（微电子学与固体电子学专业论文）新型三维100v+ldmos器件设计.pdf

t h ed e s i g no fio o vn o v e l 3 dl d m o s d e v i c e l 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 c h e n w e n g a o s u p e r v i s e d b u p e r v l s e o1 d y p r o f e s s o rh uc h e n 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 y 2 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：豫盆凼 日期：丝l 里：芝：15 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：雌导师签名： 期。 丝渔! 垒仟 摘要 摘要 高压l d m o s ( l a t e r a ld o u b l e - d i f f u s e dm o s f e t ) 是高压集成电路h v i c ( h i g hv o l t a g ei n t e g r a t e d c i r c u i t ) 和功率集成电路p i c ( p o w e ri n t e g r a t e dc i r c u i t ) 的核心器件。l d m o s 器件的击穿电压和导通 电阻是一对矛盾体，一直是众多学者研究的热点。为此人们提出了基于横向超结理论的三维r e s u r f l d m o s 器件，但应用在低阻衬底上的三维r e s u r fl d m o s 会产生所谓“衬底辅助耗尽”效应， 导致击穿电压下降，这一效应的存在限制了三维r e s u r fl d m o s 的性能提高。 本论文设计了一种兼容低压c m o s 工艺的新型1 0 0 v 体硅三维r e s u r fl d m o s 器件。首先对 三维r e s u r f 的原理进行了分析和总结；然后，提出了新型的部分带n b u f f e r 层的三维r e s u r f l d m o s 器件结构，并对其主要结构、工艺参数进行了理论计算，重点考虑了衬底辅助耗尽效应对 器件特性的影响；最后是借助半导体模拟软件s e n t a u n j s ，对所提出的新型三维r e s u r fl d m o s 器 件进行详细模拟，重点分析了漂移区、沟道区、场极板等结构及工艺参数对器件电学特性的影响， 最终得到一组经过优化的器件参数。 最终模拟结果显示，所设计器件的关态击穿电压大于1 0 0 v ，阈值电压为1 0 4 v ，开态饱和电流 1 4 9 x 1 0 - 4 a i - t m ，基本达到了预期设计指标，并可以与低压c m o s 工艺兼容，能应用于各种高压功 率集成芯片，具有很好的发展前景。 关键词：高压集成电路，功率集成电路，三维r e s u r f ，衬底辅助耗尽效应，击穿电压 a b s 仃a c t u ) m o s ( l a t e r a ld o u b l e - d i f f u s e dm o s f e t ) i so n et y p eo fi m p o r t a n td e v i c ei nh c ( h 讪v o l t a g e i n t e g r a t e dc i r c u i t ) a n dp i c ( p o w e ri n t e g r a t e dc i r c u i t ) a n di th a sa l w a y sb e e nam a j o ri s s u ef o rs c h o l a r st o i m p r o v et h et r a d e o f fc h a r a c t e r i s t i c sb e t w e e nt h eb r e a k d o w nv o l t a g ea n dt h es p e c i f i co n r e s i s t a n c ei nt h e d e g i s no fl d m o s u n d e rt h e s ec o n d i t i o n s t h e3 dr e s u i t fl d m o sb a s e do nt h el a t e r a ls u p e r j u n c t i o n c o n c e p tw a sp r o p o s e d h o w e v e r , t h e3 dr e s u l 之fl d m o si m p l e m e n t e do nal o w - r e s i s t a n c es u b s t r a t e s u f f e r sf r o ms u b s t r a t e a s s i s t e d - d e p l e t i o ne f f e c t s ，w h i c hd e g r a d e st h eb r e a k d o w nv o l t a g eo ft h ed e v i c e a n d t h ef u r t h e ri m p r o v i n go f t h ed e v i c e sp e r f o r m a n c ei sr e s t r i c t e dd u et ot h ee f f e c t s i nt h i st h e s i s ，aio o vb u l k - s i l i c o n3 dr e s u i 己fl d m o sd e v i c e ，w h i c hc a nb ec o m p a t i b l ew i t l l l 、厂- c m o sp r o c e s s ，i sd i s c u s s e di nd e t a i l a tt h eb e g i n n i n go ft h et h e s i s ，t h e3 dl 迮s u r ft h e o r yi si n t r o d u c e da n ds e v e r n lp r e v i o u s3 dd e v i c es 扛u c c u r e sa r ea n a l y z e di nd e t a i l s e n c o n d l y , an e w 3 dd e v i c es t r u c t u r ew i t hp a r t i a ln b u f f e rl a y e ri sp r o p o s e da n da n a l y z e d s o m ei m p o r t a n ts 时u c t l l r ea n dp r o c e s sp a r a m e t e r s a r ef i g u r e do u tb ym e a n so ft h e o r e t i c a ld e r i v a t i o n s p e c i a lc o n s i d e r a t i o ni st h ee f f e c to ft h es u b s t r a t e - a s s i s t e d - d e p l e t i o ne f f e c t st ot h ed e v i c eo nap s u b s t r a t e a tl a s t 。t h e3 dd e v i c es t r u c t u r ea n do p e r a t i n gc o n c e p ta r es t u d i e di nd e t a i lb yu s i n gs e m i c o n d u c t o rs i m u l a t i o ns o f t w a r es e n t a u r u s 1 1 1 ei n f l u e n c eo f s o m ep a r a m e t e r so nt h ed e v i c ep e r f o r m a n c e ，s u c ha st h el e n g t ho fd r i f tr e g i o n , c h a n n e l ，f i e l d - p l a t ea n dt h e d o p i n go fd r i f tr e g i o n ，h a v eb e e nd i s c u s s e d a c c o r d i n gt oa l lt h ew o r k sa b o v e ，t h eo p t i m i z e dd e v i c es t r u c - t u r ec a l lb ea t t a i n e d f r o mt h ed e v i c es i m u l a t i o nr e s u l t s ，w ec a ns e et h a tt h ed e v i c ea c h i e v ea n t i c i p a t i v et a r g e t i tm e a n s m a tt h eo f f - s t a t eb r e a k d o w nv o l t a g eo ft h eg i v e nl d m o sd e v i c ei sa b o v el0 0 vt h et h r e s h o l dv o l t a g ei s 1 0 4 va n dt h eo i l - s t a t es a t u r a t i o nc u r r e n tr e a c h e s1 4 9 x 1 0 1 a p m t h i sp r e s e n t e dl d m o sh a v eag o o d f u t u r et ob ea p p l i e di nt h eh i g hv o l t a g ep o w e ri cf o ri t ss i m p l ep r o c e s s k e yw o r d s ：h v i c ，p i c ，3 dr e s u r f , s u b s t r a t e a s s i s t e d - d e p l e t i o ne f f e c t ，b r e a k d o w nv o l t a g e i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i i i 第一章绪论1 1 1 课题研究背景l 1 2 课题研究意义及本文主要内容3 第二章三维r e s u r f 理论分析4 2 1 二维r e s u r f 技术4 2 2 二维r e s u r fl d m o s 一5 2 3 三维r e s u r f 理论。8 2 4 三维r e s u r fl d m o s 的衬底辅助耗尽效应1 0 2 5 三维r e s u r fl d m o s 的电荷非平衡效应1 4 2 6 本章小结15 第三章新型三维1 0 0 vl d m o s 工作原理及理论分析1 6 3 1 新型三维l d m o s 工作原理1 6 3 2 新型三维l d m o s 关键参数分析1 7 3 3 新型三维l d m o s 终端结构分析2 2 3 4 本章小结2 4 第四章新型三维10 0 vl d m o s 模拟优化和设计2 5 4 1 栅氧化层厚度和沟道区的模拟优化2 5 4 2n b u f f e r 层参数的模拟优化2 6 4 3 三维r e s u r f 层参数的模拟优化3 l 4 4 场极板长度的模拟优化3 3 4 5 频率特性的模拟优化3 5 4 6 器件结构最终参数选取3 7 4 7 新型三维l d m o s 的工艺设计3 9 4 8 新型三维l d m o s 的版图设计一4 0 4 9 本章小结4 2 第五章总结与展望。4 3 5 1 总结z 1 3 5 2 展望4 3 j l l 谢f i z l 参考文献4 5 硕士期间取得成果4 8 i i i 第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论弟一早三百。v 匕 近年来，以大功率半导体器件为代表的电力电子技术迅速发展【1 1 ，功率电子器件的应用领域不 断扩大。当今的市场要求电力电子装置要具有宽广的应用范围、量体裁衣的解决方案、集成化、智 能化、更小的体积和重量、效率更高的芯片、更加优质价廉、更长的寿命和更短的产品开发周期。 在过去的数年中已有众多的研发成果不断提供新的、经济安全的解决方案，从而将功率模块大量地 引入到一系列的工业和消费领域中。 所谓功率半导体器件，即是指进行功率处理的半导体器件，它包括有三大部分：以双极犁器件 为主的传统功率半导体器件、以m o s f e t 和i c 为主的现代功率半导体器件，和在前两者基础上发 展起来的特大功率器件。功率半导体器件技术是电力电子技术的基础与核心，它是微电子技术与电 力电子技术的结合。早期的功率半导体器件主要是可控硅整流器( s c r ) 、巨型晶体管( g t r ) 和其 后的栅关断晶闸管( g t o ) 等，它们的主要用途是用于高压输电，以及制造将电网的3 8 0 v 或2 2 0 v 交流电变为各种各样直流电的中大型电源和控制电动机运行的电机调速装置等，这些设备几乎都是 与工业和电力系统有关。2 0 世纪8 0 年代以后，随着以功率m o s f e t 器件为代表的新型功率半导体 器件的迅速发展，目前以计算机( c o m p u t e r ) 、通讯( c o m m u n i c a t i o n ) 、消费类电子产品( c o n s u m e r ) 和汽车电子( c a r ) 为代表的4 c 市场占据了三分之二以上的功率半导体应用市场1 2 捌，应用十分广泛。 功率m o s f e t 是多子单极性器件，因为其没有少子存储效应，所以工作频率高，开关速度快，开关 损耗小；同时功率m o s f e t 又是电压控制器件，输入阻抗高，做功率开关使用时，所需驱动电流小， 驱动功率小，驱动电路简单，功率增益大且稳定性好；由于m o s f e t 是多子器件，其沟道迁移率随 温度的上升而下降，因而在大电流下有负温度系数，无电流集中和二次击穿现象，安全工作区宽， 热稳定性好。对于功率m o s f e t 器件，根据电极引出情况和电流流动方向的不同，又可以分为横向 功率m o s f e t 器件和纵向功率m o s f e t 器件两大类。顾名思义，横向器件的电极主要位于芯片的 表面，电流呈横向流动，它的缺点在于为了达到所需的工作电流必须占有较大的芯片面积；而纵向 功率器件的电极位于器件表面和衬底位置，电流呈纵向流动，从而能大大节省芯片面积，但其缺点 也十分明显，即难以集成1 4 j 。 随着功率场控器件的进一步发展，除了继续提高器件的功率控制容量( 提高工作电压，增大工 作电流) 和器件的性能参数指标( - 1 - 作频率、开关速度、导通电阻等) 外，一个重要的趋势是向集 成化方向发展p 】。功率集成电路( p o w e ri c ，简称p i c ) 已经成为目前功率半导体器件的热点和快速 发展领域，尤其是集成度很高的单片片上功率系统( p o w e rs y s t e mo nac h i p ，简称p s o c ) ，它能把 传感器件与电路、信号处理电路、接口电路、功率器件和电路等集成在一个芯片上，使其具有按照 负载要求精密调节输出和按照过热、过压、过流等情况进行自我保护的智能功能，其优越性不言而 喻，专家们把它的发展誉为第二次电子学革命。如前所述，对于横向功率器件，由于其电极均位于 芯片的表面，易于通过内部连接实现与低压c m o s 电路及其它器件的相互集成，并且驱动电路简单， 因此在高压功率集成电路( h v p i c ) 中得到了广泛的应用；同时，横向功率器件往往占据整个芯片 面积的l 2 一l 3 ，是整个功率集成电路的核心和关键，受到国内外众多功率半导体研究者的广泛关注 和深入研究。然而，随着现代功率集成电路的发展，对横向功率器件的性能提出了更高要求。我们 希望此类功率器件具有较高的击穿电压能力、低的导通电阻、高的工作频率、低自热效应以及较好 的器件隔离性，所以它的研究也就成了一个很重要的课题。同纵向功率器件一样，横向功率器件也 包括多种结构，如横向双扩散m o s 管l d m o s ，横向绝缘栅双极型晶体管l i g b t ，横向m o s 栅控 晶闸管l m c t 和肖特基注入场效应晶体管s i n f e t 等1 6 1 。 东南大学硕士学位论文 表1 1 几种横向功率器件特性的比较 导电栅控电流通态电导耐压开关 名称 结终端技术闭锁 类型方式容量电阻调制能力过程 r e s u r f s i p o s 场极板 l d m o s 多子连续 小 高 高 快 内场环 混合 l t g b t 连续中等低存在高 r e s u r f 较慢存在 多子7 少子 一一 l m c t 双极断续大低存在局 r e s u r f 慢存在 混合 s i n f e t 连续较小较高存在高 r e s u r f 较快存在 多子少子 目前，国际上在高压功率集成电路中采用的主流横向功率器件主要有：横向双扩散m o s 管 l d m o s ( 其结构如图1 1 所示) 和横向绝缘栅双极型晶体管l i g b t ( 其结构如图1 - 2 所示) 。由图 可以看到，l i g b t 结构承袭了l d m o s 晶体管栅控和轻掺杂漂移| x 承受高压的特点，它只是把漏端 的n + 改为p + ，利用p n 结将少子注入到漂移区中，从而通过电导调制效应使得器件的导通电阻降至 l d m o s 的1 5 1 1 0 ，这就大大改善了器件的功率控制能力，使其广泛应用于中频和中等电流领域； 但由于l i g b t 在关断过程中存在少子电荷存贮效应，器件的关断时间较长，同时由于l i g b t 中存 在有四层交替的p n p n 结构，若设计不周在一定条件下则容易发生闩锁效应，使栅极失去控制能力。 本文研究的主要对象是具有良好开关特性的横向双扩散m o s 管l d m o s 。 sgd 呈：i 坚j in 十 - 一 p - b a s e n - e p i p s u b 图1 1l d m o s 基本结构示意图 sgd 老j u 誊兰 n - e p i p s u b 图1 2l i g b t 基本结构示意图 国际上对高压l d m o s 器件的研究也一直没有间断过，一般都是从器件材料和结构这两个方面 来考虑去提升l d m o s 的性能。在器件材料的角度，绝缘体上硅( s i l i c o no ni n s u l a t o r ，简称s o i ) 技术以其理想的介质隔离性能，相对简单的隔离工艺已经被广泛研究并应用，而s o l 功率器件在结 构上均为横向功率器件，它作为s o ip i c 的重要组成部分，其性能和工艺兼容性等直接影响着s o i p i c 的性能。另外就是对硅以外的半导体材料的优化，目前人们把目光放在与硅相比有较低理想开 2 第一章绪论 态电阻的材料上，如g a a s 和s i c 。特别是s i c 材料，由于它具有高电流击穿电场、高饱和电子漂 移速率和高热导率等特性，已经引起人们日益的关注，其优异的电学特性在研制高温、高频、大功 率器件方面具有潜在的应用背景。近年来，随着s i c 体单晶生长技术的长足进步，化学气相淀积 ( c v d ) 技术日趋成熟并用以生长多层n s i c 和p s i c 器件结构，使s i c 器件的研制工作取得突破 性进展。在器件结构的研究方面，传统的方法是采用各种结终端技术如场极板技术，场限环技术和 变掺杂技术等，但它们均不能突破传统的硅限制关系。而由剑桥大学的学者们提出的三维r e s u r f 结构是一种被认为最具前途的高压器件结构，它是在原来纵向超结理论的基础上，通过改变漂移区 的结构来提高器件性能的，所以它也称为横向超结结构。与常规结构相比，它增加了第三个结，即 z 方向的p n 结，这样由于相互间会产生z 向的耗尽作用，在完全耗尽后可使漂移区电场达到均匀 分布。原则上，采用这种结构的高压器件可以实现很高的击穿电压，而且导通电阻还可达到电导调 制器件的水平，它打破了传统高压器件的导通电阻与耐压之问存在的2 5 次方的制约关系1 7 。8 】。同时， 这种三维的器件结构容易与标准的高压c m o s 工艺相兼容，正因为存在以上优点，目前对于三维 r e s u r fl d m o s 的研究已经成为半导体行业的一个热点。 1 2 课题研究意义及本文主要内容 功率半导体器件技术自新型功率m o s 器件问世以来得到了长足进展，已深入到工艺生产与人 民生活的各个方面，而正是由于一些诸如三维r e s u r f 即超结技术在内的新结构的研究，正在有效 地满足实际工程中对这类器件在高速、高击穿电压、高可靠性方面的要求。三维r e s u r fl d m o s 器件作为横向功率器件，同时能打破传统硅限，极大缓解器件耐压和导通电阻之间存在的矛盾，这 就很好的适应了当前功率集成电路的迅猛发展，具有十分广泛的应用前景。在早期具有三维r e s u r f 思想的l d m o s 器件基础上，国内外学者也在其器件结构或工艺上提出了很多改进方案，考虑到本 文中所设计器件的应用背景，故选择了体硅上三维r e s u r fl d m o s 为本文的研究对象。 另外，三维r e s u r fl d m o s 作为三维器件结构，不仅仅需要采用传统的二维模拟软件如 t s u p r e m - 4 和m e d i c i 进行仿真辅助分析，还需要用到能进行三维器件电特性模拟的新软件如 s e n t a u r u s 。在掌握了新软件的三维模拟操作之后，除了能对其它的三维器件结构进行仿真，还能对 一些器件在版图上所产生的三维效应进行模拟分析，这就有利于对器件特性的进一步优化。 本文的主要内容是在体硅工艺上设计一个10 0 v 的三维r e s u r fl d m o s 器件，要求兼顾耐压 和导通电阻，同时能兼容到原有的c d m o s 工艺平台中。由于是三维器件，文中是通过t c a d 软件 工具s e n t a u r u ss t r u c t u r ee d i t o r 和s e n t a u r u sd e v i c e 来模拟器件的结构和电学特性。通过反复比较器 件的各种输出特性曲线，最终得到一组折中的优化器件参数。 本文的具体设计指标如下： 器件关态耐压b 屹1 0 0 v 以上，阈值电压v t h = l v ，开态饱和电流i o = 1 5 x 1 0 4 a g m 。 全文共分为5 章，第一章为绪论，主要综述论文的研究背景和研究现状，提出本文的研究内容。 第二章分析了三维r e s u r f 原理的理论模型，同时引出了利用此原理的横向功率器件l d m o s ：另 外也对三维r e s u r fl d m o s 设计所面临的两个问题即衬底辅助耗尽和电荷不平衡效应进行了分 析，并把国内外所提出的解决思路进行了总结。第三章首先提出了本文的研究对象：新型的部分带 n b u f f e r 层的三维r e s u r fl d m o s ，然后对其重要结构和工艺参数进行了理论设计；其中在对三维 r e s u r fl d m o s 的关态耐压特性和开态电流特性进行分析的基础上，设计出漂移区的长度和浓度 等参数。第四章利用t c a d 软件工具s e n t a u r u ss t r u c t u r ee d i t o r 和s e n t a u r u sd e v i c e 建立和分析部分 带n b u f f e r 层的三维r e s u r fl d m o s 器件的结构，并反复模拟，得到最终的器件参数，同时还给 出了工艺和版图设计。第五章则对本课题的研究作了总结和对前景作了展望。 3 东南大学硕士学位论文 第二章三维r e s u r f 理论分析 2 1 二维r e s u r f 技术 r e s u r f 是降低表面电场( r e d u c e ds u r f a c ef i e l d ) 的简称，由j a a p e l l s 等人于1 9 7 9 年提出 p j 。r e s u r f 技术被称为横向高压器件设计的基本准则1 1 0 ，对于设计横向功率器件具有非常重要的 指导作用，应用r e s u r f 技术可以将耐压范围从2 0 v 至1 2 0 0 v 的高压器件与双极型和m o s 管集成 在一块芯片上。 二维r e s u r f 效应的原理可以用图2 1 所示的横向二极管给予说明，从图中可以看到这里有纵 向p n 结( 图中标示1 ) 和横向p n 结( 图中标示2 ) 。当p n 结加高的反压时，两种p n 结的耗尽层 都要扩展，两个结的耗尽区会发生相互作用，从而影响p n 结的电场分布。对于图2 1 ( a ) 所示的 厚外延层，两个p h i 结耗尽区相互作用只限于横向p n 结的底部，相互作用基本上可以忽略，当所 加电压足够高时，近器件表面的p n 结首先达到临界击穿电场而发生表面击穿( 由于p n 结表面的 曲率影响，表面的最大电场通常大于体内的最大电场) 。但对于图2 1 ( b ) 所示的薄外延层，在反 偏电压下两个p n 结发生强烈的相互作用，其作用的结果使耗尽区沿器件表面向n 边沿延伸，表面 电场降低。若其耗尽区延伸到矿区的边沿，只要场区与n - 区有足够的距离，当反偏电压加大时， 纵向p n 结耗尽区电场将先于表面电场达到临界击穿电场而发生理想的体内击穿。 二维r e s u r f 技术的本质是通过n 型和p 型耗尽层中电场的相互作用( 通过电荷共享) ，使有 源层( 漂移区) 全耗尽后的表面电场降低和优化，将击穿点由表面移向体内，提高器件耐压。同时， 二维r e s u r f 技术使相i 一击穿电压下的有源区浓度增加，导通电阻减小，从而实现击穿电压和导通 电阻的良好折中。 扩i 。 ； d e p i n i 2 ：p + l d ， i 丁一： h p j 八一 m j l 弋 p + 毛。= - e c 。一 p r ( a ) 厚外延层结构( b ) 薄外延层结构 图2 1 两种外延厚度的二极管的电势和电场分布图 根据n 型漂移区纵向被耗尽的方式不同，二维r e s u r f 技术又有s i n g l er e s u r f 和d o u b l e r e s u r f 之分。常规s i n g l er e s u r fl d m o s 和d o u b l er e s u r fl d m o s 器件结构示意图【l 卜1 3 】分 别如图2 - 2 ( a ) 和( b ) 所示。图2 - 2 ( a ) 中，r e s u r f 结构由一个横向p n 二极管( p o b a s e n e p i ) 和一个纵向p n 二极管( p s u b n e p i ) 构成。此横向二极管决定了器件导通电阻的特性，此纵向二 极管则提供了维持高耐压的空间电荷耗尽区。一般而言，n 型漂移区为均匀掺杂，n 型漂移区中积 分电荷为蜴嘞锄，当g 在一定范围内时，纵向二极管在n 型漂移区一侧的耗尽区与横向二极 管在n 型漂移区一侧的耗尽区连接，使得横向二极管耗尽区宽度与没有p 型衬底横向二极管的耗尽 区宽度相比有大幅度的增加。因此在横向p h i 结( p b a s e n e p i ) 处的横向电场比一维二极管的明显 降低，从而可提高器件击穿电压。要求在横向电场达到临界击穿电场前n 型漂移区全部耗尽，此时 r e s u r f 结构获得最大击穿电压。如图2 2 ( a ) 所示，n 型漂移区纵向耗尽是由纵向p n 结 ( p - s u b n - e p i ) 这一个结提供的，所以称之为s i n g l er e s u r f 结构。如图2 2 ( b ) 所示，在n 型漂 4 第二章三维r e s u r f 理论分析 移区中注入p 型降场层( p - t o p 层) ，此时n 漂移区的纵向耗尽有p - s u b n - e p i 结与p - t o p n - e p i 结睡 个p n 结来提供，因此称之为d o u b l er e s u r f 结构。d o u b l er e s u r f 器件为了维持高的反向击穿特 性，要求在器件击穿前p 降场层和n - 印i 必须完全耗尽。因此其n 型外延层积分电荷幺增加为s i n g l e r e s u r f 时的两倍，从而有效降低器件导通电阻。 ( a ) s i n g l er e s u r f 结构 ( b ) d o u b l er e s u r f 结构 图2 2 常规r e s u r fl d m o s 结构示意图 2 2 二维r e s u r fl d m o s 2 2 1l d m o s 介绍 横向双扩散( l a t e r a ld o u b l ed i f f u s i o n ) m o s 管简称l d m o s ，是目前主流的可集成横向功率器 件，其剖面图如图2 3 所示。与普通的c m o s 器件相比，它在结构方面的特点有两个：一个是它的 沟道区是两次不同杂质类型、不同扩散深度的扩散形成，这样沟道区可以做得很小且不受光刻精度 的影响；二是漏极由单一的重掺杂变成了由承受耐压的轻掺杂区( 称为漂移区) 和用于引出电极的 重掺杂区构成，漂移区主要是高阻区，用以承担漏源压降并形成漏区。高阻漂移区的存在不仅提高 了击穿电压，并减小了漏、源两极之间的寄生电容，有利于提高频率特性。同时，漂移区在沟道和 漏之间起缓冲作用，削弱了l d m o s 的短沟道效应。此外，由于漏源电压v d 。的绝火部分降落在漂 移区上，因此在沟道夹断后，基本上没有沟道的长度调制效应。从特性上讲，l d m o s 具有控制简 单( 属于场控器件) ；开关速度快( 属于多子导电类型) ；大的安全工作区；无闭锁；热稳定性好； 易于c m o s 电路集成等众多优点。同时，由于l d m o s 属于多子导电类型，没有电导调制效应，因 此l d m o s 也具有电流密度小，导通电阻大等不利因素，不易于用于大功率应用领域。 1 s 7 g i d 。i = r ； 工 p + 久叫 盯 p - b a s e j n e p i p - s u b 图2 3 常规l d m o s 结构示意图 l d m o s 器件可分为四个区域：1 ) 源端i 延域，其长度为厶；2 ) 沟道区域，其长度为l 曲；3 ) 高阻漂移区，其长度为三士；4 ) 漏端区域，其长度为匕，如图2 3 所示。器件的开态电阻为： r 鲫= r ，4 - r 曲4 - r 毋+ r d ( 2 1 ) 5 东南大学硕士学位论文 其中咫，尺c j l ，如和如分别为器件的源端电阻，沟道电阻，漂移i x = 电阻和漏端电阻，而漂移区 电阻如往往占主导地位。对l d m o s 器件来说，漂移区的长度和掺杂浓度这两个参数决定着器件 的击穿电压。漂移区越长，器件则会获得越大的以及越高的开态电阻尺。；但器件的最大耐压 并不会随着漂移区长度的增加而无限增大，事实上它会受到击穿位置即p s u b n e p i 结处的浓度梯度 的限制。 尽管l d m o s 在中低压范围内具有较低的导通电阻，但随着击穿电压的升高，导通电阻会迅速 上升，这主要是因为l d m o s 与其它多子器件一样，受到“硅极限”的限制i l4 1 ，即导通电阻如与 击穿电压成2 5 次方的关系： r 。a 兰5 9 3 x 1 0 - 9 k q c m 2( 2 2 ) 因此，在击穿电压一定的条件下，实现尽量低的导通电阻成为众多学者们的追逐目标。在一系 列新技术和结构中，最为成功的就是2 2 节所述的二维r e s u r f 技术以及由二维r e s u r f 技术衍生 的一系列新器件结构。二维r e s u r f 技术的意义不仅体现在能够通过对漂移区电荷控制达到降低表 面电场，从而取得击穿电压与导通电阻折中的优化关系，还体现在，工艺与常规的c m o s 或b i c m o s 工艺兼容，非常适合于做功率集成电路，能够大大降低成本。 2 2 2 二维i 强s u r fl d m o s 原理分析 r e s u r f 器件要求严格电荷控制，关键层电荷的变化将降低器件击穿电压，使器件性能受到限 制副。如果不能采用严格的工艺控制和电荷平衡方法，满足一定耐压的r e s u r f 器件工艺制备的重 复性将变得很差，这种电荷平衡敏感性和其引起的击穿电压变化是r e s u r f 器件设计的关键问题。 下面先分析二维r e s u r fl d m o s 器件的电荷控制容差范围，在满足二维r e s u r f 原理的优化工艺 容差范围内可以获得器件高的击穿电压。另外，为了分析方便，假设n 型外延层和p 型降场层为均 匀掺杂区。 对如图2 - 2 ( a ) 所示的s i n g l er e s u r fl d m o s 器件结构，当漏极( d ) 外加电压时，横 向二极管p - b a s e n e p i 击穿电压为口，纵向二极管p s u b n e p i 在n 型漂移区一侧的耗尽区宽度为 幽硎，因此有： b 圪= 丽6 , j 瓦x e ； ，( ) = ( 2 3 ) ( 2 4 ) 这里，为硅介电常数，e 为硅临界击穿电场( 可近似定义为2 2 x 1 0 5 v c m - 3 x 1 0 5 v c m ) ，q 为电子 电荷。为了获得最优器件性能，要求在横向二极管击穿前n 型漂移区纵向全部耗尽。由于横向二极 管处电场最高，即该处为低击穿点，满足这样的条件时该处的最大电场降低，使得器件在其它比式 ( 2 3 ) 所述击穿电压还高的击穿点击穿。凶此为了保证n 型漂移区纵向全耗尽，要求 d 删( b 圪) 7 酬 ( 2 5 ) 这里荪嘲( b v u ) 是当击穿电压为b v z , 时，n 型漂移区的纵向耗尽层宽度；锄为n 型漂移区厚度。 因此，在s i n g l er e s u r fl d m o s 器件中优化的n 型漂移区积分电荷q 眦为 缆2 x1 0 1 2 ( 2 6 ) 由于在i c 工艺技术中为了获得合理的杂质浓度和外延层厚度，n 型漂移区杂质浓度必须比p 衬底的杂质浓度高，即m 矿。取极限叫6 时，由式( 2 6 ) 可以获得q 眦的理论上限值 6 第二章三维r e s u r f 理论分析 铲= l a x l 0 1 2 c m 。2 ( 2 7 ) 对于常规d o u b l er e s u r fl d m o s 器件1 6 - 1 9 如图2 - 2 ( b ) 所示，p 降场层的杂质浓度( m 坳) 需满 足m 坳 f 。此时，此击穿电压为 b = 瓦z , x e ； ( 2 8 ) 如前面所述，d o u b l er e s u r fl d m o s 为了获得高的击穿电压，要求n 型漂移区和p 型降场层全部 耗尽。与s i n g l er e s u r f 结构一样，全耗尽要发生在横向n + p - t o p 结雪崩击穿前。因此，在d o u b l e r e s u r fl d m o s 器件中必须满足以下两个条件： d p 却( 占屹) t p 却 ( 2 9 ) d n l ( b ) + 吨2 ( b 屹) 7 叫 ( 2 1 0 ) 这里榭b 呦是击穿电压为b 时p 型降场层纵向耗尽层宽度，舡卸是p 型降场层厚度；这里磊j 是p t o p n e p i 结在n 型漂移区一侧的纵向耗尽区宽度，如是p s u b n e p i 结在n 型漂移区一侧的纵 向耗尽区宽度。 条件( 2 9 ) 避免器件在横向n + p - t o p 结处过早击穿，而条件( 2 1 0 ) 则保证器件不在横向 p - b a s e n e p i 结处过早击穿。因此，优化的p 型降场层积分电荷q ，- 却和优化的n 型漂移区积分电荷 9 西可以改写成如下形式： q p 却2 x1 0 1 2 r 2 x 1 0 1 2x l l + 在式( 2 1 1 ) 和( 2 1 2 ) 的基础上可以得到鲸卸和q ，西的上限 q 焉= 1 4 x 1 0 1 2 c m 。2 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 簖= 2 8 x 1 0 1 2 c m 。2 ( 2 1 4 ) 由式( 2 1 3 ) 和式( 2 1 4 ) 可知，因为p 型降场层的作用，d o u b l er e s u r fl d m o s 器件中n 型漂 移区总电荷增加为s i n g l er e s u r fl d m o s 器件中其电荷量的两倍，从而使器件导通电阻明显降低。 在d o u b l er e s u r fl d m o s 器件中，对于满足r e s u r f 原理的任意q 印和蛳值都还存在以 下这样一个关系： q 曲一绋却鳐 ( 2 1 5 ) 式( 2 1 5 ) 定义了d o u b l er e s u r fl d m o s 器件电荷平衡需要满足的条件，它表明总的有效电荷为 q 腑一q _ 尸姊。由式( 2 1 5 ) 得，当q 印接近零时( 即去掉p 型降场层) ，n 型漂移区积分电荷翰 将以s i n g l er e s u r fl d m o s 器件对应值为边界条件，如式( 2 7 ) 所示。注意，当鼬一定时，式 ( 2 1 5 ) 定义了满足r e s u r f 原理的最小p 型降场层电荷q 脚。因此，对于任意q p - 卸和q ，曲可以