横向超结功率器件的REBULF理论与新技术

摘要

现代电力电子技术的发展要求功率器件具有更优越的高压、高速、低功耗性能，超结（Superjunction，简称SJ）器件作为一类新型功率器件能进一步提高器件的耐压，降低比导通电阻。在超结MOSFET中，比导通电阻与耐压的1.3次方关系打破了常规器件中2.5次方的“硅极限”，缓解了比导通电阻与耐压之间的矛盾。LDMOS(Lateral Double-diffused MOSFET)是功率集成电路（Power Integrated Circuit，简称PIC）的关键器件，将超结技术应用于LDMOS构成SJ-LDMOS功率器件以提高其性能。但是，在横向超结器件中，纵向电场影响了超结的电荷平衡，使超结耐压下降，通常称为“衬底辅助耗尽效应”。这降低了SJ-LDMOS的性能，妨碍了横向超结功率器件的发展。
　　 本文研究了横向超结器件的耐压机理，通过优化体内电场分布，促进超结电荷平衡；并通过降低硅中的体电场提高器件纵向耐压，提出了横向超结器件的降低体电场（Reduced Bulk Field，简称REBULF）耐压模型。根据REBULF耐压模型，研制了一种基于电荷补偿的SJ-LDMOS器件，并从介质场增强和电位调节途径提出了两类新型器件结构，提高了横向超结器件的耐压。主要的创新工作包括：
　　 1．提出了横向超结器件的REBULF耐压模型，通过优化体内电场提高超结器件的耐压。从电荷补偿、介质场增强和电位调节三个方面分析了优化体电场的方法。通过在漂移区补偿电荷来承担衬底耗尽，从而保证超结的电荷平衡，优化体电场；利用高密度的界面电荷增强介质层的电场，从而降低超结中的纵向电场，改善超结的电荷平衡，并提高器件纵向耐压；利用SOI器件的背栅特性，通过调节纵向电位，能优化体电场分布，促进电荷平衡。
　　 2．基于电荷补偿的REBULF耐压模型，结合BCD工艺的特点，研制了一种表面低阻通道LDMOS(Surface Low On-resistance Path LDMOS，简称SLOPLDMOS)。此器件利用高掺杂浓度的横向超结作为电流低阻通道，利用厚的N-well（或N-epi）作为纵向的耐压层，缓解了纵向电场对横向超结的影响，改善了电荷平衡，提高了器件耐压。同时，SLOP LDMOS利用了表面超结的特点，兼容了BCD工艺，能应用于功率集成电路。本文研制了500V耐压级的SLOP LDMOS器件，在超结宽度为3μm的情况下，测试的功率品质因数FOM(FOM=BV2/Ron，sp)达到了2.6MW/cm2。
　　 3．基于介质场增强的REBULF耐压模型，提出了增强埋氧层电场的SOISJ-LDMOS，包括具有埋氧层表面固定电荷和具有动态缓冲层的器件结构。通过界面电荷增强埋氧层的电场，降低了超结中的纵向电场，从而消除了纵向电场对超结电荷平衡的影响，同时提高了器件纵向耐压能力。动态缓冲层具有自适应增强电场的能力，利用电荷槽的电荷积累特性，电荷可以根据纵向电场的大小自适应的积累，做到了对电荷的按需分配，达到了完美的效果。分析表明，当漂移区长度为10μm时，超结器件的耐压达到220V，平均横向电场达到22V/μm。
　　 4．基于电位调节的REBULF耐压模型，提出了具有动态背栅电压的SOISJ-LDMOS。利用SOI器件的背栅特性，通过动态的背栅电压来优化超结器件的纵向电场的分布。背栅电压使电子和空穴同时被吸引到埋氧层下方，这改善了超结的电荷平衡。因为背栅电压将一部分纵向电压从漏端转移到了源端，这提高了器件的纵向耐压能力。
　　 同时，本文还研究了基于电荷补偿的PSOI SJ-LDMOS。此结构利用超结在顶层形成低阻通道，降低比导通电阻。通过在漏端对埋氧层刻蚀，并增加N-buffer区，让衬底NP结参与耐压。这既补偿了超结的电荷，也解决了SJ-LDMOS的纵向耐压问题，同时保证了SOI的隔离优势。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 超结功率器件的发展

1.2 超结中的电荷不平衡问题

1.3 衬底辅助耗尽效应与横向超结器件

1.4 本论文的主要工作和创新

第二章 横向超结功率器件的降低体电场(REBULF)新技术

2.1 横向超结器件的耐压特性分析

2.2 降低体电场(REBULF)技术

2.3 横向超结器件的REBULF耐压模型

2.3.1 基于电荷补偿的REBULF耐压模型

2.3.2 基于介质场增强的REBULF耐压模型

2.3.3 基于电位调节的REBULF耐压模型

2.4 本章小结

第三章 基于电荷补偿的硅基横向超结SLOP LDMOS

3.1 引言

3.1.1 常用硅基横向超结功率MOSFET

3.1.2 与BCD工艺兼容的结构研究

3.2 SLOP LDMOS器件工作原理

3.2.1 原理结构描述

3.2.2 反向耐压分析

3.2.3 导通电阻分析

3.3 SLOP LDMOS工艺及器件仿真

3.4 SLOP LDMOS参数优化设计

3.4.1 超结浓度

3.4.2 外延浓度

3.5 实验

3.5.1 工艺流程设计

3.5.2 器件版图设计

3.5.3 实验结果

3.6 本章小结

第四章 基于电场增强的SOI SJ-LDMOS

4.1 SOI功率器件

4.2 具有埋氧层固定电荷的SOI SJ-LDMOS

4.2.1 器件工作原理

4.2.2 固定电荷注入工艺

4.2.3 耐压分析

4.2.4 参数优化

4.3 具有动态缓冲层的SOI SJ-LDMOS

4.3.1 器件工作原理

4.3.2 电荷槽SOI制备工艺

4.3.3 耐压分析

4.3.4 参数优化

4.4 具有非耗尽动态缓冲层的SOI SJ-LDMOS

4.4.1 器件工作原理

4.4.2 耐压分析

4.4.3 参数优化

4.5 本章小结

第五章 具有动态背栅电压的SOI SJ-LDMOS

5.1 引言

5.2 具有动态背栅电压的SOI SJ-LDMOS工作原理

5.3 耐压分析

5.4 参数优化

5.5 本章小结

第六章 基于电荷补偿的PSOI SJ-LDMOS

6.1 引言

6.1.1 PSOI基功率器件

6.1.2 PSOI材料的制备

6.2 基于电荷补偿的PSOI SJ-LDMOS工作原理

6.3 耐压特性

6.4 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 结论

7.2 下一步的工作

致谢

参考文献

攻博期间取得的研究成果