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摘要 论文题目：s jm o s f e t 特性分析与设计 学科专业：微电子学与固体电子学 研究生：孙军 指导教师：王彩琳副教授 摘要 签名： 签名： s jm o s f e t 是由v d m o s 结构与超结( s j ) 相结合而发展起来的一种新型的功率 m o s f e t ，被称为功率m o s f e t 的里程碑，有广阔的发展前景，目前在国内尚无产品开 发。 本文较为系统地分析了s jm o s f e t 的结构、原理和特性及其制造工艺。从s j 的击 穿机理和特性分析入手，利用i s e 软件模拟了s jm o s f e t 和s e m i s jm o s f e t 的特性和 关键工艺，给出了关键参数的设计方法。并提出了一种新的用氧化物填充的扩展沟槽栅 s jm o s f e t 结构，分析了新结构的各项特性与关键工艺。主要研究内容如下： 首先，研究了s j 的击穿机理和击穿特性。结果表明，s j 的峰值电场出现在横向p n 结面中部，并随柱区浓度的增加，从横向p n 结面中部转移到纵向p n 结面中部。在此基础 上，讨论了电荷非平衡对s j 击穿电压的影响。 第二，分析了s jm o s f e t 的特性及其影响因素。结果表明，s jm o s f e t 的特性与 柱区厚度、浓度及宽度密切相关。只要p 柱和n 柱区能维持电荷平衡，则s jm o s f e t 的 耐压只与柱区厚度有关，并随柱区厚度的增加而增大。当柱区浓度的增加到某一临界值时， s jm o s f e t 的耐压开始急剧下降；且减小柱区宽度有利于降低导通电阻。并提出了两种 设计方案，给出了按最小导通电阻设计和最小工艺成本设计的关键参数提取方法。 第三，分析了s e m i s jm o s f e t 的特性及其影响因素。结果表明，随着柱区厚度与 b a l 层厚度的比值增大，击穿电压增大的幅度逐渐减小，b a l 层对击穿电压和导通电阻 的影响越小。 第四，提出了一种新的用氧化物填充的扩展沟槽栅s jm o s f e t 结构，对其特性进行 了分析，并与传统的沟槽栅s jm o s f e t 结构进行了比较。结果表明，新结构在阻断、导 通和开关特性上都有明显改善。 第五，根据特性设计结果，对s jm o s f e t 的p 基区、n + 源区和s j 进行了工艺模拟， 并对新结构的工艺实现方法进行了分析，给出了用小角度注入形成n 柱区的工艺条件。 该研究成果对进一步研究s jm o s f e t 新结构和开发s jm o s f e t 器件有一定的参考 价值。 关键词：电力半导体器件；功率m o s f e t ；超结；电荷平衡；小角度注入 釜 a b s tr a c t t i t l e ：c h a r a c t e r i s t l c sa n a l y s i sa n dd e s i g no fs jm o s f e t m a j o r ：m i c r o e l e c t r o n i c sa n d s o l i d s t a t ee l e c t r o n i c s n a m e ：j u ns u n s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f c a i l i nw a n g a b s t r a c t s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e ： s jm o s f e ti san e wd e v e l o p m e n tp o w e rm o s f e tb a s e do nt h ec o m b i n a t i o no fv d m o s a n ds j ( s u p e rj u n c t i o n ) ，a n dc a l l e dt h en e wm i l e s t o n eo fp o w e rm o s f e t s jm o s f e th a s e x t e n s i v ea p p l i c a t i o nf o r e g r o u n da n dt h ep r o d u c ti ss t i l lt h eu n d e v e l o p e di n t e r i o r l yn o w t h es t r u c t u r e ，p r i n c i p l e ，c h a r a c t e r i s t i c sa n df a b r i c a t i o np r o c e s sa r ea n a l y z e ds y s t e m i c a l l yi n t h i st h e s i s b a s e do nt h ea n a l y s i so fb r e a k d o w nm e c h a n i s ma n dc h a r a c t e r i s t i e so fs j ，t h e c h a r a c t e r i s t i c sa n dk e yp r o c e s s e so fs jm o s f e ta n ds e m i s jm o s f e ta r es i m u l a t e du s i n g i s es i m u l a t o r , a n dt h ed e s i g nm e t h o d so fk e yp a r a m e t e r sa r ea l s og i v e n a n da l lo x i d ef i l l e d e x t e n d e dt r e n c hg a t es jm o s f e ti sp r e s e n t e d t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dk e yp r o c e s so ft h en e w d e v i c es t r u c t u r ea r ea n a l y z e d t h em a i nc o n t e n ti sa sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h eb r e a k d o w n m e c h a n i s ma n dc h a r a c t e r i s t i c so fs u p e rj u n c t i o na r cs t u d i e d t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h em a x i m u me l e c t r i cf i e l di sa tt h em i d d l eo ft h el a t e r a lp nj u n c t i o n ，a n d t r a n s f e r sf r o mt h em i d d l eo fl a t e r a lp nj u n c t i o nt ot h em i d d l eo fv e r t i c a lp nj u n c t i o nw i t ht h e i n c r e a s eo ft h ec o n c e n t r a t i o no fp i l l a rr e g i o n s b a s e do nt h er e s u l t s ，t h ei n f l u e n c eo fc h a r g e i m b a l a n c eo nb r e a k d o w nv o l t a g eo fs ji sa l s od i s c u s s e d s e c o n d l y , t h ec h a r a c t e r i s t i c so fs jm o s f e ta n di t si n f l u e n c i n gf a c t o r sa r ea n a l y z e d t h e r e s u l t ss h o wt h a tc h a r a c t e r i s t i c so fs jm o s f e ta r er e l a t e dt ot h et h i c k n e s s ，c o n c e n t r a t i o na n d w i d t ho fp i l l a rr e g i o n s w h e nc h a r g eb a l a n c eb e t w e e nt h enp i l l a ra n dpp i l l a rr e g i o n si s s a t i s f i e d ，t h eb r e a k d o w nv o l t a g e ( b y ) o fs jm o s f e ti so n l yr e l a t e dt ot h i c k n e s so fp i l l a r r e g i o n sa n di n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo ft h et h i c k n e s s b vb e g i n st od e c r e a s ea b r u p t l yo n c e t h ep i l l a rc o n c e n t r a t i o ni sl a r g e rt h a nt h ec r i t i c a lv a l u e ；t h es m a l l e rp i l l a rw i d t hi sh e l p f u lt o d e c r e a s er o n a n dt w od e s i g ns c h e m e so ft h em i n i m u mr ma n dt h el o w e s tc o s ta r ep r e s e n t e d o u ta n dt h ec o r r e s p o n d i n ge x t r a c t i o nm e t h o d so fk e yp a r a m e t e r sa r eg i v e n t h i r d l y , t h ec h a r a c t e r i s t i c so fs e m i s jm o s f e ta n di t si n f l u e n c i n gf a c t o r sa r ea n a l y z e d t h er e s u l t ss h o wt h a ti n c r e a s ee x t e n to fb vd e c r e a s e sg r a d u a l l ya n dt h ei n f l u e n c eo fb a lo n i i i 西安理工大学硕士学位论文 b va n dr o nd e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo f r a t i oo f p i l l a rt h i c k n e s sa n db a lt h i c k n e s s f o u r t h l y , a no x i d ef i l l e d e x t e n d e dt r e n c h g a t e s jm o s f e ti s p r e s e n t e d ，a n d t h e c h a r a c t e r i s t i c sa r ea n a l y z e da n dc o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a lt r e n c hg a t es jm o s f e t t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h eb l o c k i n g ，c o n d u c t i n ga n ds w i t c h i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h i sn e ws t r u c t u r e a r ei m p r o v e do b v i o u s l y f i f t h l y , b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c sd e s i g nr e s u l t s ，t h ep r o c e s so fp - b a s e ，n + s o u r c ea n ds j r e g i o n so fs jm o s f e ta r es i m u l a t e d a n dt h ek e yf a b r i c a t i o np r o c e s so ft h en e ws t r u c t u r ei s a n a l y z e d ，t h ep r o c e s sc o n d i t i o no ft h es h a l l o wa n g l ei m p l a n t a t i o nf o r m i n gnp i l l a rr e g i o ni s g i v e n t h er e s e a r c hr e s u l t sh a v ear e f e r e n c ev a l u ef o rt h ef u r t h e rs t u d yo ft h ed e ws t r u c t u r eo fs j m o s f e ta n dt h ed e v e l o p m e n to fs jm o s f e td e v i c e k e y w o r d s ：p o w e rs e m i c o n d u c t o rd e v i c e s ，p o w e rm o s f e t , s u p e rj u n c t i o n ，c h a r g eb a l a n c e ， s h a l l o wa n g l ei m p l a n t a t i o n i v 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：i 本人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成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢 ， 一 j 的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。- 与我_ 同工作的同志对本文所研究的工 一 ；一 作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者鎏名：，虿盆显一。k 彦年，弓月彰日 学位论文使用授权声明 叼i 力 一 本人一垄虻鎏i 一在导师的指导下创作完成毕业论文。；本人已通过论文的答辩，。 并已经在西安理工大学申请博士硕士学位。4 本人作为学位论文著作权拥有者，同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) j 已获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 垮文作者躲五鉴导痈躲雄枷等3 月“日 1 绪论 1 绪论 现代电力电子技术对航天、通信、计算机、家用电器等高技术产业都至关重要，已发 展成为- - i u 独立的学科，其应用领域几乎涉及到国民经济的各个产业部门。电力半导体器 件作为电力电子技术的一个重要分支，近十年来取得了快速的发展。特别是电力半导体器 件高频化极大地促进了高频电力电子技术水平的提高，进一步拓展了其应用范围。 在现代电力电子装置中，作为核心部分的电力半导体器件虽然只占整机的总价值 2 0 - 3 0 ，但它对提高装置的各项技术性能和指标起着重要的作用。电力半导体器件的 发展大致可以分为三个阶段。第一阶段是六十到七十年代，各种类型的晶闸管和大功率达 林顿晶体管有很大的发展，可称为双极型的年代。其服务对象是以工业应用为主，包括电 力系统，机车牵引等。第二阶段是八十到九十年代，由于功率m o s f e t 的兴起，使电力 电子步入了一个新的领域，为近代蓬勃发展的通讯、计算机、消费电器和汽车电子( 4 c ) 产业提供了新的活力。二十一世纪前后，电力半导体器件的发展又进入了第三阶段，即与 集成电路结合愈来愈紧密，出现了s m a r t 功率器件，智能功率模块p m 等，将一个或 多个功率器件与其驱动、保护等电路集成在一个硅片上或一个模块上，形成了功率集成。 因而，大功率、高频化、低功耗、场驱动控制成为电力半导体器件发展的重要特征。 整个电力半导体器件中变化最大的是功率m o s f e t 。自从1 9 7 9 年诞生后，逐步改 变了整个电力半导体器件的面貌，从而使电力电子学的范围跨入了过去未曾涉足的信息领 域。随着功率m o s f e t 的发展，m o s 型电力半导体器件及以其为基础的新型的电压控制 型电力半导体器件在电力电子装置中获得了广泛的应用，使电力半导体器件的主导地位从 电流控制型器件逐渐转化为电压控制型的功率m o s f e t 。 1 1 功率m o s f e t 特点及其发展 功率m o s f e t 是多子导电型器件，具有输入阻抗高、易驱动；速度快、频率高：导 通电阻具有正温度系数，不存在由双极晶体管中过热引起的二次击穿现象，s o a 宽，能 并联使用等诸多优点，使其在工业控制、航天、通信、汽车、计算机及便携式电器、家电、 办公用品等领域得到了广泛应用，尤其是在开关电源方面的应用取得了迅速发展，大大提 高了电路的效率。 功率m o s f e t 由l d m o s 结构起步，经历了v v m o s 、v u m o s 、v d m o s 、e x t f e t 等结构的演化后，目前仍以v d m o s 结构为主，占据高频、小功率领域的应用市场。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组成。高耐压要求 v d m o s 具有低浓度、较厚的漂移区。但是，随着漂移区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( 凡。) 增加，通态功耗增大。k 与击穿电压b v 之 间约成2 5 次方关系，即r o n o c b v 2 , 5 。可见，当b v 提高时，两者之间矛盾会加剧。为 了突破这一限制，1 9 9 7 年电子科技大学的陈星弼院士又提出了一种新的s j ( s u p e rj u n c t i o n ) m o s f e t 结构，也称c o o l m o s t m 【2 】结构，使得v d m o s 的导通电阻与耐压之间的矛盾得 西安理工大学硕士学位论文 以缓解。目前，功率m o s f e t 的发展逐渐形成了以v d m o s 为主流，以s jm o s f e t 为 发展趋势的功率m o s f e t 器件家族。 1 2s dm o s f e t 的发展和国内外研究状况 1 2 1s dm o s f e t 结构的提出 功率m o s f e t 的发展中，功耗是最关键的一项指标，因此降低导通电阻也就成了功率 m o s f e t 发展的重要目标。1 9 8 8 年飞利浦美国公司的d j c o e 申请美国专利【3 】，第一次提出 在横向高压m o s f e t ( l dm o s f e t ) 结构中采用交替的p 柱区和n 柱区结构代替传统功率器 件中低掺杂漂移层作电压支持层的方法。1 9 9 3 年电子科技大学的陈星弼教授提出，在纵向 功率器件( 尤其是纵向m o s f e t ) 中采用多个p 柱区和n 柱区结构作为漂移层的思想，并称其 为“复合缓冲层”( c o m p o s i t eb u f f e rl a y e r ) 也申请美国专利f 4 】。1 9 9 5 年西门子公司的j t i h a n y i 申请美国专利【5 1 ，提出了类似的思路和应用。1 9 9 7 年t a t s u h i k o 等人在对上述概念的总结下， 提出了“超结理论”( s u p e r j u n c t i o nt h e o r y ) 6 。此后“超结”这一概念被众多器件研究者所引 用，并且得到进一步的验证。 1 9 9 7 年t a t s u h i k o 和f u j i h i r a 提出的超结理论是，在一定的假定情况下， ( 1 ) 超结结构中n 柱区和p 柱区浓度和宽度相等； ( 2 ) 在横向p n 结的耗尽层重合之前，电场只在横向方向上增大。当耗尽层重合后，电 场只在纵向方向上增大，且电场只受漏源电压的影响，增加量为恒定量。 ( 3 ) l 晦界电场只受浓度的影响。 根据该理论，得到了导通电阻与耐压的线性关系，即i b o c b v 【6 】。 1 9 9 8 年陈星弼教授针对“复合缓冲层”即超结结构，在假定n 柱区和p 柱区浓度和宽度 相等的情况下，使用一定的边界条件，通过求解泊松方程，得到了导通电阻与耐压呈1 2 3 次方关系，即r o 。o c b v l 玎【，j 。 2 0 0 1 年陈星弼教授使用电离积分舻复合缓冲层”中导通电阻与耐压的关系重新计算， 又得到了新的关系，r o o c b v l 3 2 ”】。这一公式的导出，从理论上证明了在相同的耐压要 求下，采用超结的m o s f e t 的导通电阻比传统的m o s f e t 的导通电阻小，从而突破了“硅 限( s i l i c o nl i m i t ) ”。 在阻断状态下，s jm 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，类似于一个本征耐压层，从而使器件的耐压得以提高。同时， 超结中的n 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，源区的电子 通过沟道进入超结中的n 柱区，然后垂直流入n + 衬底，从而形成由漏到源的电流。超结中 的p 柱区对于导通状态是没有贡献的，但是它对与获得高的耐压却是至关重要的【l 叫6 1 。研 究表明，采用超结作为功率m o s f e t 的耐压层后，n 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， s jm o s f e t 的耐压、导通电阻和开关特性都要受到影响【1 7 。2 0 1 。在电荷平衡的前提下，s j 2 1 绪论 m o s f e t 击穿电压在一定的电荷水平下可以达到最大。减d n 柱区宽度，有利于提高其浓 度增加的幅度，其导通电阻也会随着n 柱区宽度的减小而减小。在最大耐压情况下，s j m o s f e t 的耐压与n 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 2 2s dm o s f e t 结构的发展 1 9 9 8 年英飞凌( i n f 帆o n ) 半导体公司推出了超结功率m o s f e t ( s jm o s f e t ) ， 因其导通电阻很低，带来的功耗极低，故称其为“c o o l m o so m ”。随后，该公司又推出了 一系列的“c o o l m o s t m ”产品，主要有平面栅和沟槽栅两种结构。 将超结引入功率m o s f e t ，显著降低了器件的导通电阻，但同时也带来一些不利因素， 如器件的工艺难度高和成本加大、其中的体二极管反向恢复变硬等。s jm o s f e t 的制造 大多采用多次外延和离子注入相结合或刻蚀再填充的工艺方法，无论是哪种方法，工艺难 度和成本都会随着柱区厚度的增加而增加。另外，由于s jm o s f e t 中超结的存在增大了 其体二极管f l 向p n 结面，导致反向恢复电荷q 丌较大；同时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 1 。2 2 1 。为了改善s jm o s f e t 的特性， 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 ) ，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v d m o s 相比，该结构的扩展导通电阻降低了7 0 ， 与“s i l i c o n l i m i t ”相比降低了4 0 【2 3 1 。2 0 0 1 年e t t o r e n a p o l i 等人提出了将p i n 肖特基二极管 加入到超结结构中，称为m p sd i o d e ( m e r g e dp i ns c h o t t k yd i o d e ) 2 4 】。之后，2 0 0 3 年c h e n gx 等提出了在s jm o s f e t 内部使用肖特基接触来替代原有的积累区上m o s 栅结构，改善器 件的反向恢复特性【2 5 1 。 沟槽栅s jm 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。2 0 0 1 年t o y o t a q b 央 研发实验室的y o s h i y u k ih a t t o f i 等人提出了深沟槽s jm o s f e t t 2 6 1 。该结构是在传统沟槽栅 m o s f e t 的基础上，利用反应离子刻蚀( r i e ) 对整个p 型漂移区挖深槽，通过小角度( s h a l l o w a n g l e ) 注入在槽壁形成n 柱区，然后对沟槽进行多晶硅填充。该结构与传统的深槽m o s f e t 相比，深沟槽s jm o s f e t 的导通电阻能降低3 0 。主要用于低压方面。为了解决沟槽栅 s jm 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t o y o t a 中央研发实验室的 y o s h i y u k ih a t t o r i 等人又提出了新的沟槽栅s jm o s f e t 2 7 】，即在沟槽栅和超结的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，即使栅的位置偏离了设计位置，只要栅 被该n 型缓冲区覆盖，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。 为了进一步降低工艺成本，2 0 0 3 年东芝半导体的w a t a r us a t i o 等人提出了s e m i s j m o s f e t i z 引，其耐压层由厚度较薄的超结和一个n 型的底部辅助层( b a l ：b o t t o m a s s i s t l a y e r ) 的组成。与传统的s j m o s f e t 相比，在相同的耐压下，s e m i s jm 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成本。此外，s e m i s jm o s f e t 中体二极管的反向恢复特性也比传统s jm o s f e t 中体二极管的反向恢复特性好。2 0 0 5 年 西安理工大学硕士学位论文 w a t a r us a t i o 等人利用s e m i s j 结构实现了耐压为1 4 0 0 v 的s e m i s jm o s f e t t 2 9 】。 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u m o s 中使用多次离子注入形 成分离的p 型柱【3 0 1 。该结构适用于耐压为4 0 7 5 v 的汽车电子器件中。这个新结构在1 7 5 c 下有很强的抗感性负载开关应力的特性，并且对与器件中体二极管的反向恢复特性没有明 显的影响。 为了改善器件的频率特性，2 0 0 5 年f a i r c h i l d 半导体的s s a p p 等人提出了含有氧化硅填 充沟槽的平面栅s jm o s f e t 3 1 】。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s jm o s f e t 相比，输出电容降低，适用于射频电路。同时， 该新结构的扩展导通电阻( k a ) 比之前报道的相同耐压的器件低1 9 。 1 2 3s dm o s f e t 工艺技术的发展 近几年，s jm o s f e t 的工艺技术也有较深入的发展。1 9 9 8 年s jm o s f e t 匪j i j 提出的时 候，曾采用多次外延和离子注入相结合来制作s j 。但在实际工艺中，很难做到n 柱区和p 柱区的电荷平衡，因此，降低n 柱区和p 柱区之间电荷的非平衡程度是制作s j 的关键。研究 表明，使用多次外延和离子注入形成超结时，采用相对较短的杂质推进时间有利于获得较 低的扩展导通电阻，并能更好地抑制电荷非平衡所带来的不利影响【3 2 1 。 继多次外延和离子注入后，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。在深槽刻蚀和外延再生长填充的工艺基础上，2 0 0 0 年三菱电子公司的z n i t t a 等人 对传统s jm o s f e t 进行改进，提出 s u p e rt r e n c hm o s f e t 3 3 。3 4 l ，其工艺不同于前面提到 的两种工艺技术。在该新结构中，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。该工艺简单可行，只需在传统v d m o s 工艺基础上增加一个掩模。比 传统的s jm o s f e t 工艺流程更简单、且容易准确控制。 类似地，2 0 0 1 年t o y o t a 央研发实验室的y o s h i y u k ih a t t o f i 等人提出了多晶硅填充的深 槽s jm o s f e t t 2 6 1 ，也是对沟槽侧壁进行离子注入形成n 型层，这种工艺方法被称为小角度 离子注入( s h a l l o wa n g l ei m p l a n t a t i o n ) 。注入角的大小与沟槽的深宽l l , ( a s p e c tr a t i o ) 有关， 且较大的注入角有利于降低掺杂误差。 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s jm o s f e t 的新工艺 3 5 - 3 6 1 。利用沟槽刻蚀后，再进行气相掺杂( v a p o rp h a s ed o p i n g ) 来形成p 型区。2 0 0 3 年r 的t i m o t h yh e n s o n 等人仅采用一次高能( 1 5 m e v ) 离子注入就可实现7 5 v 的s jm o s f e t ，其 导通电阻降低1 9 p 。 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 ( d c s ) 和h c l 气体 源进行各向异性外延生长来填充沟槽形成p 柱区【3 8 】。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 m ，耐压为2 2 5 v ，导通电阻为1 5 m q c m 的s jm o s f e t 。 尽管s jm o s f e t 的制作工艺经历了近十年的发展、演化，但要采用简单的工艺精确 的控锘l j s j 两柱区之间的电荷平衡仍存在一定的困难。所以，需对器件的结构进行改进。 4 1 绪论 1 2 4s jm o s f e t 的派生器件 对s jm o s f e t 的广泛研究，不仅促进了s jm o s f e t 器件结构和工艺技术的改进，还 衍生出许多类似于s jm o s f e t 的新结构。这些器件采用了类似于s j 的设计思想，不仅可 改善其导通电阻和耐压之间的矛盾关系，同时，也不需要维持精确电荷平衡。 2 0 0 1 年新加坡国立大学的y u n gc 等人提出 j o b v d m o s ( o x i d e b y p a s s e dv d m o s ) 3 9 】。 在v d m o s 的漂移区中力1 1 ) x m t o ( m e t a l t h i c k o x i d e ) 电极，利用m t o 电极的电场加速漂移 区的横向耗尽，在此情况下，同样可以通过提高n 型漂移区的掺杂浓度来降低导通电阻。 这种结构的提出使得工艺技术重心由s jm o s f e t 中对精确的电荷平衡的要求转移到对可 实现的氧化层厚度的控制，大大降低了工艺难度。 飞利浦研究实验室的r v a nd a l e n 等人于2 0 0 1 年提出了新的耐压结构s i ( s e m i i n s u l a t i n g ) l a y e r t 删。这种新的耐压结构中使用半绝缘层，如s p o s 或p o l y d o x ( p o l y s i l i c o nd o p e dw i t h o x i d e ) 替代s j 结构中的p 型层，在s i 层和n 型层之间有很薄的氧化层。s i ( s e m i i n s u l a t i n g ) 结构同样不需要对电荷平衡进行精确控制。 1 3s jm o s f e t 的应用前景及研究意义 随着全球能源需求的不断增长以及环境保护意识的逐步提升，高效节能产品成为市场 发展的新趋势。s jm o s f e t 具有导通电阻小、功耗低以及在相同导通电阻下器件面积小 的特点，成为了功率m o s f e t 新的发展趋势。采用s jm o s f e t 的家用电器能耗可降低约 3 0 9 6 。因此，发展s jm o s f e t 并将其应用到相关工业控制和家用及便携式电器领域，将 对节能环保有重要意义。 电源管理芯片、功率m o s f e t 等器件越来越多的应用到整机产品中。预计中国电力半 导体器件市场在2 0 0 8 2 0 1 1 年将继续保持快速增长，但由于市场基数的不断扩大，市场增 长率将逐年下降。预计至l j 2 0 1 1 年时中国功率器件市场销售额将达至u 1 6 8 0 4 亿元，2 0 0 8 2 0 1 1 年中国电力半导体器件市场年均复合增长率为1 9 1 。 s jm o s f e t 目前在国外已经商品化，并且在器件结构和工艺上作了很多改进。而国 内的发展仍很缓慢。1 9 9 3 年电子科技大学的陈星弼院士提出的“复合缓冲层”理论是一 种耐压层上的结构创新，它不仅可用于垂直功率m o s f e t ，还可用于功率i c 中的关键器 件，如l d m o s 、s b d 以及s i t 等电力半导体器件中。2 0 0 4 年电子科技大学的张波教授， 利用三维超结结构，在国际上首次获得了与低压器件兼容的导通电阻较传统器件降低5 倍 的高压l d m o s 。尽管这些理论都很先进，但由于国内工艺条件所限，功率m o s f e t 的 仍不能批量化生产，工艺的稳定性差，产品的可靠性得不到很好的保证，尤其是s j m o s f e t 器件目前尚无产品开发。可见，开发国产化的s jm o s f e t 器件对发展我国的民 族工业有重要意义。 综上所述，本文确立了s jm o s f e t 器件为研究课题，通过对s jm o s f e t 深入研究， 为s jm o s f e t 器件的设计与开发提供理论参考。 西安理工大学硕士学位论文 1 4 本文主要工作 本文主要利用i s e t c a d 模拟软件对s j 的击穿机理和特性、s jm o s f e t 结构、 s e m i s jm o s f e t 结构及新沟槽栅s jm o s f e t 结构的各项特性进行了模拟和分析，并对 s jm o s f e t 的关键区域进行了工艺模拟。 各章内容安排如下： 第一章，绪论。综述功率m o s f e t 和s jm o s f e t 的国内外发展状况，应用前景及 研究意义，并对本论文的主要工作进行了概述。 第二章，阐述了s jm o s f e t 的结构特点及基本特性。主要介绍了超结和s jm o s f e t 的结构特点，以及s jm o s f e t 基本特性和等效电路等。 第三章，s jm o s f e t 的特性分析和工艺模拟。利用i s e t c a d 软件模拟了超结的电 场分布，分析了超结的击穿机理。其次，分析了s jm o s f e t 的阻断、导通和开关特性， 研究了电荷非平衡对超结击穿电压的影响，并给出了两种不同的设计方法。最后，对s j m o s f e t 的p 基区、n + 源区以及s j 进行了工艺模拟。 第四章，s e m i s jm o s f e t 的特性分析。模拟了s e m i s jm o s f e t 中柱区厚度、b a l 层厚度和浓度对耐压的影响；并将耐压相同的s e m i s jm o s f e t 与s jm o s f e t 结构的导 通特性进行了比较，给出了s e m i s jm o s f e t 关键参数的设计方法。 第五章，对新的氧化物填充的扩展沟槽栅s jm o s f e t 进行了特性模拟与工艺分析。 比较分析了新结构与传统的沟槽栅s jm o s f e t 的阻断特性、通态特性和开关特性，给出 了新结构的工艺实现方案，并对用小角度注入形成的n 柱区进行了工艺模拟。 6 2s jm o s f e t 的结构特置及基本特性 2s jm o s f e t 的结构特点及基本特性 2 1s jm o s f e t 的结构类型和特点 功率m o s f e t ( 金属氧化物半导体场效应晶体管) 是在m o s 工艺的基础上发展起来 的一种电力电子器件。功率m o s f e t 着重于提高工作电流和电压，其基本原理与经典的 m o s f e t 相莉，但作为功率器件，在结构设计、制造技术和特性方萌又与经典m o s f e t 有着不同之处。s jm o s f e t 是在功率m o s f e t 结构中引入超结而形成的。 2 1 18 , 1m o s f e i 的分类 s jm o s f e t 结构有多种类型。按器件耐压层的组成可分为s jm o s f e t 和s e m i s j m o s f e t ；按栅极的t _ f _ = 同，可分为平面栅s j m o s f e t 和沟槽栅s j m o s f e t 。由于超结的 n 柱区和栅极的相对位置的不同，沟槽栅s jm o s f e t 又可分为两种结构。图2 1 给出了 几种典型的s j m o s f e t 的元胞结构图。为了便于比较，罔2 - 1 还给出了平面栅v d m c , s ( 如 图( c ) 所示) 和沟槽栅v d m o s ( 如图( o 所示) 的元胞结构图。 ( a ) 平面栅s jm o s f e t 蚺构c o ) 平面栅s e m is jm o s f e t 结构( c ) 甲而栅v d m o s 结构 ( d ) 沟梢棚s jm o s f e t 结构a忙) 沟槽栅s jm o s f e t 结构b( o 沟褙栅v d m o s 结构 图2 - 1 s jm o s f e t s 与v d m o s 结杜j 的比较 f i g2 1c o m p a r i s o n o f s j m o s f e t sa n d v d m o ss t i t 2 c l a i i - e $ 如图2 一l 所示，与平面栅v d m o s 相比，平面栅s jm o s f e t 的唯不同之处就是耐 压层的不同。平面栅v d m o s 中耐压层由单一的r l 型层组成：而平面栅s j m o s f e t ( 如图 西安理工大学硕士学位论文 ( a ) 所示) 中耐压层全部由超结组成，即相互交替的p 柱区和1 1 柱区区组成；s e m i s j m o s f e t ( ! z u 图( b ) 所示) 中耐压层由两部分组成，即上部为超结，下部为单一的n 型区。与 沟槽栅v d m o s 相比，沟槽栅s jm o s f e t 结构的不同也在于耐压层的不同。沟槽栅s j m o s f e t 结构a ( 如图( d ) 所示) 中n 型区位于栅极的下面，且沟槽宽度略小于1 1 型区宽度； 沟槽栅s jm o s f e t 结构b ( 如图( e ) 所示) 中p 型区位于栅极的下面，且沟槽宽度略大于p 型区宽度。 2 1 2 超结( s o ) 及其特点 图2 1 中的各种s jm o s f e t 结构与v d m o s 最大区别就是耐压层中加入了超结，也 就是说s jm o s f e t 就是v d m o s 和超结相结合发展起来的。所谓超结( s j ) ，就是指由 p 区和n 区交替形成一种结构，且p 区和n 区之间必须满足电荷平衡条件，即n 区与p 区 的浓度和宽度的乘积必须相等。由于超结最早是采用离子注入来形成的，所以，s j 的p 区和n 区通常被称为p 柱区和n 柱区，以表示与m o s f e t 结构中原有的其他n 区的区别。 图2 2 给出了一个含有超结的二极管结构。其中超结 替代了传统的p i n 二极管中的i 层，成为耐压的承受层。 超结最