高速低功耗低壓功率半導(dǎo)體開關(guān)器件結(jié)構(gòu)與制造技術(shù)研究.pdf

1、作為電力電子學(xué)基礎(chǔ)的功率半導(dǎo)體器件與功率集成電路是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中一個(gè)重要組成部分，其市場(chǎng)份額已經(jīng)達(dá)到一年百億美元以上，而且應(yīng)用非常廣泛，包括；工業(yè)、農(nóng)業(yè)、民用、軍事、航空航天等領(lǐng)域。因此，對(duì)功率半導(dǎo)體器件的研究得到了國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多的重視。
　　 低壓(10～100V)功率開關(guān)器件主要用于各種低壓電源，其應(yīng)用需求量很大，例如應(yīng)用于個(gè)人電腦、筆記本電腦、服務(wù)器的CPU供電電源電路中，而這些產(chǎn)品每年銷售可達(dá)上億臺(tái)。在這些應(yīng)用中，電源電路

2、的功耗和它所占的體積在整個(gè)設(shè)備中都占有很大的比重。因而隨著設(shè)備性能的日益提高和元器件的空間密集度不斷增大，電源電路工作頻率和輸出電流都需要進(jìn)一步提高，但是同時(shí)要求功率損耗不能增加甚至于希望能減小。因此，降低功率器件的高頻功耗成為目前極其迫切的問(wèn)題。針對(duì)目前占據(jù)該領(lǐng)域主導(dǎo)地位的槽柵MOSFET，如何降低其高頻功耗的研究重點(diǎn)是用越來(lái)越精細(xì)的槽柵結(jié)構(gòu)來(lái)降低單位芯片面積通態(tài)電阻的同時(shí)，加厚溝槽底部氧化層厚度以減小柵漏電容Cgd。2003年IEE

3、E第十五屆國(guó)際功率半導(dǎo)體器件與功率集成電路會(huì)議(ISPSD'03)大會(huì)報(bào)告順序的第一主題（論文集前3篇文章）就是關(guān)于這個(gè)問(wèn)題的；而2004年第十六屆ISPSD會(huì)議上美國(guó)英特爾公司等為此作了專題報(bào)告。但是，現(xiàn)在溝槽尺寸已達(dá)深亞微米，工藝相當(dāng)復(fù)雜，進(jìn)一步降低其高頻功耗的潛力已經(jīng)不大，因而國(guó)際上研究方向開始轉(zhuǎn)向其他場(chǎng)效應(yīng)管。
　　 本論文比較全面的研究了雙極模式工作的功率JFET，為了適應(yīng)高頻工作的需要，本論文研究的重點(diǎn)就是通過(guò)在柵極

4、下面隱埋局域二氧化硅層，取代原有的PN結(jié)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)具有柵極電容小、高頻功率損耗低的雙極模式槽柵JFET。為了驗(yàn)證雙極模式功率JFET(尤其是具有柵極下埋氧的槽柵JFET)與槽柵MOSFET相比，在低壓高頻領(lǐng)域是否具有競(jìng)爭(zhēng)力，本論文進(jìn)行了大量的仿真工作。根據(jù)當(dāng)前最新研究的槽柵MOSFET和槽柵JFET的文獻(xiàn)，構(gòu)造仿真器件，并設(shè)計(jì)了柵極下埋氧的槽柵JFET結(jié)構(gòu)，首次系統(tǒng)地對(duì)三者的功耗進(jìn)行了詳細(xì)地分析和比較。結(jié)果顯示在高頻應(yīng)用(1MHz)時(shí)，

5、常規(guī)雙極模式槽柵JFET比槽柵MOSFET的開關(guān)功耗低23％，總功耗低29％:柵極下埋氧的雙極模式槽柵JFET與常規(guī)雙極模式稽柵JFET相比，開關(guān)功耗進(jìn)一步降低18％，總功耗則進(jìn)一步降低6％。該結(jié)果證明了在高頻領(lǐng)域應(yīng)用時(shí)，雙極模式功率JFET比功率MOSFET表現(xiàn)更為出色，而加入埋氧的槽柵JFET的性能更優(yōu)越，這樣就為該領(lǐng)域的研究工作開辟了一條新的途徑。在此基礎(chǔ)上，本論文首次提出采用局域注氧法實(shí)現(xiàn)柵極下埋氧的雙極模式槽柵JFET結(jié)構(gòu)的制

6、造方法，并設(shè)計(jì)了詳細(xì)的工藝流程。通過(guò)理論分析、仿真研究和工藝調(diào)研證實(shí)了這種方法的可行性，而且這種制造方法與傳統(tǒng)的方法相比，制造工藝簡(jiǎn)單易行，且具有良好的可控制性。而且該方法可以得到單晶硅的柵極，有利于進(jìn)一步改善器件性能。不幸的是在本研究進(jìn)行過(guò)程中，為該項(xiàng)研究制造有圖形埋氧層硅片的廠家更改生產(chǎn)計(jì)劃，不能及時(shí)為我們提供所需的硅片。于是本研究改用槽柵底部隱埋熱氧化層的雙極模式槽柵JFET的方案，通過(guò)在溝槽底部埋氧以減小柵漏電容，從而提高工作頻

7、率，降低高頻損耗。之后在香港科技大學(xué)，本研究歷時(shí)二十個(gè)月，經(jīng)過(guò)四十多步工藝探索，首次成功用熱氧化法制造出柵極下埋氧的雙極模式槽柵JFET，為了對(duì)比同時(shí)也制造出相同規(guī)格的常規(guī)槽柵JFET。針對(duì)器件應(yīng)用，設(shè)計(jì)了測(cè)試電路，所得測(cè)試結(jié)果表明，與常規(guī)槽柵JFET相比，所制造的柵極下埋氧槽柵JFET零偏壓時(shí)的柵漏電容Cgd減小了45％，開關(guān)速度提高了7.4％，開關(guān)功耗降低了11％；而其中關(guān)斷速度提高了10％，關(guān)斷功耗降低了19％。這達(dá)到了預(yù)期的效果

8、，并且還具有通過(guò)工藝改進(jìn)從而進(jìn)一步提高器件性能的空間。所得的數(shù)據(jù)結(jié)果證明柵極下埋氧的雙極模式槽柵JFET在高頻工作時(shí)具有柵極電容小，開關(guān)速度快，開關(guān)功耗小的特點(diǎn)，為高頻開關(guān)器件的研究拓寬了道路。而且本研究的器件應(yīng)用市場(chǎng)很大，因此本論文研究不但具有很高的學(xué)術(shù)價(jià)值，也具有重要的實(shí)用價(jià)值。
　　 本論文的創(chuàng)新點(diǎn)在于：
　　 一、通過(guò)仿真首次系統(tǒng)地對(duì)槽柵MOSFET、常規(guī)雙極模式槽柵JFET和柵極下埋氧的雙極模式槽柵JFET的功

9、耗進(jìn)行研究和比較，從而證實(shí)在高頻應(yīng)用時(shí)，柵極下埋氧的雙極模式槽柵JFET其有最低的開關(guān)功耗和總功耗。
　　 二、首次提出采用局域注氧法實(shí)現(xiàn)柵極下埋氧的雙極模式槽柵JFET結(jié)構(gòu)的制造方法，并設(shè)計(jì)了詳細(xì)的工藝流程。
　　 三、首次成功用熱氧化法制造出柵極下埋氧的槽柵雙極模式JFET，實(shí)驗(yàn)證明了它在高頻工作時(shí)的優(yōu)越性。在此過(guò)程中首次研究開發(fā)出一整套柵極下埋氧的雙極模式槽柵JFET的制造工藝。
　　 本論文研究的不足之處