高介电常数材料在功率器件上的应用研究与新器件的实现

摘要

功率器件是电能转换中不可或缺的部分，其性能直接影响到能量转换的效率。虽然目前便携式电子产品的功能日渐强大，但越来越短的使用时间已经成为一个重要的瓶颈。然而电池技术难以在短期内实现突破，所以目前只能通过提高能量的转换效率的方法来延长便携式产品的使用时间。而功率器件的性能直接决定了能量转换的效率，尽管人们开展了大量的工作来优化功率器件结构，提高功率器件性能，但由于材料的原因，功率器件性能提高总是受到一定的限制。高介电常数材料（高 K材料）在半导体上的引入，使纳米器件打破了栅极漏电的瓶颈，成功的使摩尔定律走到了90nm线宽以下。然而，鲜有文献关注到高介电常数材料在功率器件上的应用，更没有文献对使用高介电材料的功率器件进行分析和报道。
　　在国家973 XXX项目（编号：50772XXXX）和电子薄膜与集成器件国家重点实验室开放式基金（编号：CXJJ201101）的资助下，本文作者对高介电常数材料与硅的交互作用进行了较为全面的研究，找出了两者电场交互作用机理。同时针对功率器件应用的要求，对高介电常数材料进行了材料特性的研究，开发出了高介电材料介质LDMOS的BCD兼容工艺，并成功流片，实验验证了高介电材料对功率器件性能的优化作用。在此基础上，将高介电材料应用到了纵向器件上，提出了基于高介电常数材料的超级硅功率器件，分析其机理并进行了仿真验证。具体开展了以下几点工作：
　　1.实现了国际上第一个以高K材料锆钛酸铅（PZT）作为栅极介质的LDMOS器件。由于高K的作用，该器件的耐压是同等条件下使用SiO2介质的LDMOS的3倍。该器件已申请中国发明专利并获得了授权（专利号：201110007009.1）。以此器件耐压特性为研究目标的课题：《高K介质LDMOS的研究》已于2011年9月获得电子薄膜与集成器件国家重点实验室开放式基金资助（编号：CXJJ201101）。
　　2.指出了前人关于场板边缘峰值电场理论的不足。传统理论认为：场板边缘的击穿电压等同于一个结深为(εsi/εdie)tdie的平行平面结的击穿电压。εsi、εdie、tdie分别是硅介电常数，场板介质的介电常数及厚度。根据上述结论，在εsi、tdie不变的情况下，εdie越大，结深越小，场板边缘的击穿电压反而越低。而本论文通过理论仿真和流片实验，充分证明了场板边缘的击穿电压将随εdie的增加而增加，并非降低。该发现已发表在IEEE Electron Device Letters2011年第九期。
　　3.提出了高K场板的全新耐压机理。传统SiO2介质的场板尽管也能削弱PN结峰值电场，但会在场板边缘带来一个新的电场，导致耐压的提高有限。而使用高 K介质的场板则可在不引入边缘峰值电场的前提下削弱甚至消除 PN结峰值电场。使得漂移区电场几乎不存在峰值，从而大幅提高耐压。本文作者在IEEE Electron Device Letters2011年第九期中报道了这个机理。
　　4.开发了能兼容于传统BCD的工艺的HK-BCD工艺流程并成功制备了横向高K功率器件。传统HfO2的“先栅”和“后栅”高K工艺均无法与BCD工艺兼容，必须使用Intel或IBM的工艺线才能完成流片。所以要实现高K LDMOS，使用已有工艺根本不可行。本文作者提出了一套能兼容于标准BCD工艺的高K功率器件制备工艺，在标准代工厂完成前期工艺，后期高 K工艺则在电子科技大学微细加工中心完成。通过该工艺，我们成功的制备出了功能正常的HK-LDMOS。该器件获得了中电集团24所和47所分别出具的两份器件测试报告以及中电集团24所出具的器件评价报告。
　　5.发现了高K材料能为硅功率器件带来很强的积累效应。利用积累效应产生的高密度电荷导电，可使功率器件的比导通电阻几乎不再依赖漂移区掺杂，从而使比导通电阻得到大幅降低。以高 K积累效应为主要研究内容的国家自然科学基金项目：《利用高K材料的极低比导通电阻硅功率器件基础问题的研究》已于2012年8月22日正式获得立项。（项目批准号：61204084）
　　6.提出了能充分发挥高K性能的超级纵向MOS型硅器件。该器件采用高K槽结构以优化漂移区内电场分布，同时在槽内部填注P型硅，并使其与栅极接触，以便于高 K在器件漂移区内部产生超强的积累效应，使得该器件的比导通电阻较同等耐压条件下的Super Junction相比降低了3个数量级。该器件充分证明了高K在功率器件上的巨大应用潜力，有可能为功率器件的发展开创一个新的时代。该器件已申请中国发明专利。（申请号：201210243181.1）
　　7.针对高 K功率器件的驱动问题，设计了一种适用于高 K工艺的电荷泵驱动电路。该电路通过大电容积累电荷，在需要对负载电容充放电时由电荷泵产生高压或负压，由大电容和电源同时输出或吸收电流，显著加强其驱动能力。而由于使用了高 K材料，无需大面积即可实现电荷泵所需的大电容。该电路在 SMIC进行了流片验证，结果已发表在《微电子学》2011年第3期。

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第一章 绪 论

1.1主流高压硅功率器件技术概述

1.2本论文主要工作及创新点

1.3本论文的结构安排

第二章 高介电常数材料在横向硅基功率器件上的研究

2.1传统的PN结峰值电场抑制技术

2.2高K材料在功率器件中的应用及前人理论的不足

2.3高K场板的边缘峰值电场压制效应

2.4高K材料对横向器件其他性能的影响

2.5高K LDMOS特性的仿真研究

2.6本章小结

第三章 适用于功率器件应用的高K材料及相关工艺的研究

3.1 高K材料的选择

3.2 PZT的生长、退火、刻蚀特性研究

3.3本章小结

第四章 高K介质LDMOS的实验分析研究

4.1高K-BCD兼容工艺开发

4.2 PZT/SiO2复合介质LDMOS器件的测试研究

4.3本章小结

第五章 高K材料在硅基纵向器件上的应用

5.1高K电场调制效应在纵向器件上的充分发挥

5.2高K的载流子超强积累效应

5.3本章小结

第六章 高K超级功率器件

6.1 电荷平衡效应与电场调制效应的结合

6.2超强积累效应的充分发挥

6.3动态功耗及速度问题

6.4使用高K槽电容的电荷泵驱动器

6.5本章小结

第七章 全文总结

7.1结论

7.2下一步工作及展望

致谢

参考文献

攻博期间取得的研究成果