（微电子学与固体电子学专业论文）基于电荷平衡的横向功率器件研究.pdf

摘要 摘要 高速、低损耗、可集成的横向功率器件是功率集成电路( p o w e ri n t e g r a t e d c i r c u i t ：p i c ) 的核心和关键。本文以横向功率器件为研究对象，从分析电荷非平 衡对器件性能影响，特别是对器件击穿电压的影响入手，提出了一种基于电荷平 衡效应的横向功率器件优化设计新方法。根据电中性原理，通过引入附加电荷产 生的附加电场来调制原有电场，达到新的电场优化，从而提高器件击穿电压。主 要创新工作包括： ( 1 ) 具有多等位环结构的l d m o s ( m e r - l d m o s ) 。提出一种多等位环的高 压屏蔽新结构m e r l d m o s ，该结构通过等位环与硅表面直接相连，使等位环电 势与硅表面电势保持一致，降低或者消除了器件硅表面的高压互连线( h i g hv o l t a g e i n t e r c o n n e c t i o n ，简称h v i ) 场致电荷，提高了器件耐压，实现了屏蔽h v i 场致电 荷的目的。在此基础上，针对m e r l d m o s 结构的击穿电压受相邻等位环间距大 小影响的不足，提出了改进型m e r - l d m o s 结构，通过改变等位环结构形状，进 一步实现了对h v i 场致电荷的屏蔽作用，器件击穿电压达到8 2 0 v 。 ( 2 ) 具有部分n 埋层的s j l d m o s ( s u p e rj u n c t i o nl d m o s ) 。提出一种具 有部分n 埋层的s j l d m o s 新结构，该结构在s j l d m o s 的p 衬底与s j ( s u p e r j u n c t i o n ) 柱区之间引入部分n 埋层，消除了常规s j l d m o s 中衬底辅助耗尽效应 的影响，使s j 部分的n 柱区电荷与p 柱区电荷达到平衡，提高了器件击穿电压。 同时，n 埋层还有助于降低器件的正向导通电阻。分析结果表明，本文提出的具 有部分n 埋层的s j l d m o s 结构具有高的击穿电压，较小的比导通电阻和较好的 工艺兼容性。 ( 3 ) 具有非均匀n 埋层的高压s j l d m o s 。借助横向变掺杂技术，提出一种 具有非均匀n 埋层的高压s j l d m o s 新结构，该结构在常规s j l d m o s 的p 衬底 与s j 柱区之间引入非均匀n 埋层，不仅消除了衬底辅助耗尽效应，使器件表面电 场分布均匀，而且确保了n 柱区在整个漂移区内的高浓度掺杂。分析结果表明本 文提出的具有非均匀n 埋层高压s j l d m o s 新结构，其击穿电压可高达7 0 0 v 甚 至1 3 0 0 v 的，而且具有较小的正向导通电阻。 ( 4 ) 具有阶梯掺杂表面注入层的s o ls j l d m o s 。提出一种具有阶梯掺杂表 面注入层的s 0 1s j l d m o s 新结构，该结构消除了常规s o ls j l d m o s 结构中的 摘要 场致效应的影响，使s j 部分的n 柱区电荷与p 柱区电荷达到平衡，表面电场分布 均匀，提高了器件击穿电压，且高浓度的表面注入层有利于降低其正向导通电阻。 分析结果表明，本文提出的具有阶梯掺杂表面注入层的s o is j l d m o s 器件击穿 电压比常规s o is j l d m o s 器件击穿电压提高5 5 ，同时比导通电阻降低3 7 4 。 此外，本文还对双极型功率晶体管中非平衡电荷( 非平衡载流子) 对晶体管 电流增益的影响进行了研究，该研究结果特别适用于功率集成电路中的横向双极 型功率晶体管，具体如下： 基于双极型功率晶体管在大电流工作模式下所具有的大注入效应，本文首次 从理论上分析了工作在饱和区或准饱和区状态下基区非平衡少子被正偏的基极电 极所抽取的现象，分析了基极少子抽取对双极型功率晶体管电流增益的影响以及 基区局部重掺杂对双极型功率晶体管电流增益的影响，理论分析结果与实验结果 基本吻合。 关键词：功率器件，功率集成电路，超级结，击穿电压，比导通电阻 i i a b s t r a c t a b s t r a c t h i 曲s p e e d , l o wl o s sa n di n t e g r a t e dl a t e r a lp o w e rd e v i c ei st h ek e yd e v i c ei np i c ( p o w e ri n t e g r a t e dc i r e u i o t h i sd i s s e r t a t i o nm a j o r so ns t u d y i n gt h ei m p a c to fc h a r g e u n b a l a n c eo nt h ep e r f o r m a n c eo ft h el a t e r a lp o w e rd e v i c e ，e s p e c i a l l yo nt h eb r e a k d o w n v o l t a g e an e wd e s i g nm e t h o db a s e do nc h a r g eb a l a n c ee f f e c tt oi m p r o v et h el a t e r a l p o w e rd e v i c ei sp r o p o s e di nt h i sd i s s e r t a t i o n a c c o r d i n gt ot h en e u t r a le q u i l i b r i u m p r i n c i p l e ，a d d i t i o n a lc h a r g e sa r ei n t r o d u c e dt op r o v i d ea d d i t i o n a le l e c t r i cf i e l dw h i c h m o d u l a t e st h ep r i m a r ye l e c t r i cf i e l dd i s t r i b u t i o nr e s u l t i n gi nt h en e w o p t i m i z e de l e c t r i c f i e l dd i s t r i b u t i o na n dt h eb r e a k d o w nv o l t a g ei si m p m v e d t h ed e t a i lc o n t r i b u t i o n so ft h e d i s s e r t a t i o na l el i s t e da sf o l l o w i n g s ： ( 1 ) t h el d m o s 谢mm u l t i p l ee q u i p o t e n t i a lr i n g s ( m e r - l d m o s ) ：an o v e l s t r u c t u r ew i t l lm u l 邱l ee q u i p o t e n t i a lr i n g st os h i e l dt h ei n f l u e n c eo fah i g hv o l t a g e i n t e r c o n n e 碰i o n ( h v i ) i sp r o p o s e d t h ee r ( e q u i p o t e n t i a lr i n g ) c o n n e c t e dt ot h e s e m i c o n d u c t o rs u r f a c em a k e st h es a m ep o t e n t i a lf o rb o mt h ee ra n ds e m i c o n d u c t o r s u r f a c e , 谢也t h er e s u l tt h a tt h ea d d e dc h a r g e si nt h es e m i c o n d u c t o rs l l l f a c ei n d u c t e db y h v ia r er e d u c e do re l i m i n a t e dc o m p l e t e l ya n db l o c k i n gc a p a b i l i t yo ft h ed e v i c eu n d e r i n f l u e n c eo fah v ii si m p r o v e d m o r e o v e r , i th a sb e e nd e m o n s t r a t e dt h a tt h eb r e a k d o w n v o l t a g eo fm e r - l d m o sa l ed e p e n d e do nt h es p a c i n gb e t w e e nt h ea d j a c e n t e q u i p o t e n t i a lt i n g s a ni m p r o v e dm e r - l d m o ss t r u c t u r ee m p l o y i n gt h em u l t i p l es t e p s h a p e de q u i p o t e n t i a lr i n g ss t r u c t u r ei no r d e rt oo v e r c o m et h ed i s a d v a n t a g e so ft h e m e r - l d m o si s p r o p o s e d w i t c hf u r t h e rs h i e l d st h ei n f l u e n c eo fh v ia n dt h e b r e a k d o w n v o l t a g eo ft h ei m p r o v e dm e r - l d m o sa c h i e v e s8 2 0 v ( 2 ) n o v e ls j l d m o sw i 廿lp a r t i a ln - b u r i e dl a y e r ：an o v e ls u p e rj u n c t i o n ( s o l d m o s ( s j - l d m o s ) 谢mp a r t i a ln - b u r i e dl a y e ri sp r o p o s e d t h ep r o p o s e ds t r u c t u r e e m p l o y sap a r t i a ln - b u r i e dl a y e ri m p l e m e n t e db e t w e e nt h es jr e g i o na n dps u b s t r a t e w h i c ho v e r c o m e st 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 tt h u sa c h i e v i n gt h e c h a r g e c o m p e n s a t i o nb e t w e e nt h ena n dpp i l l a r s ，w h i c hr e a u l t si nt h ei m p r o v e m e n ti nt h e b r e a k d o w nv o l t a g e t h en - b u r i e dl a y e ra l s op r o v i d e sal o wc u r r e n tp a t hi nt h eo n - s t a t e 3 dd e v i c es i m u l a t i o n si n d i c a t et h a tt h ep r o p o s e dd e v i c ef e a t u r e sh i 曲b r e a k d o w n i i i a b s t r a c t v o l t a g e ，l o wo nr e s i s t a n c ea n d r e d u c e ds e n s i t i v i t yt od o p i n gi m b a l a n c ei nt h ep i l l a r s ( 3 ) h i g hv o l t a g es j - l d m o s 丽ln o n - u n i f o r mn - b u r i e dl a y e r ：b a s e do nt h e v a r i a t i o nl a t e r a ld o p i n g ( v l d ) t e c h n o l o g y , t h en e ws 觚c t u r ew i t han o n - u n i f o r m n - b u r i e dl a y e ri sp r o p o s e dt oe l i m i n a t et h es u b s t r a t e - a s s i s t e dd e p l e t i o ne f f e c t t h ek e y f e a t u r eo ft h i sn e ws t r u c t u r ei st h a tan o n - u n i f o r mn - b u r i e dl a y e ri si m p l e m e n t e d b e t w e e nt h es jr e g i o na n dps u b s t r a t ew h i c hp r o v i d e sau n i f o r md i s t r i b u t i o no fs u r f a c e e l e c t r i cf i e l da n de n s u r e st h eh e a v i l yd o p e dn p i l l a r se x t e n d i n go v e rt h ee n t i r ed r i r r e g i o n t h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h eb r e a k d o w nv o l t a g e o ft h e p r o p o s e d s j - l d m o sc a nb ee a s i l ya c h i e v e dm o r et h a n7 0 0 ve v e nm o r et h a n13 0 0 vw i mu l t r a l o wo n r e s i s t a n c e ( 4 ) s 0 1s j l d m o s 埘t l ls t e pd o p i n gs u r f a c e i m p l a n t e dl a y e r ：t h en e ws o i ( s i l i c o no ni n s u l a t o r ) s j - l d m o sw i ms t e pd o p i n gs u r f a c e - i m p l a n t e dn - t y p el a y e ri s p r o p o s e da n do p t i m i z e d t h ep r o p o s e ds t r u c t u r eo v e r c o m e st h ef i e l de f f e c ta c t i o ni n c o n v e n t i o n a ls o is j - l d m o sd e v i c e st h u sa c h i e v i n gt h ec h a r g ec o m p e n s a t i o nb e t w e e n t h ena n dpp i l l a r s 嬲w e l la sad e a l u n i f o r me l e c t r i cf i e l dd i s t r i b u t i o ni nt h ed r i rr e g i o n i nt h eo f f - s t a t e t h es u r f a c e - i m p l a n t e dl a y e ra l s op r o v i d e sal o wc u r r e n tp a t hi nt h e o n s t a t e t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a ta ni n c r e a s ei nt h eo f f - s t a t eb r e a k d o w nv o l t a g e b y5 5 a n dar e d u c t i o no ft h es p e c i f i co n - r e s i s t a n c eb y3 7 4 a l eo b t a i n e df o rt h e p r o p o s e dd e v i c ew h e nc o m p a r e dw i t ht h o s eo f t h ec o n v e n t i o n a lo n e f i n a l l y , t h i sd i s s e r t a t i o na l s o s t u d i e so nt h ei n f l u e n c eo fi m b a l a n c ec h a r g e ( n o n - e q u i l i b r i u mc a r r i e r ) o nc u r r e n tg a i no fb i p o l a rp o w e rt r a n s i s t o r ( b p t ) t h es t u d y r e s u l t se s p e c i a l l ys u i tt h el a t e rb i p o l a rp o w e rt r a n s i s t o ri np i c t h ed e t a i l sa l e 勰 f o l l o w i n g ： b a s e do nt h eh i 班l e v e li n j e c t i o ne f f e c to c c u r r e di nt h eb i p o l a rp o w e rt r a n s i s t o r o p e r a t i n ga tt h eh i g hc u r r e n td e n s i t yc o n d i t i o n , t h ei n f l u e n c eo fm i n o r i t yc a r r i e r e x t r a c t e db yt h eb a s ee l e c t r o d eo nt h ec u r r e n tg a i no fb p tw h i c ho p e r a t i n gi nt h e s a t u r a t i o nr e g i o no rq u a s i - s a t u r a t i o nr e g i o ni sp r e s e n t e df i r s t l ya n ds t u d i e di nd e t a i l i ti s s u g g e s t e dt h a tt h em i n o r i t yc a r r i e re x t r a c t e db yt h eb a s ee l e c t r o d ei sr e s p o n s i b l ef o rt h e c u r r e n tg a i nc h a n g e b a s e du p o nt h i st h e o r y , as t r u c t u r ew i t hal o c a lh e a v i l y - d o p e db a s e ( l h d b ) t oi n c r e a s et h ec u r r e n tg a i ni sc l e a r l yi n v e s t i g a t e d t h ea n a l y t i c a lr e s u l t ss h o w ag o o da g r e e m e n t 谢t l lt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tr e s u l t s i v a b s t r a c t k e yw o r d s ：p o w e rd e v i c e ，p o w e ri n t e g r a t e dc i r c u i t s ( p i c ) ，s u p e rj u n c t i o n ( s j ) b r e a k d o w nv o l t a g e , s p e c i f i co nr e s i s t a n c e 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：蜮丕髦 日期年月日 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) 日期：年月 日 第一章绪论 第一章绪论 功率半导体器件在国内又常被称为电力电子器件，这是由于早期的功率半导 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 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 m u m c 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【m 】。功率集成电路( p o w e ri c ， 简称p i c ) 成为目前功率半导体器件的热点与快速发展领域，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 n ac 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， 其优越性不言而喻睁5 1 ，专家们把它的发展喻为第二次电子学革命 s l 。在功率集成 电路中，横向功率器件往往占据整个芯片面积的1 2 - 2 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。 1 1 横向功率器件的发展现状 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压降；在开关转换时，具有 短的开、关时间，能承受高的d i d t 和d v d t ，以及具有全控功能。事实上，不管是 纵向功率器件还是横向功率器件，学者们的研究也就是为了使功率器件向这一理 想情况无限靠近 7 1 。 横向功率器件的电极位于芯片的表面，易于通过内部连接实现与低压信号电 路及其它器件的相互集成。正是由于这些优点的存在，特别在功率集成电路迅速 电子科技大学博士学位论文 发展的驱动下，横向功率器件得到了很快的发展。目前，国际上主流的横向功率 器件主要有：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 及其 横向双极型晶体管l b j t 等。下面就横向功率器件的发展现状作一个简单的介绍。 1 1 1 横向双扩散m o s 管l d m o s 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1 1 所示【8 - 1 0 。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、不同的扩散 深度的扩散形成；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。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 st g g 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。 ( a ) ci 一 f 二也 k n 漂移区 i f j s i 0 2 + 材底 ( b ) 图1 - 1n 型l d m o s 剖面图( a ) 硅基l d m o s = ( b ) s o i 基l d m o s 鉴于以上特性，l d m o s 是一种适合应用于中低压工作电压范围的横向功率器 件，被广泛用于各种消费类电子产品中，如电子表中的相对高压部分、音响用的 功率放大器、开关电源、电子镇流器等。在p i c 中得到了迅速发展和应用，是功 率变换设计的重要器件。尽管l d m o s 在中低压范围内具有较低的导通电阻，但 是随着击穿电压的升高，导通电阻迅速上升，这是因为l d m o s 与其它多子器件 一样，受到“硅极限 的限制，即导通电阻如与击穿电压b v 成2 5 次方的关系【1 1 】。 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。 l d m o s 经过几十年的发展，产生一系列新技术和结构，这些新技术和结构很 2 第一章绪论 好的优化了l d m o s 耐压与比导通电阻等方面矛盾关系。其中最成功的就是 r e s i j l 婚( i 通d u c e x is 己f a c ef i e l d ) 技术以及由r e s u r f 技术衍生的一系列新器件 结构【1 2 - 1 4 。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比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。r e s u r f 技术的有关问题，我们将在下章给予讨论。除r e s u r f 之外，还 有一些常用的技术或结构，下面就这些技术或结构作一个简单的介绍。 陈星弼等人提出优化横向变掺杂( o p v l d ) 技术【1 5 - 1 6 ，它通过在器件表面引 入一个掺杂函数，能够使表面电场接近均匀分布，从而提高耐压。经过解析得出， 优化的横向变掺杂技术可以使漂移区达到平行平面结击穿电压的9 0 。而且根据 实际工艺提出了应用优化变掺杂的器件，该器件在耐压3 4 0 v 时，比导通电阻( 导 通电阻与器件面积的乘积) 为o 1 q c i n 2 ，已经十分接近于传统“硅极限 限制了。 结终端技术被广泛的应用于降低器件外部边缘处的表面高电场，提高器件整 体击穿电压。结终端技术同样可以应用于降低器件内部的表面高电场，唐本奇等 人利用横向结终端扩展( j t e ) 技术【1 7 】，优化器件的表面电场，缩短器件的漂移区 长度，降低导通电阻( 器件结构如图1 2 所示) 。r h e l d 等人利用半绝缘层多晶硅 ( s i p o s ) 场板技术【l 酊，优化了器件表面电场，从而提高击穿电压，实现了6 0 0 v 的l d m o s 。gc h a r i t a t 等人同样对具有s i p o s 的l d m o s 结构进行了模拟分析【1 9 1 。 w o n - s os o n 等人提出漂移区具有氧化层槽的l d m o s 结构( 器件结构如图1 3 所 示) 【2 0 】，该氧化槽能够降低器件栅附近的高电场，从而提高器件的击穿电压，降 低器件的导通电阻。 对于工作范围在几十伏范围内的l d m o s 功率器件，沟道电阻占有较大的比 重，为了减小此类器件的导通电阻，减小沟道电阻是一种非常有效的途径。y u s u k e k a w a g u c h i 等人提出横向槽栅l d m o s 结构( 器件结构如图1 _ 4 所示) 2 1 】。此结构 在硅衬底上刻槽，形成折叠栅结构，使沟道密度加倍，从而实现了击穿电压为2 5 v ， 比导通电阻为1 2 r e q - t u r n 2 。z h uy u a n z h e n g 等人提出类似结构( 器件结构如图1 5 所示) 瞄】，结果表明这种结构比普通l d m o s 的比导通电阻减小了4 0 ，而且跨 导提高了8 0 。在此基础上，段宝兴等人提出具有折叠硅表面( f s o i l d m o s ) 新结构 2 3 】，这种结构不仅将硅表面从沟道到漏端的导电层刻蚀成相互排列的折叠 状，且将栅电极在较薄的场氧化层上一直扩展到漏端，从而在漂移区表面形成多 子积累，大大降低了器件的导通电阻。 3 电子科技大学博士学位论文 拿户ds g ，一i ：蛾：互二：o ：二_ ：童：l _ 蔓：li fn + 7 巴歹、p 夕n + l 旦， f s n 漂移区 【 j一。，一 j 一蔓贮： n + + ， 一 p f ： ! 一一 图1 2 具有j t e 的l d m o s 器件结构图l 一3 具有槽形场氧的l d m o s 器件结构 譬d p 衬底 图1 4 槽栅l d m o s 器件结构图1 5 折叠栅l d m o s 器件结构 vk h e m k a 等人提出f l o a t i n gr e s u r f ( f r e s u r f ) l d m o s 结构( 器件结构 如图1 - 6 所示) 【2 引，该结构在常规的r e s u r fl d m o s 的漏极下面插入一个重掺 杂的n 型浮空层。该结构不仅实现了高的击穿电压，还大大降低了导通电阻。击 穿电压为4 7 v 时比导通电阻仅为0 2 8 m f 2 c m 2 ，击穿电压为9 5 v 时比导通电阻为 0 8 2 m f 2 c m 2 。张波等人提出具有n + 浮空层的体电场降低l d m o s 结构( r e b u l f l d m o s ，器件结构如图1 7 所示) 2 5 】。该结构通过嵌入在高阻衬底中n + 浮空层的 等电位调制作用，提高源端体内低电场而降低漏端体内高电场使纵向电场重新分 配，同时使衬底耐压提高。新结构较常规l d m o s 结构的击穿电压提高7 5 以上。 s o i ( s i l i c o no ni n s u l a t o r ) 基l d m o s 作为s o i 高压集成电路的基石，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。由于受s o i 基纵向耐压的限 制，当前s o i 基l d m o s 最核心的问题是如何突破6 0 0 v 耐压瓶颈，以满足千伏级 h v i c 的需要【2 6 1 。众多国际学者在提高s o il d m o s 耐压方面也开展了大量的研究 工作。j k p a r k 等人，r a m a k r i s h n a 等人分别对部分s o i ( p s o i ) 高压器件进行了 研究【卜蹦j ，通过硅窗口，不仅可以将电势从外延层引向衬底，提高了器件纵向耐 压能力，而且有利于降低s o i 器件中的自热效应( 器件结构如图1 8 所示) 。段宝 4 一 遣 i 一 一 心一 箢 一 矗! 珏 一 |_一j 一一二 一 一 第一章绪论 兴等人在此基础上，通过在常规p s o i 高压器件硅窗口下嵌入p 埋层e 2 9 1 ，从而更加 优化了器件表面电场，提高器件击穿电压( 器件结构如图1 - 9 所示) 。 图1 6f r e s u r f 器件结构图1 7r e b u l fl d m o s 器件结构 图1 - 8p s o il d m o s 器件结构 图1 - 9 具有p 埋层的p s o il d m o s 器件结构 z h a n gs h e n g d o n g 等人利用线形变掺杂( v l d ) 技术【3 0 l ，在顶层硅厚度( 乞) 为0 2 1 a m ，埋氧层厚度( 乞) 为3 t t m 的薄膜s o i 上制作出击穿电压为6 1 2 v ，比导 通电阻为o 5 q c m 2 的高压器件。a kp a u l 等人利用类似技术【3 ，在顶层硅厚度为 o 1 5 p r o ，埋氧层厚度为4 1 1 m 的薄膜s o i 上制作出击穿电压为1 0 2 0 v ，比导通电阻 为0 6 f l 锄2 的高压器件。另外，这种技术也被应用于体硅上，s h y a nh a r d i k a r 等人 利用v l d 技术【3 2 1 ，在体硅上实现了1 4 0 0 v 的击穿电压。何进等人将这种技术与 r e s u r f 技术结合，同样优化了器件击穿电压和导通电阻的关系p 引。 罗小蓉等人提出复合介质埋层的s o il d m o s 器件结构( 器件结构如图1 1 0 所示) 3 4 1 。该结构的源端和漏端分别采用不同介电系数的埋层，提高了器件漏端 埋层电场，与常规s o i 器件相比，埋层电场和击穿电压分别提高了8 2 和5 8 。 郭宇锋等人通过在s i s i 0 2 界面处引入阶梯分布的固定电荷，根据高斯定理，s i s i c h 界面处引入的固定电荷能够提高埋层电场，从而提高器件击穿电压【3 5 1 。基于相同 思想，罗小蓉等人提出的具有屏蔽槽结构的s o il d m o s 器件新结构( 器件结构如 图1 1 l 所示) ，同样较大的提高了s o i 高压器件的击穿目g s e 3 6 - 3 7 1 。这是因为该结构 在s i s i 0 2 界面处形成从源到漏逐渐递增的自适应界面电荷，自适应电荷在对纵向 电子科技大学博士学位论文 电场调制的同时还改善了器件横向电场分布，因而可以大大提高器件的耐压。 ；- ；：；：；：i ：i ：! ：! ：! ：! ：i ：i ：i ：；：；：；：；：! ：j ：；：j ：i ：! f纠 。型 迂 f s 田门阳日同臼阳冈臼门田朗 ：一 ：|： 0 ；：j ：! ： t n 图1 1 0 复合介质埋层l d m o s 器件结构图1 - 11 具有局域屏蔽槽的l d m o s 器件结构 段宝兴等人提出单面阶梯埋氧型( 器件结构如图1 1 2 所示) 【3 8 】和双面阶梯埋 氧型s o il d m o s 结构( 器件结构如图1 1 3 所示) 3 9 - 4 0 。这些结构通过在阶梯处 电荷的积累，使s o i 器件纵向电场突破了传统限制，埋氧层的电场可以达到 起到调制作用。 图1 1 2 单面阶梯埋氧层l d m o s 器件结构图1 1 3 双面阶梯埋氧层l d m o s 器件结构 1 1 2 横向绝缘栅双极型晶体管l i g b t 横向绝缘栅双极型晶体管( l a t e r a li n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ) 简称 l i g b t ，也是目前十分常用的一类横向功率晶体管【4 1 1 。它靠阳极注入的非平衡载 流子( 少子) 与漂移区内的多子同时参与导电，结合了m o s 器件的栅控特性和双 极型晶体管的高耐压、低导通损耗的特点，具有广泛的用途。从结构上讲，它与 普通的l d m o s 几乎相同，只是把l d m o s 漏极的n + ( 对n 沟道l d m o s ) 换成 了p + 而已。从特性上讲它具有控制简单( 属于场控器件) ；在耐压高的同时能做到 较小的导通电阻( 有电导调制效应) ；电流密度大；大的安全工作区；易于c m o s 电路集成等优点。然而，由于l i g b t 是双极载流子导电，漂移区有电导调制效应， 在反向关断的时候需要首先抽取漂移区内多余的少子，这个抽取过程需要时间， 6 第一章绪论 因此器件具有开关速度相对较慢；有二次击穿等缺点。相对于l d m o s 器件，l i g b t 由于有电导调制效应，能够应用于更高的工作电压范围。但由于横向器件不容易 做到超高耐压、超大电流，所以l i g b t 不能应用于超大功率场合( 比如高压输出， 机电牵引等) ，而只能用于一些中小功率的情形。 与l d m o s 器件不同的是，在设计l i g b t 器件时，设计者不仅关心器件击穿 电压与导通电阻( 也用正向压降来衡量) 的关系，而且也十分关注反向关断时间 这个参数。这是因为，与纵向i g b t 一样，漂移区电导调制越充分，漂移区存储的 多余少子就越多，越有利于降低器件正向导通电阻，然而，漂移区存储的过多少 子在反向关断时需要更长的关断时间，这两者之间的矛盾关系同样决定着l i g b t 的整体性能。众多的研究学者们正是不断优化这些参数之间的关系，从而推动着 l i g b t 不断向前发展。在优化击穿电压与导通电阻之间的矛盾关系方面，l d m o s 中常用的方法大多可以移至到l i g b t 结构上来。 众所周知，体硅上的l i g b t 存在很大的衬底泄漏电流，因此，目前l i g b t 大多 是采用s o i 衬底。对于常规l i g b t 结构，h i t o s h is u m i d a 等人在顶层硅厚度为 1 0 1 t i n 4 2 ，二氧化硅层厚度为1 “m 的s o i 上实现了耐压为2 0 0 v 的l i g b t 用于p d p 驱动 电路。d m g a r n e r 等人在顶层硅厚度为4 “m 【4 3 】，二氧化硅层厚度为3 p m 的s o i 上实 现了耐压为4 0 0 v 的l i g b t 。a l e xq h u a n g 在项层硅厚度为0 5 1 x m ，二氧化硅层厚度 为3 “m 的s o i 上实现了耐压为4 5 0 v 的l i g b t 【4 4 1 。i c h i r oo m u r a 等人在顶层硅厚度为 1 0 i _ t m ，二氧化硅层厚度为3 p m 的s o i 上实现了耐压为4 0 0 v 的l i g b t 4 5 1 。 此外，y m g - k e u n gi u n g 等人采用d 技术1 4 6 1 ，在顶层硅厚度为0 5 l a m ，二氧 化硅层厚度为4 1 a m 的s o i 上实现了耐压为7 2 0 v 的l i g b t 。h w k i m 等人采用双层 外延层( n 外延和p 外延) 【4 n ，在硅层厚度为5 哪，二氧化硅层厚度为2 凹1 的s o i 上实现了耐压为1 2 5v 的i g b t 。 为了减小关断时间，一个方法是用高能质子或电子辐照，使半导体中产生复 合中心，降低少子寿命。但是，降低少子寿命，也会增加器件的导通电阻。电子 科技大学方键博士在此领域作了大量工作【鹌1 。 另外一个方法是阳极金属下做一个n 十区，即所谓的阳极短路。它使得n 基区 有一个直接通道，在有电流时，p + 区注射效率降低，注入少子数量减少，而且在 关断时，非平衡载流子( 少子) 也有另外一条通道抽出基区，减小关断时间( 器 件结构如图1 1 4 所示) 。只是，由于关断时，电流会流经阳极p + 区下方，形成压将， 增加p + 区向n 区额外的注入，对关断不利。针对上述情况，j o k n n yko s i n 等人提 出分段阳极l i g b t ( 器件结构如图1 1 5 所示) 【4 9 1 ，当需要基区