高介電常數(shù)材料在功率器件上的應(yīng)用研究與新器件的實現(xiàn).pdf

1、功率器件是電能轉(zhuǎn)換中不可或缺的部分，其性能直接影響到能量轉(zhuǎn)換的效率。雖然目前便攜式電子產(chǎn)品的功能日漸強大，但越來越短的使用時間已經(jīng)成為一個重要的瓶頸。然而電池技術(shù)難以在短期內(nèi)實現(xiàn)突破，所以目前只能通過提高能量的轉(zhuǎn)換效率的方法來延長便攜式產(chǎn)品的使用時間。而功率器件的性能直接決定了能量轉(zhuǎn)換的效率，盡管人們開展了大量的工作來優(yōu)化功率器件結(jié)構(gòu)，提高功率器件性能，但由于材料的原因，功率器件性能提高總是受到一定的限制。高介電常數(shù)材料（高 K材料）在

2、半導(dǎo)體上的引入，使納米器件打破了柵極漏電的瓶頸，成功的使摩爾定律走到了90nm線寬以下。然而，鮮有文獻關(guān)注到高介電常數(shù)材料在功率器件上的應(yīng)用，更沒有文獻對使用高介電材料的功率器件進行分析和報道。
　　在國家973 XXX項目（編號：50772XXXX）和電子薄膜與集成器件國家重點實驗室開放式基金（編號：CXJJ201101）的資助下，本文作者對高介電常數(shù)材料與硅的交互作用進行了較為全面的研究，找出了兩者電場交互作用機理。同時針對功

3、率器件應(yīng)用的要求，對高介電常數(shù)材料進行了材料特性的研究，開發(fā)出了高介電材料介質(zhì)LDMOS的BCD兼容工藝，并成功流片，實驗驗證了高介電材料對功率器件性能的優(yōu)化作用。在此基礎(chǔ)上，將高介電材料應(yīng)用到了縱向器件上，提出了基于高介電常數(shù)材料的超級硅功率器件，分析其機理并進行了仿真驗證。具體開展了以下幾點工作：
　　1.實現(xiàn)了國際上第一個以高K材料鋯鈦酸鉛（PZT）作為柵極介質(zhì)的LDMOS器件。由于高K的作用，該器件的耐壓是同等條件下使用S

4、iO2介質(zhì)的LDMOS的3倍。該器件已申請中國發(fā)明專利并獲得了授權(quán)（專利號：201110007009.1）。以此器件耐壓特性為研究目標的課題：《高K介質(zhì)LDMOS的研究》已于2011年9月獲得電子薄膜與集成器件國家重點實驗室開放式基金資助（編號：CXJJ201101）。
　　2.指出了前人關(guān)于場板邊緣峰值電場理論的不足。傳統(tǒng)理論認為：場板邊緣的擊穿電壓等同于一個結(jié)深為(εsi/εdie)tdie的平行平面結(jié)的擊穿電壓。εsi、εd

5、ie、tdie分別是硅介電常數(shù)，場板介質(zhì)的介電常數(shù)及厚度。根據(jù)上述結(jié)論，在εsi、tdie不變的情況下，εdie越大，結(jié)深越小，場板邊緣的擊穿電壓反而越低。而本論文通過理論仿真和流片實驗，充分證明了場板邊緣的擊穿電壓將隨εdie的增加而增加，并非降低。該發(fā)現(xiàn)已發(fā)表在IEEE Electron Device Letters2011年第九期。
　　3.提出了高K場板的全新耐壓機理。傳統(tǒng)SiO2介質(zhì)的場板盡管也能削弱PN結(jié)峰值電場，但會

6、在場板邊緣帶來一個新的電場，導(dǎo)致耐壓的提高有限。而使用高 K介質(zhì)的場板則可在不引入邊緣峰值電場的前提下削弱甚至消除 PN結(jié)峰值電場。使得漂移區(qū)電場幾乎不存在峰值，從而大幅提高耐壓。本文作者在IEEE Electron Device Letters2011年第九期中報道了這個機理。
　　4.開發(fā)了能兼容于傳統(tǒng)BCD的工藝的HK-BCD工藝流程并成功制備了橫向高K功率器件。傳統(tǒng)HfO2的“先柵”和“后柵”高K工藝均無法與BCD工藝兼容

7、，必須使用Intel或IBM的工藝線才能完成流片。所以要實現(xiàn)高K LDMOS，使用已有工藝根本不可行。本文作者提出了一套能兼容于標準BCD工藝的高K功率器件制備工藝，在標準代工廠完成前期工藝，后期高 K工藝則在電子科技大學(xué)微細加工中心完成。通過該工藝，我們成功的制備出了功能正常的HK-LDMOS。該器件獲得了中電集團24所和47所分別出具的兩份器件測試報告以及中電集團24所出具的器件評價報告。
　　5.發(fā)現(xiàn)了高K材料能為硅功率器件

8、帶來很強的積累效應(yīng)。利用積累效應(yīng)產(chǎn)生的高密度電荷導(dǎo)電，可使功率器件的比導(dǎo)通電阻幾乎不再依賴漂移區(qū)摻雜，從而使比導(dǎo)通電阻得到大幅降低。以高 K積累效應(yīng)為主要研究內(nèi)容的國家自然科學(xué)基金項目：《利用高K材料的極低比導(dǎo)通電阻硅功率器件基礎(chǔ)問題的研究》已于2012年8月22日正式獲得立項。（項目批準號：61204084）
　　6.提出了能充分發(fā)揮高K性能的超級縱向MOS型硅器件。該器件采用高K槽結(jié)構(gòu)以優(yōu)化漂移區(qū)內(nèi)電場分布，同時在槽內(nèi)部填注P

9、型硅，并使其與柵極接觸，以便于高 K在器件漂移區(qū)內(nèi)部產(chǎn)生超強的積累效應(yīng)，使得該器件的比導(dǎo)通電阻較同等耐壓條件下的Super Junction相比降低了3個數(shù)量級。該器件充分證明了高K在功率器件上的巨大應(yīng)用潛力，有可能為功率器件的發(fā)展開創(chuàng)一個新的時代。該器件已申請中國發(fā)明專利。（申請?zhí)枺?01210243181.1）
　　7.針對高 K功率器件的驅(qū)動問題，設(shè)計了一種適用于高 K工藝的電荷泵驅(qū)動電路。該電路通過大電容積累電荷，在需要對