 移区由厚度适中的超结结构和一个轻掺杂浓度的n 型底部辅助层( b o t t o ma s s i s tl a y e r ) 组成。 s e m i s u p e rj u n c t i o nm o s f e t 中体二极管的反向恢复特性比传统的超结m o s f e t 中体二极管的反向 恢复特性好。此外，与传统的超结m o s f e t 相比，在相同的耐压下，s e m i s u p e rj u n c t i o nm o s f e t 的导通电阻和柱区厚度可获得更好的折衷，有效地降低工艺难度和工艺成本。2 0 0 5 年w a t a r us a t i o 等人利用s e m i s u p e ri u n c t i o n 结构实现了耐压为1 4 0 0 v 的s e m i s u p e r j u n c t i o nm o s f e t l 2 4 1 。 1 3 超结功率器件的当前发展 1 3 1 纵向超结器件 在高压器件中，为了改进击穿电压和导通电阻的折中关系，超结的概念被引入到了纵向结构中。 一个垂直的超结双扩散m o s f e t 结构的横截剖面图如图1 1 所示，在这一结构中，漂移区被两种极 性相反的区域np i l l a r 和pp i l l a r 所替代，为了满足弱化表面电场r e s u r f 条件，np i l l a r 和pp i l l a r 的电荷应为2 1 0 1 2 e r a 。2 。np i l l a r 起着传导电流的作用，电子电流从源极通过沟道到达n + 漏区。pp i l l a r 中并没有电流通过，它对电流的传导并不起作用，但是有了它就会有很高的击穿电压。当器件在关 断态时，反向电压使np i l l a r 和pp i l l a r 耗尽直至整个漂移区全部耗尽，这时全部耗尽的漂移区就像 一个本征层【2 5 1 。 e y 厂x 图1 1垂直超结双扩散m o s f e t 结构的横截剖面图 np i l l a r 和pp i l l a r 中的电荷一定要精确地平衡，以便在击穿发生之前np i l l a r 和pp i l l a r 全部耗尽。 在图l - l 中为了保证电荷平衡，np i l l a r 和pp i l l a r 的宽度相同，浓度相同。电荷在1 1p i l l a r 和pp i l l a r 的耗尽确保了一个平缓的电场分布，在这种情况下，击穿电压仅与np i l l a r 和pp i l l a r 的宽度有关， 而与np i l l a r 和pp i l l a r 的浓度无关。 在np i l l a r 和pp i l l a r 中得到精确的电荷平衡是必须的，然而在实际的生产工艺中要想做到这点 3 东南人学硕士学位论文 很难，任何电荷不平衡都将会引起击穿电压的下降。随着电荷量的增加，电荷不平衡对击穿电压的 敏感性也大大增加。如果将电荷减小，这会引起导通电阻性能的下降。因此击穿电压的敏感性和导 通电阻也需要折中考虑。 在阻断状态下，超结m o s f e t 的耐压层存在横向p n 结的影响，使得在较小的漏极电压下，整 个耐压层便完全耗尽，类似于个本征耐压层，从而使器件的耐压得以提高。同时，超结中的1 1 柱 区可以采用较高的浓度，这样有利于降低导通电阻。导通期间，源i x = 的电子通过沟道进入超结中的 n 柱区，然后垂直流入r l 衬底，从而形成由漏到源的电流。超结中的p 柱l 廷对于导通状态是没有贡 献的，但是它对获得高的耐压却是至关重要的。研究表明，采用超结结构作为功率m o s f e t 的耐压 层后，1 1 柱区的浓度可以提高约一个数量级，但是必须要保证n 柱区和p 柱区中的电荷平衡，一旦n 柱区和p 柱区之间的电荷失去平衡，超结m o s f e t 的耐压，导通电阻和开关特性都要受到影响。在 电荷平衡的前提下，超结m o s f e t 击穿电压在一定的电荷数量条件下，可以达到最大值。减小1 1 柱 区宽度，有利于提高1 1 柱区浓度，其导通电阻也会随着1 1 柱区宽度的减小而减小。在最大耐压情况 下，超结m o s f e t 的耐压与1 1 柱区的厚度呈线性关系。同时，超结的工艺难度和工艺成本与超结的 厚度成正比的。 1 3 2 超结器件的终端技术 超结器件的击穿电压与漂移区的掺杂浓度无关，要得到较低的导通电阻，超结器件漂移区的掺 杂浓度往往就会较高，这会对超结器件的终端结构带来不利的影响。一方面，横向电场分布在超结 器件有源区到终端区过渡时变得不规则，降低了器件的可靠性。另一方面，必须考虑终端区纵向的 电场分布，如果忽略了这一点，终端区的击穿电压可能比有源区的要低很多，这对终端结构的设计 提出了更多的挑战。为了使终端结构的工艺简单可行，超结终端结构的工艺技术应该与超结有源区 的工艺技术相一致。例如，在形成超结有源i ：! ( 的工艺中，如果使用多次外延和离子注入交替进行形 成n 柱与p 柱，那么在超结终端工艺中，也应该尽量使用多次外延和离子注入交替进行形成r l 柱与 p 柱以便于工艺上的兼容；如果在形成超结有源区的丁艺中，首先是进行深槽刻蚀，然后通过对沟 槽侧壁进行倾斜注入形成1 1 柱区和p 柱区，那么在超结终端的工艺中，也应该尽量使用深槽刻蚀， 然后通过对沟槽侧壁进行倾斜注入形成r l 柱和p 柱以便于工艺上的兼容。 超结器件的终端可以分为延伸型与截断型。延伸型超结终端结构就是有源区的p 柱与1 1 柱的交 替结构在终端区的延伸，延伸型终端结构示意图如图1 2 所示1 2 6 。由高斯定理可以知道，超结器件 有源i 廷的净电荷必须完全耗尽，以便实现平坦的电场分布。与有源区不同的是，终端区p 柱的宽度 应该更大些，这样终端区就可以实现完全耗尽情况下净电荷为负，且p 柱也是不均匀分布，这样可 以有效降低了终端区电场的扭曲。 图1 - 2 多次外延超结器件终端 刻蚀回填法制造超结时也可以形成p 柱，1 1 柱交替出现的延伸型终端【2 7 】，如图1 3 所示。然而 这种制造方法使表面附近会出现吸磷排硼的作用，表面附近的杂质含量重新分配，特别是在热氧化 4 第一章绪论 过程中，表面附近杂质的分凝，引起p 柱表面宽度变窄而n 柱变宽1 2 引。这样在表面处就会出现电荷 不平衡的现象，使击穿在表面提前发生。要想让表面处的p 柱和1 3 柱恢复平行，可以在表面注入一 定量p 型杂质离子。因此刻蚀回填法制造的超结终端比多次外延法制造的超结终端需要增加表面处 理的工艺步骤。 图1 3刻蚀回填法制造的超结终端 2 0 0 8 年，h m a l l f o zk o t b 等人【2 9 】又提出了一种新的具有深槽的超结m o s f e t ( d ts u p e ri u n c t i o n m o s f e t ) ，与传统的超结m o s f e t 的不同是，这种结构p 区宽度更窄，终端区的深槽更宽，其结 构如图1 4 所示，图中有源区的槽宽为5 9 r n ，终端区槽宽为7 0 9 m ，金属场板从有源区引出到终端区 深槽上。终端区槽与有源i ) ( 槽是同时刻蚀形成的，p 区的边缘位置填充了低介电常数电介质的深槽， 槽中填充的电介质是苯并环丁烯，这种材料的体电阻率为1 1 0 1 9 q c m ，相对介电常数为2 6 5 。通过 仿真证实了只要填充的电介质临界场强大于2 5m v 啪，终端区就能达到与有源区相同的大于1 3 0 0 v 的击穿电压。实验结果也证明了利用深槽中填充苯并环丁烯来制造超结终端结构是可行的。 制造这种超结终端结构首先在1 1 外延层上深槽刻蚀，填充苯并环丁烯。随后在槽肇上生长一薄 层氧化层，这层薄氧化的作用是精确控制扩散的硼的剂量。通过l p c v d ( 低压化学气相淀积， l o w p r e s s u r ec h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ) 淀积重掺杂的多晶硅扩散形成槽两侧的p 区，它在整个工艺 过程中只需要一次外延。该结构的主要优点是终端结构简单，便于设计。另外在保证终端结构的击 穿电压可以达到有源区击穿电压水平的同时，该结构使输出电容降低，极大的改善了器件的频率特 性。 图l _ 4d ts u p e r j u n c t i o nm o s f e t 终端 1 4 本文的主要工作和论文结构 本文的主要工作是设计6 0 0 v 超结v d m o s 器件。使用t s u p r e m - 4 软件模拟器件工艺，使用m e d i c i 软件模拟器件电学特性，对器件进行反复模拟优化，得出器件各个参数的最优值。预期器件设计指 5 东南大学硕十学位论文 标如下： 器件的击穿电压达到6 0 0 v 以上，导通电阻不高于4 0 m q c m 2 的数量级。 论文的主要结构如下： 第一章，绪论，简要介绍超结技术的产生与发展，超结终端技术的实现方法，简要说明了本文 的主要工作和论文结构； 第二章，超结结构的理论分析，首先介绍超结结构的基本原理以及漂移区参数的设计理论模型， 利用s e n t a u n j s 的s d e v i c e 模拟分析了超结结构的峰值电场；然后研究了超结漂移区的电荷平衡对击 穿电压的影响。通过求解极坐标下的泊松方程给出了超结终端设计理论：最后介绍了超结器件的终 端场板理论； 第三章，超结v d m o s 有源区的优化设计，总结了超结v d m o s 的设计流程，对漂移区的参数 进行数值计算，利用模拟仿真软件t s u p r e m - 4 和m e d i c i ，对漂移区和p - b o d y 部分的具体参数进行模 拟优化，达到预期设计指标，最后讨论了超结v d m o s 与超结结构不同的击穿位置； 第四章，超结v d m o s 的终端结构的优化设计，设计了6 0 0 v 超结v d m o s 的终端结构，讨论 了终端p 柱，场板等各参数对表面电场和击穿电压的影响，最后对六角形品格单元版图的终端也进 行了设计；对6 0 0 v 超结v d m o s 的有源区以及终端部分进行了工艺设计，并对结构参数和电特性 进行了总结； 第五章，总结和展望，在完成研究内容的基础上，对工作中的不足和下一步的工作进行总结和 展望。 6 第二章超结结构的理论分析 第二章超结结构的理论分析 本章分析了超结结构的基本原理，研究了漂移区参数的设计理论，电荷平衡理论，超结器件的 终端理论以及终端场板理论。 2 1超结结构的基本原理 普通外延结构有重掺杂的n + 和p + ，以及在n + 和p 十之间的轻掺杂区，而超结结构有重掺杂的n + 和p + ，以及在n + 和p + 之间的一个p 1 1 结。一个超结结构和普通外延结构分别如图2 1 ( a ) 和图2 1 ( b ) 所示。在超结结构中，n + 和p + 是接触的区域，它们均是高掺杂区，浓度大约在n d = n a = l 1 0 憎c n 1 - 3 的数量级，n 区和p 区是轻掺杂区，它们的浓度为n d = _ n 产5 1 0 1 5 c m 3 。为了对比起见，在普通外延 结构中，n + 和p + 是接触电极的区域，它们均是高掺杂区，浓度大约在n d = n a - - i 1 0 憎c l n 弓的数量级， n + 和p + 接触电极之问有一轻掺杂的p 型区，它的浓度为n a - - - 5 x 1 0 b c r l l 。p + 端接地，n + 端加一个正 向电压。结果发现超结结构的击穿电压为1 9 0 v ，而普通外延结构的击穿电压只有8 5 v 。 ( a ) 超结结构( b ) 普通外延结构 图2 1 器件结构 普通外延结构的电场分布如图2 - 2 ( b ) 所示，它只对一维结构有效，在x 方向没有画出电场分 量。超结结构n 柱的电场分布如图2 - 2 ( a ) 所示。可以观察到普通外延结构的电场线是三角形分布 的，随着外加电压的增加，电场以恒定斜率向n + 电极移动。耗尽层随着电压的增加而不断扩展。而 对于超结结构，在一个很低的5 0 v 电压下，n 区和p 区相互作用完全耗尽，电场分布保持着一个矩 形形状，只有在靠近电极附近的时候变化剧烈。 超结结构的击穿电压较普通外延结构大的原因可以通过电场的分布解释： ( 1 ) 电场线下的超结结构和轻掺杂结构的面积不同导致了两者击穿电压的不同。电场分量对纵 向位置的积分，即电场线下所包围的面积就是击穿电压。 ( 2 ) 对于超结结构，最大的电场峰值出现在两个电极附近，击穿电压就等于最大电场达到临界 电场时的电场线下所包围的面积，现在观察电场线的形状，对比普通外延结构和超结结构，很容易 看出超结结构的击穿电压大，因为电场线下所包围面积大的是超结结构，它的电场分布呈矩形。 7 东南大学硕士学位论文 ( a ) 超结结构 y 帅) ( b ) 普通外延结构 图2 - 2 纵向电场分布 外加反向电压增大时的普通外延结构和超结结构的耗尽层变化情况如图2 - 3 所示，可以观察到 随着外加反向电压的增加，普通外延结构从n + 电极向p 型轻掺杂区部分耗尽，而超结结构则几乎全 部耗尽，因此普通外延结构的电场分布是三角形的，而超结结构的电场分布是平坦的。 因此超结结构对于提高击穿电压，降低导通电阻起着非常重要的作用。 在超结结构中，对可能发生的击穿位置做出了标记，如图2 _ 4 所示，其中a 点是p + 电极和n 柱 形成的m 结上的点，b 点是n + 电极和p 柱形成的l 邝结上的点，c 点是p + 电极和n 柱形成的m 结以及p 柱和n 柱形成的p n 结的交点，d 点是n + 电极和p 柱形成的帅结以及p 柱和n 柱形成的 p n 结的交点，e 点是p 柱和n 柱形成的p n 结上的点，且e 点在超结结深的一半处。 以超结结构的浓度5 x 1 0 1 5 锄一，超结宽度6 1 a n 为例，观察a ，b ，c ，d ，e 五个点的电场分布， 如图2 5 所示。x = o g m ，x = 3 9 m ，x = 6 j m a 位置处的击穿时纵向电场分布由图2 - 5 ( a ) 中给出，其中 在x = o l a n 的位置可以观察a 点的纵向电场分布，在x = 3 9 m 的位置可以观察c ，d ，e 点的纵向电场 分布，在x = 6 1 a n 的位置可以观察b 点的纵向电场分布。在x = 3 u m 时的纵向电场分布比较平坦；在 x - - o g r e 时的纵向电场分布的峰值位于a 点，即为p + 电极和n 柱形成的m 结上的点；在x - - 6 1 a m 时 的纵向电场分布的峰值位于b 点，即为n + 电极和p 柱形成的l 帅结上的点。 8 第二章超结结构的理论分析 o 5 2 0 o 5 1 5 o 5 5 05 o5 o 5 ( a )普通外延结构 o5 ( b ) 超结结构 图2 3 外加反向电压增加时的耗尽层变化情况 图2 4 可能发生的击穿位置 o y = 3 i _ t m ，y = 1 1 5 9 m ，y = 2 0 9 m 位置处的击穿时的横向电场分布由图2 5 ( b ) 给出，其中在y = 3 p m 的位置可以观察a ，c 点的横向电场分布，在y = 1 1 5 9 m 的位置可以观察e 点的横向电场分布，在 y = 2 0 u m 的位置可以观察b ，d 两点的横向电场分布。在y = 1 1 5 0 m ，x = 3 9 m 处的横向电场出现峰值， 即在e 点的位置。而在y = 3 9 m ，x = 3 9 m 和y = 2 0 p m ，x = 3 n 的位置，即c 点和d 点并未出现峰值电 场。这是因为c 点是p + 电极和n 柱形成的p + n 结以及p 柱和n 柱形成的p i l 结的交点，d 点是n + 电 极和p 柱形成的n + p 结以及p 柱和n 柱形成的p n 结的交点；它们受到两个p n 结的相互作用。说明 c 点和d 点受到的纵向电场影响大，而受到的横向电场影响小。 9 o 辱 竹 侣 o 5 协 恬 刁 o 5 憎 偈 查堕奎兰堡主兰垡丝茎 超结结构在击穿状态下的二维电场分布由图2 5 ( c ) 给出，从图中可以看到，电场峰值出现在 a ，b 两点，并非c ，d 两点。这是因为超结结构的电场是纵向电场e y 和横向电场e 】共同作用的结 果。 由图2 5 ( a ) 知a ，b 两点的纵向电场为：2 7 x 1 0 5 v c m ，c ，d 两点的纵向电场为：1 4 x 1 0 5 v c m ， e 点的纵向电场为2 3 x 1 0 5 w c m 。由图2 5 ( b ) 知a ，b 两点的横向电场为：2 6 1 0 5 v e r a ，c ，d 两 点的横向电场为：1 5 x 1 0 5 锄，e 点的横向电场为：2 3 x 1 0 5 v c m 。计