（微电子学与固体电子学专业论文）薄漂移区横向高压器件耐压模型及新结构.pdf

摘要 摘要 横向高压器件是高压集成电路的关腱器件，受到了众多学者深入的研究。随着半导 俸技术的快速发展，功率器件帮常藏低压器锋等罄：_ 铡减小。鸯于漂移区毫场的= 维本质， 一维模型不能深入揭示其物理机理。对于采翔终端技术的高压器件，由予边界条件的复 杂使二维模型求解困难，因此反映横向和纵向电场耦合作用的电场和击穿电压模型亟待 建立。商粼中击穿电压和导通电隰之闯的折衷关系，是众多器件设计者研究的热点。 设计具有与c m o s 工艺兼容翁薄漂移区蘸蝌是功率半导体技术麴个重要发羼方 向。 本文研究了薄漂移区高压器件的二维耐压模型和改善击穿电压和导通电阻折衷关 系酌薪结构。首次提高了薄漂移区d - r e s u r f 器件二维表面电场模型和薄漂移嚣阶梯掺 杂器件揪型。提懋三种离匿器件薪结构：薄型双漂移区离压器件、p 埋层低掺杂潺 s o i 商压器件和双面阶梯埋氧层p s o i 离压器件，并进行部分实验研制。 基于p o i s s o n 方程，建立表面注入魏区d - r e s u r f 器件= 维表面电场模型。随着漂 移匿的减薄，纵向电场对表西电场熬调制幸笮用显著增强。基予该模型，分= | ! 蓐结梅参数对 表露电场和纵向电场耦合作用的影响，给出获圣导最大击穿电压租最小导通电阻的优化条 件，计算了漂移区厚度和长度与击穿电压的关系。在理论的指导下，成功研制了9 0 0 v d - r e s u r f 器件。提蕊漂移区不完全耗尽型s - r e s u r f 器件二维耐压模型，分析器件分 别在燃缝、树k 结和体悫p n 结发生击穿熬媾况。在满是最髋表露毫场条停下，导 出反映电穗共享效应的二维r e s u r f 判据。 建立薄漂移区阶梯掺杂器件二维耐压模型。由于横向电场相互耦合，在不闻掺杂区 赛蟊处产生新鼹电场峰。在缎离慧场酶藕合作用下，电场峰值降低，漂移医襄丽电场趋 于均匀。借助此模型，研究了结构参数对漂移区电荷共享效应的影响，绘蹬了器 牛参数 之间的优化关系。表面阶梯掺杂器件正向导通电流大部分流经表面，导通电阻降低。阶 梯掺杂漂移区器件改善了器件在导通电阻和击穿电压之间的折衷关系，且具有较好的工 艺容差。 提出薄型双漂移区维构。由于表露注入n 屡掺杂浓度较高，漏电流绝大部分流经 表面，使导通电阻下降。在沟道区下方采用p 离子注入埋层，改善漂移区电场分 布，p 埋层电场的调制作用在表面电场中引入新的电场峰，使表面电场分布均匀。 在漂移基掺杂裁量相阕酶情况下，随着表露n 层厚度的降低和掺杂滚度的提蔫， 摘要 导通电流显著增大。结果表明：薄型双漂移区器件较常规器件击穿电压提高1 6 ， 导通电阻下降2 4 。 在低掺杂漏s o l 器件的n 型漂移区中部注入p 埋层形成b l ds o i 器件。在埋 氧层纵向电场和埋层附加电场的调制下，沟道边缘表面电场降低，优化漂移区浓 度增大，导通电阻显著下降。在漏极引入低掺杂漏区，缓解了漏结的曲率效应， 击穿电压增大。结果表明：埋层低掺杂漏s 0 1 结构较常规s 0 1 器件击穿电压提高 2 9 ，导通电阻下降2 2 。在理论的指导下，实验研制了超过7 0 0 v 的s o l 高压 器件。 提出双面阶梯埋氧层部分s o i 高压器件结构，称为d s bp s o i 。双面阶梯埋氧 层的附加电场对表面电场的调制作用使表面电场达到近似理想的均匀分布；耗尽 层通过源极下硅窗口向硅衬底扩展，埋氧层中纵向电场加强，提高了击穿电压， 且缓解了自热效应。获得器件结构参数间二维的优化关系。结果表明：在保持导 通电阻较低的情况下，双面阶梯埋氧层部分s 0 1 结构击穿电压较常规s o l 器件提 高5 8 ，温度降低1 0 3 0 k 。 关键词：r e s u r f ，薄漂移区，解析模型，电场调制，电荷共享，表面电场 a b s 豫a c t a b s t r a c t 缸ak e yd 钾i c ei nh i 曲v o l t a g ei n t e g r a t e dc i r c u i t , l a t e r a lh i g h - v o l t a g ed e v i c eh a sb e e n d e e p l yi n v e s t i g a t e db ym a n ys c h o l a r s w i t ht h e 嘶文d e v e l o p m e n to fs e m i c o n d u c t o r t e c h n o l o g y , t h ep o w e rd e v i c e sa n dc o n v e n t i o n a ll o w - v o l t a g ed e v i c e sa r es c a l e dd o w mb e c a u s e o ft h e2 - dn a t u r eo fd e c t r i c a lf i e l di nt h ed r i f tr e g i o nt h e1 - dm o d e lc o u l dn o te x p l a i nd e e p l y t h ep h y s i c a lm 幽1 i s mo ft h ed e v i c e o w i n gt h e p l e x i t yo ft h eb o u n d a r yc o n d i t i o n s ，t h e 2 - 1 9m o d e lo ft h eh i g h - v o l t a g ed e v i c ew i t hs o m et e r m i n a lt e c h n o l o g yi sd i f f i c u l tt ob es o l v e d t h em o d e lo ft h ee l e c t r i c a lf i e l da n db r e a k d o w nv o l t a g et h a tc a l ld e s e n l o et h ei n t e a z e t i o n b e t w e e nt h el a t e r a la n dv e r t i c a ld e e t r i c a lf i e l d sm u s tb ed e v e l o p o d i ti sah o t s p o tf o rm a n y d e v i c ed e s i g n e r st oi m p r o v et h et r a d e - o f fb 式w e e l lt h eb r e a k d o w l lv o l t a g ea n dt h es p e c i 蠢e o n - r e s i s t a n c eo f t h eh i g h - v o l t a g ed e v i c e n o v e lt h i nd r i f tr e g i o n h i g h - v o l t a g ed e v i c ec o m p a t i b l e w i t hc m o s t e c h n o l o g yi sa ni m p o r t a n td e v e l o p i n gt r e n do f p o w e rs e r r d c o n d u c t o rt e c h n o l o g y i nt h i sd i s s e r t a t i o n , t h e2 - db r e a k d o w nv o l t a g em o d e l sa n dt h en e ws t r u c t u r e st oi m p r o v e t h et r a d e - o f fb e f - w e e nt h eb r e a k d o w nv o l t a g ea n dt h eo n - r e s i s t a n c eo ft h ef l r i nd r i f tr e g i o n h i g h - v o l t a g ed e v i c ea r ei n v e s t i g a t e d a2 - d s u r f a c ee l e c t r i c a lf i e l dm o d e lo f t h et h i nd r i f tr e g i o n d - r e s u r fd e v i c ea n dab r e a k d o w nv o l t a g em o d e lo ft h et h i nd r i t ! ir e g i o nd e v i c ew i t hs t e p d o p i n gp r o f i l ea r ef i r s t l yp r o p o s e d t h r e en e w s t n l c t u r eo f h i g h - v o l t a g ed e v i c e s 筮ed e v e l o p e d , i 。已t h et h i nd o u b l ed r i f tr e , o nh i g hv o l t a g ed e v i c e , t h el o wd o p e dd r a i ns o l 域巫v o l t a g e d e v i c ew i t hpb u r i e dl a y e ra n dt h ep s o ih i 或v o l t a g ed e v i c ew i t hd o u b l e - f a c e ds t e pb u r i e d o x i d el a y e r , a n dt h ep a r t i a le x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u t 噩玲2 - dm o d e lf o rt h es u r f a c ee l e c t r i c a lf i e l do ft h e 蹦 嚣s 碧浮d e v i c ew i t hs u r f a c e i m p l a n t e d 恳r e g i o ni sd e v e l o p e db a s e do np o i s s o ne q u a t i o n t h ev e r t i c a le l e c t r i c a l f i e l d i n f l u e n c e ss t r o n g l yt h es u r f a c ee l e c t r i c a lf i e l dw h e nt h ed r i f ir e g i o ni st h i n b e s e do nt h em o d e l t h ei n f l u e n c eo ft h es 1 1 2 1 c t 珊ep a r a m e t e r so nt h ec o u p l i n ge f f e c tb e t w e e nt h ev e r t i c a le l e c t r i c a l f i e l da n dt h es u r f a c ee l e c t r i c a lf i e l dh a sb e e ne x a m i n e d 曩辩o p t i m a lc r i t e r i o nf o rt h em a x i m u m b r e a k d o w nv o l t a g ea n dt h em i n i m u mo n - r e s i s t a n c eh a sa l s ob e e no b t a i n e d t h ed e p e n d e n c eo f t h eb r e a k d o w nv o l t a g e0 1 1d r i f tr e g i o nl e l l g ma n dt h i c k n e s si sc a l c u l a t e d 9 0 0 vd _ r e s u i 蹬 d e v i c e 8h a v eb e e nf a b r i c a t e dw i t ht h e 辨i d 。o ft h ea n a l y t i c a lm o d e l 豫2 - db r e a k d o w n v o l t a g em o d e lo f t h es - r e s u r fd e v i c ef o rt h ei n c o m p l e t e l yd e p l e t e dd r i f tr e g i o ni s 婀讯 m a b s t r a c t c h a r a c t e r i s t i co ft h es - r e s u r fd e v i c ei si n v e s t i g a t e dw h e nb r e a k d o w no c c u r sa tt h e 啪 j u n c t i o n , n n e j u n c t i o n a n dv e r t i c a lp n j u n c t i o n a2 - dr e s u r fc r i t e r i o ni n c l u d i n gt h ec h a r g e s h a r i n g e f f e c ti sd 耐v 1 日w h e no p t i m t h ns u l f a c ed e c t r i c a lf i e l di sr e a l i z e d a2 - db r e a k d o w nv o l t a g em o d e lo f t h et h i nd r i f tr e g i o nd e v i c ew i t hs t e pd o p m gp r o f i l ei s d e m o n s t r a t e d an e we l e c t r i c a lf i e l dp e a ka p p e a r sb e t w e e nt w o 础g i o n sw i t hd i f f e r e n td o p i n g c o n c e n t r a t i o nb yt h ei n t e r a c t i o no ft h el a t e r a le l e c t r i c a lf i e l d t h es u r f a c ee l e c t r i c a lf i e l dp e a k s a r er e d u c e db yt h ec o u p l i n go ft h ev e r t i c a le l e c t r i c a lf i e l d , w h i c hl e a d st om o r eo rl e s su n i f o r m f i e l dp r o f i l ei nd r i f tr e g i o n b a s e do i lt h em o d e l , t h ei n f l u e n c eo f t h es t r u c t u r ep a r a m e t e r so nt h e c h a r g e 照赫甥i si n v e s t i g a t e d ；t h eo p t i l m l mr e l a t i o n s h i pa m o n gt h e s t r u c t u r ep a r a m e t e r so f 氐 h i g h - v o l t a g ed e v i c ei so b t a i n e d t h ec u r r e n to ft h et h i nd r i f tr e g i o nd e v i c ew i t hs u r f a c es t e p d o p i n gp r o f i l ef l o w sm o s t l yo nt h es u r f a c eo f t h e 撇r e g i o nw h i c hr e d u c e st h eo n - r e s i s t a n c eo f t h ed e v i c e t h et h i nd 醯r e , o nd e v i c ew i t hs t e pd o p i n gp r o f i l ee n h a n c e st h et r a d e - o f f b e t w e e n t h eb r e a k d o w nv o l t a g ea n dt h eo n - r e s i s t a n c ea n dh a sab e t t e rt 越m o l o g yt o l e r a n c e a s l r l j c t u r eo ft h et h i nd o u b l ed r i f tr e g i o ni sp r o p o s e d t h ec u r r e n tc a nf l o wm o s t l ya l o n g t h es u r f a c eo f t h ed r i f tr e g i o nb e c a u s et h ed o p i n gc o n c e n t r a t i o no f t h es u r f a c ei m p l a n t e dn l a y e r i sv e r yh i g ha r dt h eo n - r e s i s t 毖c eo ft h eh i g h - v o l t a g ed e v i c ei sd e c l i n e d pb u r i e dl a y e ri s i m p l a n t e du n d e rt h ec h a n n e lr e g i o nw h i c hi m p r o v e st h ed r i f tr e g i o ne l e c t r i c a lf i e l dd i s t n b u t i o n t h ee l e c t r i c a lf i e l dm o d u l a t i o no ft h epb u r i e dl a y e ri n d u c t san e we l e c t r i c a lf i e l dp e a ki nt h e s u r f a c ee l e c t r i c a lf i e l dw h i c hl e a d st om o r eo rl e s su n i f o r mf i e l dp r o f i l e f o rt h es a m ed r i f t r e g i o nd o p i n gd o s e , w i t ht h ei n c r e a s eo ft h es u r f a c enl a y e r sd o p i n gc o n c e n t m f i o na n dt h e d e c r e a s eo ft h et h i c k n e s s , t h ed r a i nc u n 妣ti se n h a n c e dg r e a t l y t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e b r e a k d o w nv o l t a g eo ft h et h i nd o u b l ed r i f tr e g i o nd e v i c ei si n c r e a s e db y16 a n dt h e o n - r e s i s t a n c ei sd e c r e a s e db y2 4 c o m p a r e dt ot h ec o n v e n t i o n a ld e v i c e pb u r i e dl a y e ri si n c o r p o r a t e di n s i d et h end r i f tr e g i o no ft h es o id e v i c ew i t hl o w d o p e dd r a i n , w h i c hi sc a l l e db l ds o id e v i c e b yt h ei n f l u e n c e so ft h eb u r i e dl a y e r s a d d i t i o n a le l e c t r i c a lf i e l da n dt h eb u r i e do x i d el a y e r sv e r t i c a le l e c t r i c a lf i e l d ，t h e s u r f a c ee l e c t r i c a lf i e l dn e a rt h ec h a n n e li sr e d u c e da n dt h eo p t i m a ld r i f tr e g i o nd o p i n g c o n c e n t r a t i o ni si n c r e a s e d ，s ot h eo n - r e s i s t a n c ei sd e c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y al o wd o p e d d r a i nr e g i o ni si n t r o d u c e dn e a rt h ed r a i nw h i c hc a l lr e d u c et h ed r a i nc u r v a t u r ea n d e n h a n c et h eb r e a k d o w nv o l t a g e t h er e s u l t ss h o wt h a tc o m p a r e dt ot h ec o n v e n t i o n a ls o i d e v i c et h e 糖e 8 k 轴w 鼗v o l t a g eo ft h eb l ds o id e v i c ei si n c r e a s e db y2 9 a n dt h e o n - r e s i s t a n c ei sd e c r e a s e db y2 2 o v e r7 0 0 vs o ih i g hv o l t a g ed e v i c ei sm a n u f a c t u r e d i v a b s t r a c t s u c c e s s f u l l yw i t ht h eg u i d eo ft h em o d e l an o v e ls t r u c t u r eo fp s o ih i 曲v o l t a g ed e v i c ew i md o u b l e - f a c e ds t e pb u r i e do x i d e l a y e ri sp r o p o s e d ，w h i c hi sc a l l e dd s b p s o i t h es u r f a c ee l e c t r i cf i e l dr e a c h e sn e a r l y i d e a lu n i f o r md i s t r i b u t i o nd u et ot h ea d d i t i v ee l e c t r i cf i e l dm o d u l a t i o nb yd o u b l es t e p b u r i e do x i d el a y e r as i l i c o nw i n d o wu n d e r n e a t ht h es o u r c eh e l p st or e d u c es e l f - h e a t i n g d e p l e t i o nr e g i o ns p r e a d si n t ot h es u b s t r a t ea n dt h ev e r t i c a le l e c t r i cf i e l di nt h eb u r i e d l a y e ri se n h a n c e d , w h i c hr e s u l t si nah i g h e rb r e a k d o w nv o l t a g e a2 do p t i m a lr e l a t i o n b e t w e e nt h es t r u c t u r e p a r a m 鲫b r s i sa l s oo b t a i n e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h e b r e a k d o w nv o l t a g eo fd s bp s o id e v i c ei si n c r e a s e db y5 8 a n dt e m p e r a t u r ei s d e c l i n e db y10 - 3 0 ki nc o m p a r i s o nt oc o n v e n t i o n a ls o id e v i c e ，m a i n t a i n i n gt h el o w o n - r e s i s t a n c e k e y w o r d s ：r e s u r f , t h i nd r i f tr e g i o n , a n a l y t i c a lm o d e l ，e l e c t r i c a lf i e l d m o d u l a t i o n , c h a r g es h a r i n g , s t a f a c ee l e c t r i c a lf i e l d v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，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 为获得电子科技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 确的说明并表示谢意。 签名：垒鱼日期：勿口子年月t g 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 第一章绪论 第一章绪论 功率半导体技术是电力电子技术的基础与核心，电力电子技术无论对改造传 统工业，还是对高新技术产业都至关重要【l 翻。传统制造技术与现代大规模i c 技术 相结合诞进了以概控功率器件和智毹功率集成电路为代表的现代功率半导体技术 的快速发展。蹬前功率半导体技术燕匈着态压、高频、高湛、大功率、智戆化帮 系统化方向发展秘q 。高压半导体器件作为功率集成电路的基石，受到了国内外半 导体器件设计者的广泛关注和深入研究，逐步走向实用化和产业化。半导体功率 集成毫路发晨要求器件的集成度越来越离，横胬特征尺寸酶缩小，使得级氲尺寸 也相应的减小，因此高性能薄漂移区高压器彳譬是当前的研究热点之一。本文主要 从硅基薄漂移区高压器件耐征模型、提高器件性能的硅基和s o i 基器件新结构方 面展开研究，并进行相关的实验研制。 l 。l 功率m o s f e t 发展 域功率器件为棱心的现代魄力耄予装置，在整静装置中遁常不超过总价值的 2 0 3 0 ，但是它对提高装置的各项技术指标和性能却起着十分重要的作用1 5 】。一 个理想的功率器件，应当具有下列理想的静态和动态特性：在截止状态时能承受 高电压；在导通状态时具有大电流和很低的歪降；在开关转换融具有短的开、芙 时间，能承受蔫的警和拿、以及具有全控功熊【棚。鸯1 9 5 5 年世界第只大功率二 拜l霉f 极管在美圈g e 公司的出现 7 1 ，功率半导体器件的研究者们为达到上述理想目标做 出了不懈的努力。功率半导体器件的发展，大致可分为三个阶段：第一阶段是二 十世纪六十年代到七十年代，那时备种类型的晶阑管和大功率达秫顿晶体管有很 大的发展，称梵双极时代，其服务对象是以工业应用为主，包括电力系统和枧车 牵引等；第二阶段是八十年代到九十年代，由于功率m o s f e t 的兴起，使电力电 子步入一个薪的领域，为蓬勃发展的通信、计算机、消费电子和汽车等行业提供 了掰的活力；二十一世纪前看，功率半导体器件的发展进入第三个阶段，帮和集 成电路结合愈来愈紧密的阶段1 3 嗍。 功率半导体器件按工作方式可分为两类：一类是传统的双极型器件，它是电 流控制型器件，包括晶闸管( s c r ) 、门极关断晶闸管( g t o ) 和巨型功率晶体管( g t r ) 电子科技大学博士学位论文 等，其特点是门极电流来驱动器件；另一类是新型的电压控制型器件，包括金属 氧化物半导体场效应晶体管( m o s f e t ) 、绝缘栅双极型晶体管( i g b t ) 和m o s 控制 晶闸管( m c t ) 等，其特点是栅极为绝缘体，只需要很小的栅电流便可驱动器件【l m l 2 】。 由于s c r 不能门极控制关断，需要复杂的辅助换流关断电路，而g r t 和g t o 等 需要较大的控制电流，使门极控制电路庞大、系统体积增大和效率降低，促进了 以m o s f e t 为主的压控型功率器件的快速发展，使其在电力电子装置中获得了广 泛的应用【1 3 。15 1 。 多子导电的功率m o s f e t 显著减小了开关时间，很容易达到1 0 0 k h z 的开关 频率，冲破了电力电子装置中2 0 k h z 这一长期被认为不可逾越的障碍【1 6 j 。功率 m o s f e t 是低电压范围内最好的功率开关器件，但在高电压应用时，其最大缺点 是导通电阻随耐压的2 5 次方急剧上升，给高压功率m o s f e t 的应用带来很大的 困难【l 刀。直到八十年代开发出的v 型槽m o s f e t ( v v m o s ) 、垂直双扩散 m o s f e t ( v d m o s ) 和横向双扩散m o s f e t ( l d m o s ) ，才使其从中小功率向大功率 扩展【1 8 】。由于v v m o s 的工艺较难控制、可靠性低，且v 型槽的顶端存在很强的 电场【1 9 】，研究人员提出了v d m o s ，其结构是多晶栅被埋藏在源极金属下面，源 极电流穿过水平沟道，经过栅极下面的积累层再通过纵向的漂移区到达漏极，工 艺与现在高速发展的超大规模集成电路工艺兼容，因此得到了很快的发展1 2 睨。 l d m o s 是目前常用的横向功率器件，其沟道区由两次不同杂质类型和不同深度扩 散形成，电极都由表面引出，主要用于消费类电子产品中【2 2 2 3 】，例如功率放大器、 开关电源和电子整流器等。l d m o s 经过几十年的发展，产生了很多成熟的结构和 技术，器件性能有极大的提高，低压l d m o s 主要用于微波和射频领域。目前高 压l d m o s 的研究主要集中在提高耐压、降低导通电阻以及工艺兼容性方面 2 4 - 2 6 。 近年来，各大公司相继投产高耐压、大电流和开关速度快的高功率m o s f e t ：利 用s p a c e r 技术研制的小单元尺寸m o s f e t 和槽栅( t m o s 、r m o s 、u m o s ) 功率 m o s f e t 均工业化生产【2 7 。2 8 】；r o h m 公司开发出了耐压为9 0 0 v 、导通电阻为 3 1 m f 2 c m 2 的s i c 功率m o s f e t 2 9 1 ；2 0 0 6 年，安森美公司推出了1 8 款优化直流 直流转换并降低临界电流水平的新型功率m o s f e t ，用于c p u 的供电和高低端开 关【3 0 1 。在功率m o s f e t 领域，电子科技大学陈星弼院士提出了一种新的耐压层( c b ) 结构( 又称为s u p e rj u n c t i o n ) ，打破了传统功率m o s f e t 理论极限，在几乎保持功 率m o s f e t 所有优点的同时，又极大降低了正向导通电阻【3 1 3 2 1 。1 9 9 8 年国际整流 器公司宣布用于开关电源的功率m o s f e t ，采用c b 结构，晶体管性能比当时现 有的器件提高5 倍p 引。 2 第一章绪论 i g b t 是将m o s f e t 与双极晶体管结合在一起的新型器件，它是r c a 公司和 g e 公司1 9 8 2 年发明，具有开关速度快、功耗小、电流密度高和耐压高等优点， 成为6 0 0 v 以上中等电压范围内的主流功率器件，且逐渐向高压大电流领域发展， 挤占传统s c r 和g t o 的市场份额【3 5 1 。i g b t 的研究方向主要为两个方面，一是 超大功率i g b t 模块，一是超快速i g b t t 3 6 - 3 7 1 。由于i g b t 有大的电流密度，且没 有寄生的反向二极管，这使得i g b t 的效率更高、应用更灵活。在中等电压范围内 ( 3 7 0 v - 6 0 0 v ) ，i g b t 已应用到1 5 0 k h z 1 8 0 k h z 弛】。m c t 是利用m o s 栅控制晶闸 管的通断，具有压控、输入阻抗高、驱动功率小、工作频率高、导通压降低和高 压大电流的优点，功率容量较g r t 、功率m o s f e t 和i g b t 都大【3 9 4 ，但是由于 其关断时电流的不均匀性及关断电流受旁路电阻限制而始终无法占据大功率开关 器件的主导地位 4 2 4 3 】。 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 ) 将高压功率器件与信号处理系统及 外围接口电路、保护电路和检测诊断电路集成在同一芯片，可分为智能功率集成 电路s p i c ( s m a r tp o w e ri n t e g r a t e dc i r c u i t ) 和高压集成电路h v i c ( h i g hv o l t a g e i n t e g r a t e dc i r c u i o 两类。由于单芯片集成，减少了系统中的元件数、互联数和焊点 数，不仅提高了系统的可靠性和稳定性，而且减少了系统的功耗、体积、重量和 成本【删。八十年代，由于具有m o s 栅控制、高输入阻抗、低驱动功耗和容易保护 等特点的新型功率器件m o s f e t 和i g b t 等的出现，使得驱动电路简单，易于与 功率器件集成，带动了功率集成电路的迅速发展，促进了电力电子系统向智能化、 小型化和高性能方向发展【4 5 1 。 目前，无论是功率集成电路还是功率分离器件，都是市场上最为活跃的电子 器件，其市场规模的增长率一直高于半导体市场增长率。由于网络通信、消费电 子和工业控制产业的发展，中国功率半导体市场快速发展。根据赛迪顾问报告： 中国功率器件市场2 0 0 6 年销售额6 7 3 亿元，比2 0 0 5 年增长2 4 4 ，在未来也将 趋于平稳。到2 0 1 0 年，预计增长速度为2 3 1 【4 6 1 。功率集成电路和m o s f e t 应用 广泛，几乎所有的电子产品都会用到这两个产品，是中国功率半导体市场最重要 的两个产品。 1 2 高压器件设计技术 由于器件的电极需要作在芯片表面，当要承受较高电压时，纵向器件所需要 的外延层厚度较厚，需通过埋层和深扩散将电极引到表面，工艺复杂。当扩散深 3 电子科技大学博士学位论文 度较大时工艺很难达到和成本较高，而且横向扩散严重，导致芯片面积增加。纵 向器件多用于较低耐压和大电流功率集成电路。 横向器件电极都在芯片的表面，易于通过内部连接实现与低压信号电路集成， 驱动电路简单。l d m o s 作为一种常用的横向高压器件，具有抗二次击穿的热稳定 性、不易发生电流局部集中、开关速度快和频率特性好等优点，在功率集成电路 中得到广泛的应用【4 7 _ 5 2 1 。 半导体平面工艺使器件表面p n 结曲率增大，造成表面局部电场增高，以及热 氧化使表面区域杂质浓度升高导致表面最大电场通常大于体内最大电场，因此器 件的耐压常常由表面击穿来决定。当表面碰撞电离发生时，热载流子易进入二氧 化硅层，导致器件性能不稳定、可靠性下降。为克服上述缺点，提高击穿电压， 众多研究者提出了一系列新技术和新结构以改善器件导通电阻和击穿电压之间的 折衷性能。下面对一些常用终端技术以及由此衍生出的新结构进行阐述。 1 2 1 常用终端技术 ( 1 ) 场限环技术：是功率器件中常用的一种终端技术，其工艺非常简单，可以 与主结一起扩散形成，无须增加任何工艺步骤。特点是在主结一定距离处，与主 结同时扩散一个或多个同样掺杂的环包围着主结。施加反向偏压时，主结的耗尽 层沿表面向外扩展，使耗尽层扩展到场限环结时，主结的边缘电场仍没有达到临 图1 - 1 场限环结构图 界击穿电场，主结和环结耗尽区相连，减小了耗尽区的曲率，见图1 1 ，场限环在 某种程度上起到分压器的作用。主结与场限环的间距以及环与环之间的间距对击 穿电压起主要作用【5 3 - 6 0 l 。s o u z a 研制了超过2 0 0 0 v 的p 阱偏置场限环结构，其结 构特点是场限环被放在一个偏置的p 阱中唧1 。通常情况下，击穿电压随着环个数 的增加而增加，但是环的个数越多，器件占用的芯片面积越大，工艺成本越高。 ( 2 ) 场板：场板能有效控制表面电荷、降低表面p n 结边缘的高峰值电场，增 4 第一章绪论 大击穿电压，可分为金属场板和阻性场板。金属场板按接触方式又可分为接触场 板和浮空场板，如图1 2 ，目前大多数器件设计采用接触式金属场板。 n_ 一 、竺 n 图1 - 2 场板结构 金属场板制造工艺简单，可以与器件的电极一起形成，无须增加单独的工艺 步骤，且金属场板对氧化层中的电荷有吸引作用，降低了器件对界面电荷的敏感 度。研究表明：击穿电压与场板下面的氧化层厚度和场板长度有关，存在最优值。 在耐压层表面覆盖一层半绝缘的电阻膜，并把膜的两端与高低电位端相连， 就形成了阻性场板( r f p ) 。由于电阻膜是均匀的，阻性场板会对耐压层的电势钳位， 迫使耗尽层在表面发生扩展，导致耐压层的电场也是均匀的。最初的r f p 选用多 晶硅材料，其电阻率很低和反向漏电流较大。随后采用半绝缘多晶硅膜( s l p o s ) ， 它可以减小表面态和提高击穿电压，如图1 3 。s i p o s 是一种有很好钝化作用的表 面覆盖层，使热载流子等电荷不能长期停留、正电荷不再积累，而且屏蔽了外界 电场的作用提高了器件的可靠性【6 卜7 2 。m a t s u t h i t a 研制了s i p o s 高压p n p 晶体管， 其击穿电压达到了2 5 0 0 v 7 3 】。t e r a s h i m a 等提出多段浮空的多晶硅电阻场板 ( m f f p ) ，其结构如图1 - 4 ，由一层等长的多段浮空多晶硅电阻场板和另一层多段浮 图1 - 3s m o sl 】) m o s图1 4m f f pu ) m o s 空的砧场板或多晶硅电阻场板组成的复合场板，与半导体表面有1 5 u m 的氧化层 间隔，两层浮空场板彼此交叠产生电容耦合，表面形成缓慢的电势分布变化，使 表面电场分布趋于均匀【6 6 1 。 电子科技大学博士学位论文 ( 3 ) 横向变掺杂：在常规器件中，耗尽层内的表面电场为“u ”形分布，如图1 - 5 ， 表面电场在栅和漏极边缘较高，漂移区中部达到最低。在理想的情况下，表面电 场分布为一矩形，且等于硅的i 临界击穿电场疋，这样的矩形电场分布可以在最短 的长度内实现最大的击穿电压。优化横向变掺杂，就是在表面薄层引入一个掺杂 的理想分布函数，从而使表面电场达到或接近一个理想的均匀分布。 图1 - 5 表面电场分布 s t e n g l 等提出直接在轻掺杂表面做随距离变化的掺杂分布来降低表面电场，称 为横向变掺杂技术( v l d ) t 7 4 】。杂质浓度分布从栅到漏极是渐变的，理论上可以得到 最佳的表面电场，而且所占用的芯片面积最小。 为了工艺上与大规模集成电路的制造工艺兼容，v l d 形成所用的掩模版可用 不同距离和大小的开窗口组成，经过杂质注入扩散后，掩模结构造成的杂质浓度 的不连续性实质上被消去，如图1 - 6 ，通过优化窗口的间距和开口大小可达到近似 线性的分布【7 5 7 8 1 。h a r d i k a r 采用c m o s 工艺研制了横向变掺杂l d m o s ，如图1 7 ， 磷注入 靴麟模一叵型= 兰二兰兰二兰当 分布 横向距禹 图1 - 6v l d 结构掩模及杂质浓度分布 与常规器件相比，导通电阻下降近一半【7