700V BCD高壓場控功率器件及集成技術(shù)研究.pdf

1、700 V高壓BCD工藝是近幾年國內(nèi)外晶圓生產(chǎn)廠重點開發(fā)的工藝平臺，其廣泛應(yīng)用于模擬 IC（集成電路）中的電源管理、電機(jī)驅(qū)動、汽車電子和工業(yè)控制等領(lǐng)域。相比于傳統(tǒng)設(shè)計方案所采用的控制芯片加分立功率管的“二合一”方式，700 V BCD工藝通常具有低成本、易封裝、易設(shè)計和芯片外圍更精簡等優(yōu)勢。高壓BCD工藝中的核心器件按應(yīng)用可分為高壓開關(guān)功率管和高壓啟動功率管。其中高壓開關(guān)功率管通常采用高壓 LDMOS（Lateral Double–di

2、ffused MOS），在保持高耐壓的同時減小其比導(dǎo)通電阻 Ron,sp（導(dǎo)通電阻×面積）是其主要研究方向。RESURF（降低表面電場）技術(shù)是高壓LDMOS的核心技術(shù)，國內(nèi)外的相關(guān)研究主要圍繞著Double RESURF技術(shù)、Triple RESURF技術(shù)以及超結(jié)（Super Junction）技術(shù)進(jìn)行，通過各種結(jié)構(gòu)的變形優(yōu)化器件的擊穿電壓和比導(dǎo)通電阻。高壓啟動器件普遍使用高壓JFET（結(jié)型場效應(yīng)晶體管），其主要研究方向為：在獲得高耐壓

3、的前提下追求較小的夾斷電壓（也稱關(guān)斷電壓）和低漏誘生勢壘降低（DIBL）效應(yīng)。
　　本文的主要創(chuàng)新點針對兩類高壓場控功率器件，包括：首先，提出了一類700 V超低比導(dǎo)通電阻的雙p埋層（DB）雙通道nLDMOS（DB-nLDMOS），包括源端非隔離型（NISO）與隔離型（ISO）兩種結(jié)構(gòu)。針對這類結(jié)構(gòu)，提出了一個導(dǎo)通電阻解析模型，提出了導(dǎo)通電阻優(yōu)化技術(shù)和源端自隔離技術(shù)。其次，提出了一類700 V低夾斷電壓的nJFET，包括兩種結(jié)構(gòu)的

4、700 V nJFET。同時提出了一種獲得低夾斷電壓、低DIBL效應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)。本文的主要工作如下：
　　第一，提出了超低比導(dǎo)通電阻的700 V NISO DB-nLDMOS和 ISO DB-nLDMOS。首先，通過推導(dǎo)器件在深線性區(qū)的導(dǎo)通電阻解析模型找出了優(yōu)化Ron,sp的方向。接著，引入一種降低器件Ron,sp的關(guān)鍵技術(shù)，包括兩方面：一是在工藝上限制P埋層注入后長時間的高溫?zé)犷A(yù)算，二是從結(jié)構(gòu)上優(yōu)化器件的Neck（雙P埋層之間及

5、上方的漂移區(qū)）區(qū)域的尺寸。這兩項導(dǎo)通電阻優(yōu)化技術(shù)使非隔離型和隔離型結(jié)構(gòu)分別獲得了800 V和780 V的擊穿電壓、11.5?·mm2和11.2?·mm2的比導(dǎo)通電阻，這是截止論文發(fā)表時已報道過的同類技術(shù)中的最優(yōu)值。此外 ISO DB-nLDMOS引入了一種高壓LDMOS自隔離技術(shù)，即通過分離地注入N阱漂移區(qū)，再通過橫擴(kuò)后連接使其在Neck區(qū)域的漂移區(qū)擁有較低的漂移區(qū)濃度，抑制了鳥嘴下方電場隨漏源電壓增加而迅速聚集的效應(yīng)，從而獲得了源端可

6、浮動的高的擊穿電壓。
　　第二，提出低夾斷電壓700 V nJFET。其中包括雙埋層Triple RESURF n型JFET（DB-nJFET）和薄溝道Triple RESURF n型JFET（TCT-nJFET）。兩種結(jié)構(gòu)均采用一種獲得低夾斷電壓、低DIBL效應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)，即在不增加額外層次前提下，在JFET溝道區(qū)引入p型層以降低溝道厚度，這樣帶來的好處是：增加了柵源電壓對溝道區(qū)的控制能力，從而使器件獲得了低的夾斷電壓和低的DI

7、BL效應(yīng)。實驗結(jié)果顯示在漏端電壓為500 V時，DB-nJFET獲得了30 V的夾斷電壓，5.7％的DIBL靈敏度和2.6 mA的飽和電流；TCT-nJFET獲得了24 V的夾斷電壓，3.5%的DIBL靈敏度和2.3 mA的飽和電流。此外這兩種結(jié)構(gòu)均獲得了800 V的關(guān)態(tài)擊穿電壓和650 V左右的開態(tài)擊穿電壓。與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，這兩種結(jié)構(gòu)均具有低夾斷電壓、低DIBL效應(yīng)、高耐壓和大的飽和電流等特點。在前述兩種高壓JFET基礎(chǔ)上，提出了一種

8、低損耗、低成本的高壓啟動電路，由于將700 V非獨立型 nJFET與40 V pJFET相結(jié)合，使其與傳統(tǒng)的方案相比不僅節(jié)省了大量的版圖面積，也使啟動模塊的關(guān)斷損耗更低、關(guān)斷漏電流更加穩(wěn)定。
　　第三，提出了一種雙通道分段陽極橫向絕緣柵雙極型晶體管（DSA-LIGBT）。該器件結(jié)合了傳統(tǒng)的LIGBT和Triple RESURF LDMOS的優(yōu)點，使其獲得了低的比導(dǎo)通電阻、低的轉(zhuǎn)折電壓（VST）和快的關(guān)斷速度（Toff）。通過設(shè)計n

9、型陽極和p型陽極的比例及寬度來優(yōu)化比導(dǎo)通電阻和轉(zhuǎn)折電壓。實驗結(jié)果顯示，該器件的轉(zhuǎn)折電壓只有0.9 V，且在陽極電壓VA等于0.9 V和3 V條件下，比導(dǎo)通電阻分別只有11.7?·mm2和3.6?·mm2，在已報道的同類型結(jié)構(gòu)中具有一定的優(yōu)勢。同時該器件也獲得了800 V的陽極擊穿電壓和180 ns的關(guān)斷速度。
　　第四，通過將以上高壓器件與中低壓MOS管、BJT以及各種電阻電容等器件集成，本文提出并成功實現(xiàn)了一套先進(jìn)的0.35μm