（微电子学与固体电子学专业论文）具有肖特基结构整流器件的特性研究.pdf

摘要 摘要 功率半导体器件和功率集成电路是半导体产业的重要分支，功率整流器件是功率半导 体器件的重要组成部分，各种功率整流器件广泛应用在人们的生活和生产中，包括了太阳 能、通讯、汽车、电力传输和家用电器等领域；功率整流器件朝着低功耗和低成本方向发 展，要求更低的正向开启电压和正向导通电阻、更高的电流密度及更快的反向恢复时间。 发展器件的新理论和新结构，可以优化整流器件的各项电参数特性，满足功率整流器件的 发展要求。 本文主要研究具有肖特基结构的功率整流器件，首先论述了t m b s 和g d t m b s 单载 流子器件，器件通过m o s 结构和线性掺杂改变漂移区电场分布，优化器件的电参数特性； 第三章论述m p s 、s j m p s 、s e m i s jm p s 和t s o x m p s 双载流子器件，器件具有比肖特 基具有更好的反向阻断特性，比p i n 具有更好的瞬态开关特性。 在第四章中研究沟槽侧壁具有肖特基结的整流器件，首先论述了t s b s 器件，使用 s i v a l c o 软件仿真器件结构尺寸以及势垒高度对器件电参数的影响，同时对器件的反向 电场分布进行了仿真，仿真结果验证器件在沟槽拐角处具有峰值电场的不足之处；在为了 解决此问题的基础上，引入介绍一种专利结构t s s m p s 器件和宽禁带材料的t s b s 器件， 使用s i v a l c o 软件模拟仿真t s s m p s 器件结构尺寸以及势垒高度对器件电参数的影响， 仿真结果发现t s s m p s 器件能够实现良好的反向阻断特性，同时仿真结果也得出器件正 向导通电流主要从侧壁底部的肖特基结导通，并且器件沟槽深度的增加会引起器件反向漏 电流的增加；为了加强沟槽结构台面顶部对器件正向导通的作用和反向漏电流的抑制，以 及降低沟槽器件在沟槽拐角处产生的峰值电场，在此基础上本文提出一种t d m p s 器件， 通过使用s i v a l c o 和i s e t c a d 仿真软件对器件的正向导通特性、漂移区少数载流子分 布、电场分布和反向恢复特性进行模拟分析，仿真结果表明t d m p s 器件具有良好的反向 阻断特性，比m p s 器件具有更好的正向导通特性，与m p s 器件具有相近的反向恢复特性， 通过仿真器件漂移区少数载流子浓度和不同反向偏压下漂移区电场数据，给出t d m p s 器件物理特性的解释。 关键词：肖特基、沟槽、 单载流子器件、功率器件 i i i 浙江大学硕士学位论文 i v a b s t r a c t a b s t r a c t p o w e rs e m i c o n d u c t o rd e v i c e sa r er e c o g n i z e da sak e yc o m p o n e n to fa l lp o w e re l e c t r o n i c s y s t e m s w i t ht h ew i d es p r e a du s eo fe l e c t r o n i c si nt h ec o n s u m e r , i n d u s t r i a l ，m e d i c a l ，a n d t r a n s p o r t a t i o ns e c t o r s ，p o w e rd e v i c e sh a v eam a j o ri m p a c to nt h ee c o n o m y , b e c a u s et h e y d e t e r m i n et h ec o s ta n de f f i c i e n c yo fs y s t e m s i na c t u a lp o w e re l e c t r o n i ca p p l i c a t i o n s ，t h ed e v i c e s a r ed e m a n d e df o rh i g hv o l t a g e ，l o wr e v e r s el e a k a g ec u r r e n t ，l o wf o r w a r dv o l t a g ed r o p ， f a s t s w i t c h i n gr e c t i f i e rf e a t u r e sa n de x c e l l e n tr e v e r s er e c o v e r yb e h a v i o r f o rt h e s ey e a r s ，s e v e r a l a t t e m p t sh a v eb e e nm a d ef o rt h er e c t i f i e r sw i t hs c h o t t k ys t r u c t u r e i nt h i sp a p e r , t h ec h a p t e r sa r ed e v o t e dt ov a r i o u sa d v a n c e dp o w e rr e c t i f i e rs t r u c t u r e s n e u n i p o l a rd e v i c es t r u c t u r e sa r ef i r s tc o v e r e di nt h ec h a p t e r2o nt h et m b s ( t r e n c hm o s b a r r i e r s c h o t t k y ) a n dg d - t m b s ( t r e n c hm o s b a r r i e rs c h o t t k yw i t hg r a d e dd o p i n gp r o f i l e ) r e c t i f i e r s t h er e c t i f i e r sc h a n g et h ep r o f i l e so fe l e c t r o n i cf i e l db ym o ss t r u c t u r e t h er e c t i f i e r se x h i b i t a d v a n t a g e dc h a r a c t e r 1 1 1 ec h a p t e r3p r o v i d e sa n a l y s i so ft h em p s ( m e r g e d p i ns c h o u k y ) 、 s j m p s ( s u p e r j u n c t i o nm e r g e dp i ns c h o t t k y ) ，s e m i - s jm p s ( s e m is u p e rj u n c t i o nm e r g e d p i ns c h o t t k y ) a n dt s o x - m p s ( ap l a n a r i z e ds i l i c o nt r e n c hs i d e w a l lo x i d em e r g e dp - i - n s c h o t t k y ) r e c t i f i e r s t h er e c t i f i e r se x h i b i tt h eb e t t e rr e v e r s ei - vc h a r a c t e rt h a nt h ec o n v e n t i o n a l s c h o t t k yr e c t i f i e ra n dt h em u c h s h o r t e rr e v e r s er e c o v e r yt i m et h a nt h ep i nr e c t i f i e r i n t h ec h a p t e r4 ，t h er e c t i f i e r sb a s e do nt r e n c hs i d e w a l ls c h o t t k yi sp r o p o s e da n d d e m o n s t r a t e di n c l u d i n gt s b s ( t r e n c hs c h o t t k yb a r r i e rc o n t r o l l e ds c h o t t k y ) 、t s s m p s ( t r e n c h s i d e w a l ls c h o t t k ym e r g e dp i ns c h o t t k y ) a n dt d - m p s ( am e r g e dd o u b l ep i ns c h o t t k yr e c t i f i e r b a s e do nt r e n c hs t r u c t u r e ) r e c t i f i e r s s o m ec h a r a c t e r so ft s b st e c t i f i e rh a v eb e e ns i m u l a t e db y s i v a v l c os o f t w a r e t h es i m u l a t i o nr e s u l te x h i b i t sh i g hp e a ke l e c t r o n i cf i e l di nt h ec o m e ro f t r e n c hs t r u c t u r e s o m ec h a r a c t e r so ft s s m p st e c t i f i e rh a v eb e e ns i m u l a t e db ys i v a v l c o s o f t w a r e t h es i m u l a t i o nr e s u l te x h i b i t sb i gr e v e r s el e a k a g ec u r r e n tw i t ht h el o n gd e p t ho ft r e n c h t h et d m p sb a s e do nt h ep e a ke l e c t r o n i cf i e l do ft s b sa n db i gr e v e r s el e a k a g ec u r r e n t 、析t l l t h el o n gd e p t ho ft s s - m p st r e n c hi sp r o p o s e d b ys i v a v l c oa n di s e - t a c ds o f t w a r e ，t h e e x p e r i m e n ts h o w st h a tt h e t d m p sr e c t i f i e re x h i b i t st h el o w e rf o r w a r dv o l t a g et h a nt h e c o n v e n t i o n a lm p sr e c t i f i e rf o rh i 曲c u r r e n td e n s i t ya n dt h em u c hs h o r t e rr e v e r s er e c o v e r yt i m e t h a nt h ep i n r e c t i f i e r p h y s i c a le x p l a n a t i o n s a b o u tt h ef o r w a r da n dr e v e rr e c o v e r y p e r f o r m a n c ea r eg i v e nb yt h eh o l ec o n c e n t r a t i o na n de l e c t r o n i cf i e l ds i m u l a t i o n k e y w o r d s ：s c h o t t k y ，t r e n c h ，u n i p o l a r d e v i c e s ，p o w e rd e v i c e v 浙江大学硕士学位论文 致谢 致谢 就要结束硕士学习阶段，回想这这几年的学习生活，得到了老师、同学和亲人的关心 和帮助。 在这里衷心感谢他们，由于他们的支持和帮助才使得我顺利完成学业。 首先，最要感谢的是我的导师丁扣宝副教授，严谨求实的作风为我树立了优秀的榜样， 诲人不倦的态度让我如沐春风，博学多识的见闻为我扩充了眼界。短短几年的相处时间我 获益匪浅，对丁老师的感激之情难以言表； 感谢其他尊敬的老师，感谢韩雁老师、郭维老师、韩晓霞老师他们精益求精的科研精 神促使我不断前进； 感谢实验室的同学们，感谢他们一直以来对我的关心和帮助； 张斌师兄在我刚进实验室的时候手把手教会我如何使用仿真软件，使我能够快速入 门； 马飞和张世峰师兄深厚的理论功底总是能为我的研究理清方向； 感谢实验室大家庭的同学在平时给予我的帮助和支持； 感谢四川大学游志朴教授，游老师曾经讲解考研专业课复习书籍，在此表示衷心感谢； 再次感谢所有关心和帮助过我的人，谢谢! 朱江 2 0 1 2 年0 2 月 浙江大学硕士学位论文 l i 缩略词表 肿s g d t m b s t s b s m p s s j m p s s e m i s jm p s t s o x m p s t s s m p s 1 d m p s 缩略词表 ( t r e n c hm o s b a r r i e rs c h o t t k y ) ( t r e n c hm o s b a r r i e rs c h o t t k y 、析t 1 1g r a d e dd o p i n gp r o f i l e l ( t r e n c hs c h o t t k yb a r r i e rc o n t r o l l e ds c h o t t k y ) ( m e r g e dp i ns c h o t t k y ) ( s u p e rj u n c t i o nm e r g e dp i ns c h o t t k y ) ( s e m is u p e rj u n c t i o nm e r g e dp i ns c h o t t k y ) ( ap l a n a r i z e ds i l i c o nt r e n c hs i d e w a l lo x i d em e r g e dp - i ns c h o t t k y ) ( t r e n c hs i d e w a l ls c h o t t k ym e r g e dp i ns c h o t t k y ) ( m e r g e dd o u b l ep i ns c h o t t k yr e c t i f i e rb a s e do nt r e n c hs t r u c t u r e ) v l i 浙江大学硕士学位论文 v 1 1 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 随着社会的发展，人类对能源的需求和使用的日益增加，对地球的环境和气候造成了 严重的破环，减少能源消耗成为保护人类地球环境必不可少的重要措施。因为各种功率半 导体器件被广泛应用在人们的生活和生产中，包括了太阳能、通讯、汽车、电力传输和家 用电器等领域，因此功率半导体器件在降低能源消耗和保护地球环境当中，扮演着越来越 重要的角色。 功率半导体器件应上述节能减排的要求，朝着低功耗和低成本的方向发展。功率整流 器件是功率半导体器件的重要组成部分，功率整流器件的低功耗和低成本意味着更低的正 向开启电压、更低的正向导通电阻、更高的电流密度和更快的反向恢复时间等电参数特性 要求，人们通过发展器件的新理论和新结构，实现优化整流器件的各项电参数特性，从而 适应功率整流器件的发展要求。 本文研究的内容主要针对具有肖特基的新结构功率整流器件。 1 2 具有肖特基结构整流器件研究的意义 c r 一珂 d e n t r y n 1 p _ i - n 鼬e 砸e 巧 一 x 图1 1p i n 整流器件和载流子浓度分布 1 传统的整流二极管为外延型p i n 二极管 1 ，其剖面结构示意图如图1 1 所示。其中 浙江大学硕士学位论文 p + 一般为硼注入扩散形成的重掺杂区域，n 漂移区为磷原子轻掺杂区域，用于形成器件的 反向阻断特性，衬底区为高浓度磷原子掺杂区域。 p i n 二极管若要维持较高的反向击穿特性，n 漂移区需要较低的杂质掺杂浓度，同时 具有较厚的漂移区厚度，在传导正向电流时，p i n 二极管的阳极和阴极分别向n 漂移区注 入大量空穴和电子产生电导调制 2 ，由于载流子的注入降低了n 漂移区的导通电阻，使 得p i n 二极管虽然有轻掺杂的n 漂移层，但是保持有较低的的导通电阻。 p i n 二极管具有良好的反向阻断特性下具有较低的导通电阻的优点，但同时p i n 二极 管也有两处不足之处i p i n 二极管正向导通的开启电压由半导体材料p n 结的内建势决定，器件的正向开启 电压较高；其次，在p i n 二极管正向导通时，从p 区向n 一漂移区注入了大量空穴，这些 空穴载流子在n 漂移区以少子的形势存储电荷，当器件突然外加反向偏压时，若将器件 正向导通关断，就需要将n 漂移区的空穴载流子抽走或者和电子复合掉，在这一过程中， 需要一定的时间来实现器件的反向阻断能力 3 ，这种反向阻断恢复过程严重限制了器件 在高频领域的应用，需要避免或减小。 a n o d e 2 i s c h o t t k ym e t a l d r l f tr e g l o n s ub s t r a t e c a t h o d e 图1 2 肖特基功率整流器件 肖特基功率整流器件如图1 2 所示，由轻掺杂的漂移区和尚特基电阻串联而成，它可 绪论 以填补上述p i n 二极管在开启电压和高频应用的不足。 肖特基功率整流器件的开启电压依赖于金属功函数和半导体功函数之差，所以通过选 取不同金属可以得到不同开启压降，从而实现肖特基功率整流管相对p i n 二极管更低的开 启电压。虽然降低肖特基势垒高度可降低器件开态电压，但同时也会严重增加反向漏电流。 d i s t a n ce i m i cr o n s 图1 3p i n 整流器件反向恢复载流子漂移区分布示意图 1 肖特基功率整流器件与p i n 二极管另一个根本区别在于：p i n 二极管属于双载流子器 件，在其漂移区，不可避免的会具有反向恢复的过程，如图1 3 所示，而肖特基功率整流 管属于单载流子器件，当肖特基功率整流器件正向导通时，由阳极注入漂移区的载流子为 电子，在漂移区不存在少数载流子注入，因此不存在反向恢复的过程，因此肖特基功率整 流管具有高速低功耗的特点，同时肖特基相对p i n 二极管的另一缺点是开态导通电阻升 高。 对于上述矛盾，人们发明一些新结构的肖特基整流器件，优化器件正反向特性以及反 向恢复特性的电参数，以此改善提高整流器件的性能。例如，bjb a l i g a 提出夹断型m p s 整流器 4 ，如图1 4 所示，它由p i n 二极管和肖特基二极管并联形成，器件结合了肖特基 和p n 结各项优点，优化了正反向电流电压特性和反向恢复特性。图1 5 和图1 6 为应用 此结构制造的快恢复二极管与传统的p i n 二极管和肖特基二极管的特性对比，可以看到 气 x篁_c母凸joij每u吩lo工 浙江大学硕士学位论文 m p s 结构的快恢复二极管具有p i n 二极管良好的正向导通特性、肖特基二极管的低开启 电压特性和良好的开关特性。 4 a n o d e r ，| n + s u b s t r a t e c a t h o d e 图1 4m p s 整流器件 4 v fc h a m c 协r i s t i c s i f v fc o w l p a r i s o n 图1 5 具有m p s 结构的快恢复二极管正向导通特性比较 5 绪论 t l l rc h a r a c t e d s t i c o t r rc o m p a r i s o n r o 图1 6 具有m p s 结构的快恢复二极管反向恢复特性比较 5 因此，对具有肖特基结构的整流器件的学习和研究具有重要的现实意义。 1 3 具有肖特基结构整流器件研究现状 为了克服肖特基整流器件反向阻断特性差的缺点以及应用肖特基器件在高频良好的 开关特性，人们对具有肖特基结构的整流器件进行了广泛深入的研究，其中包括了如下介 绍的整流器件。 m m e l l r o t m 和b j b a l i g a 在1 9 9 3 年首次提出了沟槽m o s 势垒肖特基整流器件 ( t m b s t r e n c hm o s b a r r i e rs c h o t t k y ) 6 - 1 1 ，t m b s 器件利用m o s 结构围绕肖特基势 垒结，通过改变在m o s 结构之间漂移区的电场强度分布，抑制了漂移区肖特基势垒结表 面峰值电场强度，使得峰值电场强度出现在器件的体内，从而优化了器件的正反向电参数 特性，t m b s 器件具有较好的正向导通和反向阻断特性。 s r i k a n t hm a h a l i n g a m 和b j b a l i g a 于1 9 9 9 年在t m b s 器件的基础上，提出了在器件 漂移区中实行渐变杂质掺杂的g d t m b s 整流器件( t r e n c hm o sb a r r i e rs c h o t t k yw i t h g r a d e dd o p i n gp r o f i l e ) 7 ，8 ，器件漂移区的杂质掺杂浓度非均匀掺杂，在垂直方向上漂移 区的杂质的掺杂浓度线性增加，肖特基势垒结到衬底层杂质掺杂浓度线性升高，通过改变 器件漂移区的杂质浓度分布，此结构可以改变漂移区的电场强度分布，降低了器件在沟槽 拐角处的峰值电场，因此进一步改善器件的反向阻断特性和正向导通特性。 浙江大学硕j ：学位论文 b j b a l i g a 在1 9 8 7 年提出了嵌入p n 结的肖特基整流器件( m p s m e r g e dp i n s c h o t t k y ) 1 2 1 4 ，是一种将p n 结调制集成到漂移区的肖特基结构，m p s 器件的重要特征 是，在反偏电压超过一定值时，肖特基下的耗尽层发生交叠，如果继续增加电压，则外加 压降都降在耗尽层上，从而消除传统肖特基存在的由于反向电压增加引起的漏电增加现象 的发生，同时因器件中有肖特基部分，肖特基是单个载流子器件，从而降低器件少数载流 子的注入，m p s 整流器件具有开通电压低、反向恢复时间短等优点。 e t t o r en a p o l i 和a n t o n i og m s t r o l l o 在2 0 0 1 年首次将超结技术加入到了m p s 器件中， 形成s j - m p s 器件( s u p e rj u n c t i o nm e r g e dp i ns c h o t t k y ) 1 5 - 2 1 ，与m p s 整流器件相比具有 更好的小电流密度下的导通压降，同时其具有反向恢复噪声大的缺点。 d e n gx i a o c h u a n 、z h a n gb o 等人在2 0 0 6 年提出了将半超结技术加入到了m p s 器件中， 形成s e m i - s jm p s 器件( s e m is u p e rj u n c t i o nm e r g e dp i ns c h o t t k y ) 1 6 ，1 8 ，器件将n 一 型层加入到s j m p s 结构中，可以改善s j m p s 器件反向恢复特性，减少噪声，同时又与 s j m p s 器件具有相近的正向i v 特性。 r n g u p t a t 等人在19 9 9 年提出了t s o x m p s 器件( ap l a n a r i z e ds i l i c o nt r e n c h s i d e w a l lo x i d em e r g e dp i ns c h o t t k y ) 2 2 ，2 3 ，沟槽位于t s o x m p 器件表面，侧壁设置 有氧化层，沟槽内填充有p + 多晶硅，在沟槽底部多晶硅与漂移区n 区直接接触，沟槽之 间的n 漂移区顶部为肖特基势垒结。反向偏压时，p n 结和垂直的m o s 结构会抑制肖特 基势垒结附近的电场强度的增长；器件正向偏压时，在p i n 整流器件开启向漂移区注入空 穴载流子降低漂移区电阻，肖特基提供了低开启压降的导通路径；t s o x m p s 整流器件具 有较低的反向漏电流、良好的开关特性以及正向导通特性。 l t u 和b j b a l i g a 在1 9 9 3 年提出了具有不同肖特基势垒高度的肖特基器件t s b s 器 件( t r e n c hs c h o t t k yb a r r i e rc o n t r o l l e ds c h o t t k y ) 2 4 - 2 7 ，器件的表面含有多个沟槽，在沟 槽的内壁和侧壁设置有高势垒的肖特基势垒结，在器件表面设置有低势垒的肖特基势垒 结，t s b s 器件克服传统肖特基功率整流器件具有较差的反向阻断特性，优化改善了器件 的电参数。 c h a n gp a u l 等人在2 0 0 0 年提出了t s s m p s 器件( t r e n c hs i d e w a l ls c h o t t k ym e r g e dp i n s c h o t t k y ) 2 8 ( 此结构器件引用专利，专利中未明确此结构的名称，并且关于此结构的器 件鲜有文章报道研究，在此暂且定义名称为t s s m p s 专利) ，沟槽位于器件表面，沟槽侧 壁表面设置有肖特基势垒结，沟槽的底部漂移区域设置p + 半导体材料，在沟槽之间的半 导体材料表面设置有肖特基势垒结，器件具有良好的反向阻断特性。 6 绪论 1 4 本论文的主要工作 本论文主要研究具有肖特基结构的整流器件，结合肖特基的正向低开启电压和单载 流子导电等特性，研究整流器件的结构、工作原理以及正向导通特性、反向阻断特性和反 向恢复特性，主要工作包括如下内容。 第二章论述t m b s 器件的结构、器件的工作原理以及器件的电参数特性，示出了不同 沟槽深度、间距及氧化层厚度的参数变化量对器件反向特性影响的数据，同时示出了器件 的反向偏压时的电场分布曲线。论述了g d t m b s 器件的结构，器件的工作原理以及器件 的电参数特性，示出了不同沟槽间距及氧化层厚度的参数变化量对器件反向特性影响的数 据，同时也示出了器件的反向偏压时的电场分布曲线。这些器件的基本共性是器件的结由 肖特基势垒结构成，属于单双载流子器件。 第三章论述m p s 器件的结构、器件的工作原理以及器件的电参数特性，示出了器件 正反向i v 特性曲线的仿真数据，同时示出了器件的反向偏压时的电场分布曲线和反向恢 复特性；论述了s j m p s 器件和s e m i s jm p s 器件的结构、器件的工作原理以及器件的电 参数特性，同时也示出了器件的反向偏压时的电场分布曲线和反向恢复特性曲线；论述了 t s o x m p s 器件的结构，器件的工作原理以及器件的电参数特性，示出了器件正向i v 特 性曲测试数据，同时示出了器件的反向阻断特性曲线和反向恢复特性曲线。这些器件的基 本共性是器件的结由肖特基势垒结和p n 结共同构成，属于双载流子器件。 第四章研究t s b s 、t s s m p s 和t d - m p s ( m e r g e d d o u b l ep i ns c h o t t k yr e c t i f i e rb a s e d o nt r e n c hs t r u c t u r e ) 器件，其基本共性是器件在沟槽侧壁都具有肖特基势垒结，t s s m p s 和t d m p s 器件属于双载流子器件，t s b s 器件属于单载流子器件。首先论述t s b s 器件 的结构和器件的工作原理，使用s i v a l c o 软件仿真了器件结构不同尺寸以及不同势垒高 度对器件电参数的影响，模拟仿真器件反向偏压时在漂移区的电场分布图形。论述一种引 用专利结构的t s s m p s 器件的结构和器件的工作原理，使用s i v a l c o 软件模拟仿真 t s s m p s 器件结构不同尺寸以及不同势垒高度对器件电参数的影响，模拟仿真器件正向 导通时的电流路径，同时也模拟仿真了器件反向偏压时在漂移区的电场分布图形。最后论 述本文提出的一种t d m p s 器件的结构、器件的工作原理，通过使用s i v a l c o 和 i s e t c a d 仿真软件对器件的正向导通特性、电场分布和反向恢复特性进行模拟仿真，将 t d m p s 器件和m p s 器件进行了仿真对比，包括器件的正向特性、漂移区的少数载流子 浓度、不同反向偏压下电场分布和反向恢复特性。 浙江大学硕士学位论文 2 t m b s 及相关器件论述 本章主要论述具有肖特基势垒结的单载流子整流器件，器件中的结完全由肖特基势垒 结构成，本章论述的整流器件包括t m b s 和g d t m b s 整流器件。 2 1t m b s 器件 肖特基功率整流器件具有低的开启电压和良好反向恢复特性，同时也会具有较差的反 向阻断特性和较高的开态导通电阻。 对于肖特基器件的上述问题，本节论述一种t m b s 整流器件【9 】，其利用m o s 结构围 绕肖特基势垒结，通过改变在m o s 结构之间漂移区的电场强度分布，抑制了漂移区肖特 基势垒结表面峰值电场强度，使得峰值电场强度出现在器件的体内，从而优化了器件的正 反向电参数特性，t m b s 器件具有较好的正向导通和反向阻断特性。 2 1 1t m b s 器件结构 图2 1t m b s 整流器件剖面示意图 9 】 t m b s 整流器件如图2 1 所示，其具有沟槽结构，在沟槽内壁具有绝缘层，在沟槽内 填充导电材料，从而形成沟槽m o s 结构，沟槽m o s 结构围绕在肖特基势垒结周围。 在器件接反向偏压时，沟槽m o s 结构有利于降低肖特基表面的电场强度，抑制了肖 特基势垒结随反向偏压增大而势垒高度降低的效应。 沟槽之间的宽度和深度对肖特基势垒降低效应影响显著，沟槽的宽度越窄和沟槽的深 r t ，l t，上 t m b s 及相关器件论述 度越深，肖特基表面的电场强度越小，这样有利于器件的反向漏电流的降低和反向击穿电 压的升高，但是沟槽的宽度的减少和深度的增加会降低器件的正向导通特性，引起导通电 阻的升高，通过升高漂移区的杂质掺杂浓度，可以改善器件的正向导通特性。 t m b s 整流器件的制造方法 1 1 如下 1 、在具有第一导电类型的半导体衬底的两个相对表面表面中的一个上形成氮化物层； 2 、构图所述氮化物层，以在所述氮化物层上限定间隔窗口； 3 、通过腐蚀在所述的氮化物层上开窗口，所述腐蚀穿透所述窗口并且穿过所述半导 体衬底的与所述窗1 ：2 相对的一面的区域，以在所述半导体衬底中形成交替的沟槽和台； 4 、在所述沟槽的底表面和侧壁上形成氧化物层而无需形成牺牲氧化物层，以避免在 所述氮化物层和所述半导体衬底之间沿着所述台的间隔界面处形成鸟啄； 5 、在所述氮化物层上淀积连续的未掺杂多晶硅，以通过所述未掺杂多晶硅填充所述 沟槽； 6 、在所述未掺杂多晶硅层中注入第二导电类型的杂质，以提供具有第二导电类型的 所述的多晶硅； 7 、去除覆盖于所述台上的所述氮化物层，以暴露所述半导体衬底； 8 、在所述一个面上使用连续的阻挡层，以在所述台上的所述衬底的暴露部分和所述 阻挡层之间形成肖特基 9 、以及在所述半导体衬底的所述相对的表面上使用金属，以形成所述半导体器件的 阳极和阳极。 2 1 2t m b s 器件工作原理 关于t m b s 器件的正向导通特性，导通电流首先流过肖特基势垒结，后经过沟槽m o s 结构之间的漂移区，然后再流过位于沟槽下部的漂移区，最后流过高浓度杂质掺杂的衬底 区。 通过设定在沟槽m o s 结构附近的电流流动路径为4 5 度角，以此建立t m b s 器件的 正向导通模型 1 ，如图2 2 所示 对于t m b s 整流器件通态压降与正向导通电流密度的关系式表示如2 1 式： = 九+ 争枭) + ( 从 。， 9 浙江大学硕士学位论文 图2 2 t m b s 整流器件的正向电流流动模式i1 其中包括了漂移区和衬底区两部分电阻，其中漂移区电阻由三部分构成分别为i b l 、 r d 2 和r d 3 ，对于漂移区电阻表达式如2 2 、2 3 和2 4 式： r m = p 化o t r 。 ( 2 2 ) 2 = p ol n ( 詈) ( 2 3 ) 3 = 笔 4 ， 矽么 一一7 关于t m b s 器件反向漏电流，需要考虑肖特基面积与器件面积的百分比，还需要考虑 沟槽m o s 结构所引起的肖特基势垒结表面电场强度抑制作用的情况，如此在t m b s 整流 器件的漏电流表达式如2 5 式： 以= ( 等m 2 e x p ( 一q 肘孕k b ) e x p ( 鼍产) 汜5 ， p k i 亿1 “ 在t m b s 整流器件中，在肖特基表面的电场强度受沟槽m o s 结构的位置和尺寸的影 响，其中b 是一个关于肖特基势垒降低效应的系数，其受沟槽m o s 结构的影响，与镜像 力效应f 1化引起的肖特基势垒高度变化有关，势垒高度的变化表示式为式：,21变26 1 0 t m b s 及相关器件论述 唬办傩= ( 2 6 ) 在t m b s 整流器件中，在肖特基势垒结表面，因沟槽m o s 结构电场强度是不均匀的， 在肖特基势垒结中心区域比靠近沟槽区域偏高，上述公式计算中在肖特基势垒结表面的电 场强度采用采用了近似为肖特基势垒结的中心电场强度。 关于t m b s 整流器件，其反向偏压时的夹断电压( p i n c h o f f ) v p 可以表示为2 7 = 笋d + 警 7 ， p 2 叁 他7 其中c o x 代表o x 与t o x 比值。 当器件接反向偏压时，通过m o s 结构改变漂移区的电场强度分布，抑制了漂移区肖 特基势垒结表面峰值电场强度，使得峰值电场强度出现在器件的体内，降低了器件的反向 漏电，提高了器件的反向击穿电压，从而优化了器件的正反向电参数特性，t m b s 器件比 肖特基器件具有更好的正向导通和反向阻断特性。 2 1 3t m b s 电参数特性 下面论述t m b s 器件的电参数仿真测试数据 9 】。关于t m b s 器件的反向击穿特性， 如图2 3 所示，为t m b s 器件的沟槽的深度与器件反向击穿电压的变化曲线。 图2 3t m b s 整流器件的反向击穿电压随沟槽深度变化图 9 】 从图2 3 中可以得到t m b s 器件的反向击穿电压随着沟槽深度的增加而升高，并且升 高的速率逐渐变缓，在沟槽深度为2 5 u m ，器件的击穿电压为2 6 v ，t m b s 器件具有比肖 1 1 浙江大学硕士学位论文 特基整流器件更高的反向击穿电压，肖特基器件反向击穿电压只有9 v 。 图2 4 示出了t m b s 器件的漂移区的电场强度分布图，与传统的肖特基相比，t m b s 器件的电场强度随着远离肖特基势垒结是先降低，然后在升高，在沟槽底部附件的漂移区 达到峰值电场强度，其维持的反向击穿电压高于传统的肖特基势垒整流器件。 图2 4 t m b s 整流器件的不同沟道深度电场强度分布图 9 】 t m b s 整流器件沟槽内壁氧化层厚度对器件击穿电压有较为明显的影响，如图2 5 所 示，器件的反向击穿电压随着沟槽内壁氧化层厚度的升高是先升高再降低。当氧化层偏薄 时，漂移层的峰值电场出现在沟槽底部拐角附件，当氧化层偏厚时，沟槽结构对肖特基势 垒结电场的抑制可以被忽略，峰值电场出现在肖特基势垒结附近。 o x 讨e 伽矧钠e 鹤盖 图2 5t m b s 整流器件的反向击穿电压随沟槽氧化层厚度变化图 9 】 t m b s 整流器件沟槽间距对器件击穿电压也有较为明显的影响，如图2 6 所示，器件 的反向击穿电压随着沟槽间距的增加，先是升高再降低，在沟槽间距为0 5 u r n 时，反向击 1 2 t m b s 及相关器件论述 穿电压最大为2 7 v 。 m e s aw i d t h 伽m 图2 6t m b s 整流器件的反向击穿电压随沟槽间距变化图【9 】 t m b s 整流器件i v 特性与传统的肖特基势垒整流器件相比，从图2 7 测试数据可以 看到，当漂移区的杂质掺杂浓度相同的情况下，相同的电流密度下，t m b s 整流器件的正 向压降略高于传统的肖特基势垒整流器件的正向压降，从图2 8 测试数据可以了解到，在 漂移区的杂质掺杂浓度相同的情况下，t m b s 整流器件具有1 7 v 的反向击穿电压，传统的 肖特基势垒整流器件具有较差的反向阻断能力。 图2 7t m b s 整流器件的正向i - v 特性曲线图 9 浙江大学硕士学位论文 ：厂絮 莹! f耄l 。 | 墓： 图2 8t m b s 整流器件的反向i - v 特性曲线图 9 】 2 2g o t m b s 器件 本节论述一种g d t m b s 整流器件 8 】，g d t m b s 整流器件的漂移区使用线性变化掺 杂，它与上节介绍的t m b s 整流器件相比，具有更低的正向压降和更好的反向阻断特性。 2 2 1t m b s 器件结构 图2 9g d t m b s 整流器件元胞的剖面图【8 】 在t m b s 整流器件中，沟槽m o s 结构可以减少器件的反向漏电流和提高器件的反向 击穿电压，然而其在沟槽拐角处的峰值电场一定程度上限制了器件的反向击穿电压的改 善，为了解决这个问题，人们提出了在器件漂移区非均匀掺杂，在器件垂直方向上线性掺 杂的器件概念，被称之g d t m b s 整流器件。 1 4 主警 t m b s 及相关器件论述 器件的元胞结构如图2 9 所示，其基本结构和t m b s 相似，沟槽m o s 结构包裹着肖 特基势垒结，区别如图2 9 所示，漂移区的杂质的掺杂浓度非均匀掺杂，而是在垂直方向 上漂移区的杂质的掺杂浓度线性增加，肖特基势垒结附件的漂移区杂质掺杂浓度最低，衬 底层附近的漂移区杂质掺杂浓度最高。 通过改变器件漂移区的杂质浓度分布，此结构可以改变漂移区的电场强度分布，从而 降低了器件在沟槽拐角处的峰值电场，因此进一步改善器件的反向阻断特性和器件的正向 导通特性。 2 2 2g d t m b s 器件工作原理 在t m b s 整流器件中，从图2 4 可以得到电场随着漂移区在垂直方向的分布非最优化 的，在漂移区的上部电场偏高，在沟槽的拐角处有一个电场峰值，其中图2 1 0 示出了 g d t m b s 整流器件反向偏压时在漂移区的电场强度分布曲线。 在图2 1 0 中可以看到，传统肖特基整流器件漂移区的电场随着远离肖特基势垒结而 线性降低，在t m b s 整流器件漂移区的电场具有两个峰值，在峰值之间是较低的电场区域， 而g d t m b s 整流器件在漂移区的电场具有接近水平的分布曲线，从而可以获得更大积分 面积，因此g d t m b s 整流器件与t m b s 整流器件和传统肖特基整流器件相比具有更好的 反向阻断特性，同时在漂移区的导通电阻上，与传统的统肖特基整流器件相比，在漂移区 可以实现高浓度杂质掺杂的情况下，实现相同的反向击穿电压，所以具有更低的正向导通 电阻。 d 卸曲0 a n ) 图2 1 0 器件反向偏压时在漂移区的电场强度分布曲线【8 】 一ei1)蛩19正3l肆3alm 浙江人学硕士学位论文 2 2 3g d t m b s 电参数特性 下面论述g d t m b s 器件的电参数仿真数据【8 】，包括g d t m b s 整流器件的反向击穿 特性随着器件的沟槽氧化层厚度、沟槽间距和漂移区杂质掺杂浓度的变化仿真结果。 以1 0 0 v 的g d t m b s 整流器件的为仿真对象，设定器件的沟槽深度为5 u m ，沟槽氧 化层的厚度为0 4 u m ，沟槽间距为0 8 u m ，漂移区的杂质浓度从肖特基势垒结为1 e 1 6 c m 3 到靠近衬底层的浓度为2 5 e 1 7c m 弓。 图2 1 1 示出了g d t m b s 整流器件的反向击穿与g d t m b s 整流器件沟槽氧化层厚度 变化关系和在漂移区等势线分布图，从图2 1 1 可以得到，器件的反向击穿电压对沟槽氧化 层的厚度影响较敏感， - 3 沟槽氧化层的厚度较薄时，可以看到等势线在沟槽的底部拐角处 比较集中，当沟槽氧化层的厚度为0 3 u m 到0 4 u r n 时，器件得到反向击穿电压的最大值， 等势线在沟槽间的漂移层中均匀分布，此时器件的反向击穿电压达到最大1 0 0 v ，当沟槽 氧化层厚度继续增加时，等势线在肖特基势垒结下部再次集中，器件的反向击穿电压也跟 随降低。 童 参 苫 警 ：= 参 c 名 酱 2 图