（微电子学与固体电子学专业论文）集成化功率mos器件与终端技术的研究.pdf

摘要 论文题目： 学科名称： 研究生： 指导教师： 集成化功率m o s 器件与终端技术的研究 微电子学与固体电子学 于凯 王彩琳教授 摘要 签名： 签名： 功率集成电路( p o w e ri n t e g r a t e dc i r c u i t ，p i c ) 由于其系统的可靠性和稳定性高，功耗 低、体积小，重量轻、成本低等优势，已被广泛运用于消费电子、网络通信、计算机、工 业控制等领域。作为p i c 核心的d m o s 器件的特性直接决定了整个电路的性能。 本文立足于p i c 中的核心功率器件，首先简要分析了r e s u r fl d m o s 器件的结构 特点及其工作机理，利用i s e 软件对6 0 0 vr e s u r fl d m o s 的各项特性进行了研究，提 取了优化设计的结构参数。其次，基于现有的f g l d m o s 和t p m o s 结构，通过改进得 到了一种三维沟槽一平面栅l d m o s ( 3 d t p l d m o s ) 结构，并对其工作机理和各项特性 进行了研究。最后，重点研究了d m o s 器件的各种结终端技术，并在现有的台面及沟槽 终端基础上，提出了两种可用于d m o s 器件的浅槽负斜角和深槽正斜角终端新结构，研 究了其耐压机理和击穿特性，并给出了优化设计的关键结构参数。主要研究内容如下： 首先，研究了6 0 0 vs i n g l e 和d o u b l er e s u r fl d m o s 的特性，提取优化设计的结构 参数。对具有v l dr e s u r fl d m o s 和浮置p 区l d m o s 器件结构分别进行了特性模拟 与分析。结果表明，d o u b l er e s u r f 结构能够很好的协调器件导通电阻与阻断电压之间 的矛盾关系；浮置p 区r e s u r fl d m o s 和v l dr e s u r fl d m o s 结构可提高外延层的 掺杂浓度、改善器件表面电场分布，进一步改善器件的导通特性和阻断特性。 其次，在现有的f g l d m o s 和t p m o s 结构基础上，通过改进得到了一种 3 d t p l d m o s 结构，并对其导通、阻断及电容特性进行了模拟分析。结果表明，在相近 的耐压下，3 d t p l d m o s 器件比3 d 一平面栅l d m o s 具有更低的导通电阻，但沟槽造型 对其特性影响很大。当槽深为2 岬、槽宽为1 5 9 m 时，3 d t p l d m o s 能在各特性问取得 很好折衷。 最后，基于现有的台面和沟槽终端结构，提出两种适用于功率d m o s 器件的浅槽负 斜角和深槽正斜角结构，研究了其耐压机理和击穿特性，讨论了关键结构参数对其表面击 穿电压的影响。结果表明，浅槽负斜角和深槽正斜角结构分别可以实现其体内平行平面结 约9 2 6 和1 0 0 的击穿电压，并且两者所占用的终端面积远小于场限环终端所占的面积。 本文研究成果对开发新型功率m o s 器件和改善p i c 性能有一定的参考价值。 关键词：功率集成电路；r e s u r fl d m o s ；沟槽平面栅；结终端；优化设计 蓑 西安理工大学硕士学位论文 一t _ 一 i i a b s t r a c t t i t l e ：r e s e a r c ho nt h el n t e g r a t e dp o w e rm o s f e td e v i c e s a n dt e r m i n a t l o nt e c h n i q u e s m a j o r ：m i c r o e l e c t r o n i c sa n ds o l i d s t a t ee l e c t r o n i c s n a m e ：k a iy u s i g n a t u r e ：丝丝 s u p e r v i s o r ：p 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 ： p o w e ri n t e g r a t e dc i r c u i t s ( p i c ) h a v et h ea d v a n t a g e so fh i g hr e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t y , l o w p o w e rd i s s i p a t i o n ，s m a l ls i z e ，l i g h tw e i g h ta n dl o wc o s t t h u si t h a sb e e nw i d e l yu s e di n c o n s u m e re l e c t r o n i c s ，n e t w o r kc o m m u n i c a t i o n ，c o m p u t e r ，i n d u s t r i a lc o n t r o la n do t h e rf i e l d s d m o sd e v i c e sa r et h ec o r eo fp i c ，w h i c ht h ec h a r a c t e r i s t i c sw i l ld e t e r m i n ed i r e c t l yt h e p e r f o r m a n c eo ft h ee n t i r ec i r c u i t i nt h i st h e s i s ，t h es t r u c t u r a lf e a t u r e sa n dt h eo p e r a t i o nm e c h a n i s mo fr e s u r fl d m o s d e v i c e sa r eb r i e f l ya n a l y z e d ，a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so f6 0 0 vr e s u r fl d m o sa r es t u d i e d u s i n gi s es o f t w a r e ，t h eo p t i m a ls t r u c t u r a lp a r a m e t e r sa r ee x t r a c t e d s e c o n d l y , a ni m p r o v e d 3 d t r e n c hp l a n n e rl d m o ss t r u c t u r ei sp r e s e n t e do nt h eb a s i so ft h ef g l d m o sa n dt p m o s s t r u c t u r e ，a n dt h em e c h a n i s ma n dt h ec h a r a c t e r i s t i c sa r es t u d i e d f i n a l l y , v a r i o u sj u n c t i o n t e r m i n a t i o nt e c h n i q u e so fd m o sd e v i c e sa r es t u d i e db a s e do nt h ee x i s t i n gm e s aa n dt r e n c h t e r m i n a t i o n s ，ap o s i t i v eb e v e ld e e pt r e n c ha n dan e g a t i v eb e v e ls h a l l o wt r e n c ht e r m i n a t i o n s t r u c t u r e su s e di nv d m o sd e v i c e sa r ep r e s e n t e d ，a n dt h eo p t i m a ld e s i g n e ds t r u c t u r a l p a r a m e t e r sa r eg i v e n t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h ec h a r a c t e r i s t i c so f6 0 0 vs i n g l ea n dd o u b l er e s u r fl d m o s a r er e s e a r c h e d ，t h e o p t i m a ls t r u c t u r a lp a r a m e t e r sa r ee x t r a c t e d t h ec h a r a c t e r i s t i co fr e s u r fl d m o s w i t hv l d a n df l o a t e dpl a y e rs t r u c t u r e sa r es i m u l a t e da n da n a l y z e dr e s p e c t i v e l y t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e c o n t r a d i c t o r yr e l a t i o n sb e t w e e n t h eb l o c k i n g - v o l t a g ea n dt h eo n - r e s i s t a n c ec a nb ew e l l c o o r d i n a t e du s i n gd o u b l er e s u r fs t r u c t u r e ，w i t hf l o a t e dpl a y e ra n dv l d r e s u r fl d m o s s t r u c t u r e ，t h ec o n c e n t r a t i o na n dt h ed i s t r i b u t i o no fs u r f a c ee l e c t r i cf i e l do fe p i t a x i a ll a y e rc a n b e i m p r o v e d ，t h eo n s t a t ea n db l o c k i n gc h a r a c t e r i s t i c sa r ef u r t h e ri m p r o v e d s e c o n d l y , a3d t p l d m o ss t r u c t u r ei so b t a i n e do nt h eb a s i so fe x i s t i n gf g l d m o sa n d t r e n c hp l a n a rm o ss t r u c t u r e ，a n dt h eo n s t a t e ，t h eb l o c k i n ga n dt h ec a p a c i t a n c ec h a r a c t e r i s t i c s a r es i m u l a t e da n da n a l y z e d t h er e s u l t ss h o wt h a t3d t p l d m o sh a st h es m a l l e ro n s t a t e r e s i s t a n c eb yc o m p a r e dw i t h3 d p l a n n e rl d m o su n d e rt h ec l o s eb r e a k d o w nv o l t a g ec o n d i t i o n ， b u tt h es h a p eo ft h et r e n c hh a sag r e a ti n f l u e n c eo nt h ec h a r a c t e r i s t i c so f3 d t p l d m o s ，a n d t h eb e t t e rt r a d e o f fc h a r a c t e r i s t i c sc a nb eo b t a i n e dw h e nt h et r e n c hd e p t hi s2 p ma n dt r e n c h w i d t hi s1 5 9 m t l t 西安理工大学硕士学位论文 l a s t l y , b a s e do nt h ee x i s t i n gm e s aa n dt r e n c ht e r m i n a t i o ns t r u c t u r e s ，ap o s i t i v eb e v e ld e e p t r e n c ha n dan e g a t i v eb e v e ls h a l l o wt r e n c ht e r m i n a t i o ns t r u c t u r e ss u i t e df o rv d m o sd e v i c e s a r ep r e s e n t e d ，t h ev o l t a g ew i t h s t a n dm e c h a n i s mi ss t u d i e d ，t h ei n f l u e n c e so fk e ys t r u c t u r a l p a r a m e t e r so nt h es u r f a c eb r e a k d o w nv o l t a g ea r ed i s c u s s e d 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 ed e v i c ew i t hn e g a t i v eb e v e ls h a l l o wt r e n c ha n dp o s i t i v eb e v e ld e e p t r e n c ht e r m i n a t i o ns t r u c t u r ec a nb eo b t m n e dr e s p e c t i v e l ya b o u t9 2 6 a n d10 0 o ft h e b r e a k d o w nv o l t a g eo ft h ep a r a l l e l p l a n ej u n c t i o n ，a n db o t ho ft e r m i n a t i o nr e g i o na r e a sa r ef a r l e s st h a nt h a to ff i e l dl i m i t i n gr i n gt e r m i n a t i o ns t r u c t u r e t h er e s e a r c hr e s u l t sh a v es o m er e f e r e n c ev a l u eo nd e v e l o p i n gn e w p o w e rm o s f e td e v i c e s a n d i m p r o v i n gp i cp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：p o w e ri n t e g r a t e dc i r c u i t ( p i c ) ，r e s u r fl d m o s ，w e n c h p l a n n e rg a t e ， i v j u n c t i o nt e r m i n a t i o n ，o p t i m a ld e s i g n 目录 目录 1 绪 仑1 1 1p i c 的发展前景及其关键问题1 1 2 集成化硅功率m o s 器件的发展3 1 3p i c 的工艺技术的发展5 1 4 本文主要工作7 2 集成化功率m o s 器件理论分析8 2 1 功率m o s 器件的类型与特点8 2 1 1l d m o s 结构分类8 2 2l d m o s 器件的工作机理1 1 2 2 1 传统l d m o s 的工作机理1 1 2 2 2r e s u r fl d m o s 的工作原理1 1 2 3r e s u r fl d m o s 特性分析1 2 2 3 1i v 特性1 2 2 3 2 阻断特性1 3 2 3 3 通态特性15 2 3 4 电容特性1 6 2 4 本章小结1 7 36 0 0 vr e s u r fl d m o s 器件的特性研究18 3 1s i n g l er e s u r fl d m o s 的特性研究18 3 1 1 漂移区浓度对器件特性的影响1 8 3 1 2 漂移区长度对器件特性的影响1 9 3 1 3 外延层厚度对器件特性的影响2 l 3 1 4 衬底浓度对器件特性的影响2 2 3 1 56 0 0 vs i n g l er e s u r fl d m o s 的优化参数提取2 2 3 26 0 0 vd o u b l er e s u r fl d m o s 器件的特性研究2 3 3 2 1 p 。d 层表面浓度对器件特性的影响2 4 3 2 2 p t o d 层长度对器件特性的影响2 5 3 2 3 p t o 。层与p w e l l 间距对器件特性的影响2 6 3 2 4 关键参数优化及对比2 6 3 3 具有浮置p 区与v l d 的r e s u r fl d m o s 结构的特性研究2 7 3 3 1 具有浮置p 区的r e s u r fl d m o s 结构的特性研究2 7 3 3 2 具有v l d 的r e s u r fl d m o s 结构的特性研究一2 9 3 4 本章小结3 0 1 西安理工大学硕士学位论文 43 d - t p l d m o s 的研究3 1 4 13 d t p l d m o s 结构的提出3 1 4 23 d t p l d m o s 的工作机理3 2 4 3 沟槽结构参数对3 d t p l d m o s 特性的影响3 4 4 3 1 输出特性3 5 4 3 2 转移特性3 5 4 3 3 阻断特性3 7 4 3 4 开关特性3 8 4 4 与3 d 平面栅l d m o s 特性的比较3 8 4 4 1 阈值特性比较3 9 4 4 2 导通特性比较3 9 4 4 3 阻断特性的比较4 0 4 4 3 电容特性比较4 0 4 5 本章小结一4 1 5 结终端技术的研究一4 2 5 1 常用终端结构一4 2 5 。1 1 场板：4 2 5 1 2 场限环4 3 5 1 3 台面终端结构4 4 5 2 浅槽负斜角结构一4 4 5 2 1 耐压机理4 5 5 2 2 模拟结果及分析4 5 5 2 3 对比与验证4 7 5 3 深槽正斜角结构一4 8 5 3 1 结构特点4 8 5 3 2 耐压机理4 9 5 3 3 特性模拟及其结果分析5 0 5 4 各终端的结构特点比较5 2 5 5 本章小结一5 3 6 结论5 4 致谢5 5 附录：在读期问发表的论文6 1 2 1 绪论 1 绪论 电力电子技术的产生在人类科技发展历程中具有里程碑式的意义。目前电力电子技术 已被广泛运用于消费电子、网络通信、计算机、工业控制等众多领域，人们的生产和生活 已经紧密的同电力电子技术的发展连为一体。电力电子技术的核心是功率半导体器件，功 率半导体器件则包括了分立功率半导体器件和功率集成电路( p o w e ri n t e g r a t e dc i r c u i t ，简 称p i c ) 。作为电力电子技术的重要分支，p i c 涉及微电子、电力电子、材料物理、半导体 工艺等众多学科专业知识，具有系统可靠性、稳定性高，功耗、体积小，重量轻和成本低 等诸多优点，己成为国际研究热点，其产品也得到了广泛运用。目前，随着p i c 向功率 级片上系统( p o w e rs y s t e mo nc h i p ，简称p s o c ) 的发展，其中核心功率器件的特性及制作 工艺条件对p i c 的影响将更为显著【1 1 【2 】，因此，通过改善核心功率器件的性能或提高工艺 水平来提高系统集成度、降低功耗、提高工作效率是未来p i c 的主要研究方向。可以预 见，伴随着电力电子技术的发展，p i c 产业将迎来更大的发展机遇。 1 1p i c 的发展前景及其关键问题 p i c 通常分为高压集成电路( h v i c ) 和智能功率集成电路( s e r f ) 两类。其中h v i c 是 指将横向高压功率器件与起控制作用的逻辑电路或模拟电路集成在同一硅片上形成单片 集成电路；s p i c 是指将纵向高压功率器件与起控制作用的逻辑电路、模拟电路以及传感 保护电路单片集成在陶瓷或玻璃基片上形成的一种混合集成电路【3 j 。随着p i c 的发展，两 者之间的界限已经越来越模糊，现在已经将其统称为s p i c 或p i c 。典型的p i c 包括了接 口电路、信号处理电路、存储器、功率器件驱动电路、高压功率器件，此外p i c 中还集 成了温度、电压、电流等传感器，控制电路利用它们的传感数据对电路进行实时控制，保 证整个p i c 高效稳定安全的工作。 p i c 可用于许多领域，如图l l 所示【4 j ：耐压低于i o o v 的p i c 可用于各类消费电子 薹 重 b l o d d n gv o l t a g er a t i n g ，v 图1 一ip i c 的应用 f i g 1 1a p p l i c a t i o n so fp i c 西安理工大学硕士学位论文 的电源、汽车电子等；耐压在1 0 0 1 0 0 0 v 之间的p i c 可运用于显示驱动、通信电路、工 业控制、电子镇流器、电机控制等；耐压高于1 0 0 0 v 的p i c 可以用在机车牵引、高压直 流输电等领域。p i c 作为第四代电力电子器件，由于其优良的性能和广泛的应用领域，越 来越受到关注。 p i c 具有很强的综合性，所涉及的知识范围很广。图1 2 给出了p i c 的技术组成。p i c 设计首先要从电路类型、所采用器件、工艺兼容性、器件隔离及终端技术等五个方面进行 考虑，然后针对实际情况选取更具体的关键器件和工艺技术，完成最终的p i c 设计。 图1 - 2 功率集成电路技术组成 f i g 1 2c o m p o s i t i o no fp i c s t e c h n o l o g y p i c 实现了多器件的单片集成，使得系统中的元件数大为减少；在芯片内各器件实现 连接，使得系统布线长度减小、焊点数减少。这不仅提高了系统的可靠性、稳定性，而且 减少了系统的功耗、体积、重量和成本。 据迪赛顾问统计，2 0 0 7 2 0 1 1 年我国功率器件市场年复合增长率达到1 9 1 ，预计到 2 0 1 1 年，我国功率器件市场销售额将达到1 6 8 0 4 亿元人民币，这将是全球功率半导体市 场销售量的5 0 ，而其中份额最大的是p i c ，这说明了p i c 已经成为功率半导体市场的主 要增长点。我国中长期发展规划中也将p i c 列为未来1 0 1 5 年重点发展领域，足见其重 要性。目前，我国9 0 的功率半导体器件依赖于进口，仅有1 0 的产品由我国本土企业 生产和制造。由于国内企业工艺条件差、产品创新能力弱，导致其产品的质量和档次很低； 作为p i c 主要应用领域的电机和照明，其能耗几乎占据全球总能耗的7 0 。由于我国处 于经济快速发展时期，这种情况尤为显著。可见，设计开发国产p i c 产品对发展我国民 族产业、缓解我国能源紧张局面及构建和谐社会有重大的意义。 p i c 虽具有诸多优点，但其发展受以下几个问题的制约：一是p i c 中除了核心高压功 率器件，还包括b j t 、c m o s 、d i o d e 等有源器件，及电阻、电容等无源器件，要将这些器 1 绪论 件同时集成在同一硅片上，难免要在各器件的性能间进行折衷，这使得各器件无法达到其 最优性能，从而影响整个系统的性能；二是各种器件的制作工艺不同，若要实现工艺兼容， 必然会增加工艺的复杂度或芯片面积，这使得p i c 的生产成本增加；三是p i c 中高、低压 器件间的电磁隔离很重要，加上复杂的工艺及过大的芯片面积，产品的成品率很难保证。 以上这些问题都对p i c 的发展提出了新的挑战，可通过以下几条途径来解决： ( 1 ) p i c 的核心是功率半导体器件，要向更大功率、更强性能方向发展，p i c 必然要采 用性能更优的功率半导体器件。近年来，超结m o s f e t 的产生1 5 】、沟槽工艺的应用j 、i g b t 等器件的使用都使p i c 的性能得到了极大地提升，但如何通过工艺整合和器件结构的进一 步改进实现p i c 中各器件的工艺兼容并改善核心功率器件的特性，是未来p i c 发展中急需 解决的问题。 ( 2 ) 运用s o i 技术。s o i 技术被认为是下一代p i c 的核心技术。基于s o i 的p i c 较硅 基p i c 具有很多优点，如漏电流小、抗辐射能力强、占用面积小、隔离性能好等。这些 都为s o l 在p i c 中的应用提供了很好的基础。但如何提高功率处理能力、降低生产成本 是应重点考虑的问题。 ( 3 ) 采用新材料来提升p i c 性能。g a n 、s i c 材料具有禁带宽度宽、临界雪崩击穿电场 强度高、载流子迁移率高、导热性能好、抗腐蚀、抗辐射等优点，一直受到广泛关注，目 前已成为p i c 中的研究热点l 7 j ；但同时应该看到，基于g a n 、s i c 材料的分立功率器件研究 还不是很广泛，器件性能研究也不够深入，加之这些新材料制备工艺复杂、生产成本高， 它们在p i c 中的应用还有很长一段路要走。 ( 4 ) n p s o c 方向发展。通过进一步改善器件特性，提升工艺水平，可将更多的元器件 集成在面积更小的芯片上，这样系统的性能会更加完善、芯片面积会有所减小，生产成本 也随之降低。 1 2 集成化硅功率帅s 器件的发展 p i c 的核心是功率半导体器件，受到器件结构及工艺条件的制约，目前p i c 中的功率 器件大多采用功率m o s 器件。功率m o s 器件按电流方向可被分为横向功率m o s 器件 和纵向功率m o s 器件，其中横向功率m o s 器件又包括了横向双扩散m o s f e t ( l a t e r a l d o u b l ed i f f u s e dm o s f e t ，简称l d m o s ) l d m o s 和横向绝缘栅双极晶体管( l a t e r a l i 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 s ，简称l i g b t ) ，纵向功率m o s 器件包括i g b t 和v d m o s ； 按栅极结构又可分为沟槽栅和平面栅等。 功率m o s 的研制始于上个世纪7 0 年代，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，目前在分立功率半导体领域仍以 v d m o s 结构为主，占据着中低压、小功率、高频领域的大部分市场；而在p i c 应用中， l d m o s 器件则占据绝对领先的地位。l d m o s 早在1 9 7 2 年就被提出【8 j 。它的沟道由p 基 区和n 源区的横向扩散差形成，它也因此而得名。为了进一步改善l d m o s 的特性，1 9 7 9 西安理工大学硕士学位论文 年引入了一种改善表面电场( r e s u r f ) 一j 的概念，这是l d m o s 器件中最具革命性的技术 之一。r e s u r f 技术的引入，使得l d m o s 器件在较小的面积、较高的掺杂浓度下可以 获得较高的击穿电压，使器件的导通电阻与阻断电压间几乎成平方关系r 7 1 ，打破了“硅极 限”【1 。从此，l d m o s 的研究工作也基本围绕r e s u r f 技术而展开。为了进一步改善 器件的导通和阻断特性，多种基于r e s u r f 原理的器件结构被提出，先后有d o u b l e r e s u r fl d m o s t l l l 、浮置p 区l d m o s 1 2 1 、p 型多环结构r e s u r fl d m o s 13 1 、v l d r e s u r fl d m o s l l 4 儿1 5 】。2 0 0 9 年飞思卡尔半导体公司针对l d m o s 结构，提出一种横纵 向组合r e s u r fl d m o s 结构，它利用第二漂移区改善电场分布，提高器件耐压，最终 获得击穿电压1 5 0 v 、比通态电阻为1 5 9 m f ! 伽n 2 的优良器件【l6 i 。 1 9 9 3 年电子科技大学陈星弼院士提出的“复合缓冲层 结构p j ，后被发展为“超结 ( s u p e rj u c t i o n ) 理论”，该理论被国际上盛誉为功率m o s f e t 领域里程碑。超结的出现 极大地推动了l d m o s 的发展，采用超结结构的l d m o s 器件大量出现，其中3 d r e s u r f 结构被认为是一种最具前途的高压器件结构，它将超结与r e s u r f 技术有效结合，极大 地提高了漂移区的掺杂浓度，在同等的耐压水平下导通电阻显著降低。研究表明，7 0 0 v 耐压条件下3 d r e s u r fl d m o s 的导通电阻为4 8 8 m q c m 2 ，是相同耐压条件下常规 r e s u r fl d m o s 导通电阻的2 4 4 t 1 7j 。此外，p i c 中的功率器件往往需要很厚的氧化层， 这需要在c m o s 工艺基础上，增加掩模版和工艺步骤，导致集成高压器件成本增加。为 克服这些缺点和限制，恩智浦台积电研究中心提出一种复合高栅压、高栅高漏压 m o s f e t 结构【l 引，它是在浅槽隔离( s t i ) 区的顶部引入一个横向栅。为了增加电流密度， 文献【l 圳提出一种折叠栅( f o l d e d g a t e ) l d m o s 结构，该结构能增加器件沟道密度，提高 器件跨导，并降低其导通电阻。 l i g b t 也是p i c 中常采用的功率器件之一，采用该结构可大幅减小系统体积和重量、 降低系统功耗和生产成本。英国剑桥半导体公司( c a m s e m i ) 的t t r a j k o v i c 等人【2 0 j 于2 0 0 4 年提出一种可用于p i c 的l i g b t 结构。考虑到高低压器件的隔离问题，该l i g b t 结构采 用s o l 衬底上的膜工艺( m e m b r a n et e c h n o l o g y ) 1 2 1 l ，以减少衬底对漂移区和缓冲区的影响， 提高器件的耐压能力、降低输出电容并改善开关速度。l i e g t 是一种改进型的l i g b t ， 其最大技术特征是在l i g b t 中引入了i e 效应。i g b t 中许多先进技术，例如：t r e n c h 技 术、f s 技术、透明集电区技术和局部载流子寿命控制技术等均已被应用于i e g t 2 2 j 和 l i e g t 结构中以改善器件特性。上述各种l i g b t 结构均可实现功率集成，其中的沟槽工 艺、缓冲层工艺等需要引入额外的工艺步骤，这会导致p i c 的生产成本增加，同时因i g b t 中存在电荷存贮效应，器件关断时间较长；并且它还存在闩锁效应，其安全工作区比较小， 这些方面还有待进一步改进【2 引。 随着p i c 的不断发展，功率集成不再局限于横向器件结构，纵向器件结构也可以集 成。图1 3 显示了两种可集成的v d m o s 结构。其中图1 。3 ( a ) 的漏极从表面引出，图1 - 3 ( b ) 的漏极则从背面引出。由于v d m o s 的源、漏区不在同一表面，要对其进行集成工艺较 4 l 绪论 复杂；同时由于高耐压要求较厚的n 一漂移区，而在较厚漂移区上实现p n 结隔离十分困难。 所以，这种集成化的v d m o s 的耐压不会太高。随着工艺技术的不断进步，这种情况将 会得到改善。目前，为了获得更好的纵向功率器件的性能，需要对v d m o s 结构进行改 进，如超结和沟槽平面栅m o s f e t ( t p m o s ) 结构是很好的选择。 ( a ) 漏极从表面引出结构( b ) 漏极从背面引出结构 图1 。3 可集成的两种v d m o s 结构剖面图 f i g 1 3c r o s ss e c t i o n so ft w oi n t e g r a t e dv d m o s s t r u c t u r e s 1 3p i c 的工艺技术的发展 随着芯片尺寸的减小，每个芯片上的功率需求增加，开关损耗变得十分严重，且p i c 功能的增加要求大量的逻辑单元，单一的双极型功率器件已难以实现p i c 的所有功能， 于是出现了功率d m o s 、b j t 、c m o s 等相结合的p i c ，也随之产生了将三种器件制造在 同一芯片上的b c d ( b i p o l a r - c m o s d m o s ) 工艺【2 5 | 。经过2 0 余年的发展，b c d 工艺已 相对成熟。目前，国际上的b c d 工艺已经发展至第8 代，其特征尺寸为0 1 8l am 。目前 p i c 制造工艺主要包括c m o s d m o s 兼容工艺及b c d 兼容工艺【26 | ，b c d 又分为以 b i p o l a r 为主的b c d 工艺和以c m o s 为主的b c d 工艺。若按耐压和功率等级分，b c d 工艺可分为s o i b c d ，r f b c d 、高压b c d 、高功率b c d 和v l s i b c d 等五个方面【2 7 | 。 b c d 工艺综合了双极型器件和c m o s 器件的优点，可实现精密的控制和逻辑电路功 能。同时，集成d m o s 功率器件，具有功耗低、频率高、驱动电路简单等特点，负责功 率应用部分。通过b c d 工艺不需要昂贵的封装和冷却系统就可以将大功率传递给负载， 由此可见，低功耗是b c d 工艺的主要优点。图1 4 即为一个采用了l d m o s 结构的b c d 结构图。该结构是在标准p 阱c m o s 工艺的基础上，增加p n 结对通隔离和p 。o 。层注入两 道工艺形成。为了保证工艺兼容性，l d m o s 的p 基区可与对通隔离的p 阱、c m o s 中的 p 阱及b j t 中的p 基区同时形成；l d m o s 的源、漏区可与c m o s 器件中n m o s 部分的 源漏区及b j t 中的集电极与发射极同时形成；b j t 中的基极欧姆接触区可与p m o s 的源 漏区同时形成。合理设计b c d 的工艺流程，可大幅降低系统损耗，提高系统性能，增加 其可靠性和稳定性，并极大降低p i c 的工艺成本。 隔离技术的发展也对p i c 制造工艺的发展起了重要的推动作用。隔离技术主要关注 西安理工大学硕士学位论文 图1 4 集成了l d m o s 、c m o s 、b j t 的b c d 剖面图 f i g 1 4c r o s ss e c t i o no fb c dw h i c hi n t e g r a t e dw i t hl d m o s c m o s b j t p i c 中高低压器件之间的隔离。目前发展成熟的隔离技术有p n 结隔离、自隔离和介质隔 离。其中结隔离由于工艺简单、隔离性能良好，使用最为广泛。自隔离本质上也属于结隔 离，它只能应用于横向功率m o s 器件中，其隔离性能最差，一般很少使用。介质隔离性 能最好，但其工艺成本高，一般也较少使用。 随着p i c 的集成化程度越来越高，器件尺寸减小，结隔离的缺点越来越明显，例如 占用面积过大并且高温下漏电流大等。s o i 材料在高低压器件隔离和减小器件寄生效应方 面有巨大的优势，因此，基于s o i 材料的l d m o s 器件成为热门研究领域【2 8 j 1 2 9 | 。r e s u r f 技术也被成功引入这种介质隔离结构，在s o i 有源硅层上采用r e s u r f 技术的l d m o s 已可实现高达6 0 0 v 的应用【3 0 j 。虽然s o ir e s u r fl d m o s 相较体硅r e s u r fl d m o s 应 用于p i c 有一定优势，但是在高温工作条件下，s o il d m o s 由于自加热效应会引起一些 不良的电特性；并且s o i 结构散热不好，功率无法做大；另外，s o il d m o s 的工艺成本 较高。 终端技术是在保证器件耐压的同时提高器件工作稳定性，目前已发展较为成熟。结终 端的结构种类繁多，主要分为以下两种：一是为了增加表面结结弯曲处的曲率半径，以减 小结弯曲及结表面处电场集中而采用的终端保护结构。例如场板、f l r 、j t e 、v l d 、l d d 、 台面终端等【3 l j ；二是为了降低器件表面电荷及界面电荷的影响，所采用的如s i p o s 钝化 技术。在进行p i c 中高压器件结终端设计时，需要折衷考虑击穿电压与终端所占面积。 随着器件耐压水平的不断提高、功率处理能力的不断增强，平面型结终端技术占用的 芯片面积越来越大，其反向漏电流也随着结终端