超結(jié)功率器件等效襯底模型與非全耗盡工作模式研究.pdf

1、人類使用的電能75％以上是由功率半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換，功率MOS器件是功率半導(dǎo)體的主力軍，兼具高耐壓 VB和低比導(dǎo)通電阻Ron是其研究之熱點(diǎn)。本文研究的對(duì)象正是功率MOS領(lǐng)域后起之秀—超結(jié)器件。超結(jié)器件以N/P型雙導(dǎo)電結(jié)型耐壓層替代常規(guī)單一導(dǎo)電阻型耐壓層，這是耐壓層的一次質(zhì)變。通過(guò)在耐壓層引入等量異型電荷，使表面高場(chǎng)轉(zhuǎn)向體內(nèi)，實(shí)現(xiàn)從表面場(chǎng)到體內(nèi)場(chǎng)的優(yōu)化。眾多學(xué)者研究表明，超結(jié)器件耐壓層的摻雜濃度N幾乎獨(dú)立于VB，在相同VB下可顯著降低Ron，使功

2、率MOS的重要關(guān)系Ron∝VB2.5降低到1.32次方，使之成為“功率MOS器件里程碑”。近10年來(lái)，超結(jié)器件的研究集中在兩方面：在制造工藝方面，致力于研制更小元胞尺寸和更嚴(yán)格電荷平衡的耐壓層結(jié)構(gòu)；在器件物理方面，采用電場(chǎng)判據(jù)分析一維或二維場(chǎng)分布，在耐壓層全耗盡等條件下，求解Ron的局域值。可否考慮Ron全域優(yōu)化，尋求最低值，為廣大同行所關(guān)注，迄今懸而未決。
　　研究Ron最低值的意義在于，指出實(shí)際指標(biāo)與理論極限相差幾何，從而明確

3、改進(jìn)方向。本文深究超結(jié)器件Ron基礎(chǔ)問(wèn)題，遵循“物窮其理”理念，建立電荷場(chǎng)概念，揭示其調(diào)制機(jī)理，提出超結(jié)器件最低比導(dǎo)通電阻Ron,min優(yōu)化理論，獲得迄今最優(yōu)關(guān)系Ron∝VB1.03。該理論包括2模型、1模式和1方法，即比導(dǎo)通電阻阱—R阱模型和橫向超結(jié)等效襯底模型，非全耗盡耐壓模式，Ron,min優(yōu)化法，以實(shí)現(xiàn)Ron全域優(yōu)化，尋求Ron,min值。
　　主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下：
　　一．提出超結(jié)器件非全耗盡(non-full dep

4、letion，NFD)耐壓新模式。引入電荷場(chǎng)概念，發(fā)現(xiàn)其縱向峰值場(chǎng)僅由摻雜劑量唯一確定；提出歸一化電荷場(chǎng)分析法，由此引出耐壓歸一化系數(shù)；揭示在電荷場(chǎng)強(qiáng)調(diào)制下，器件工作于非全耗盡狀態(tài)，具有更低的Ron，從而提出NFD模式，解析給出最低Ron值，獲得Ron∝ VB1.03新關(guān)系。以器件耐壓從200 V增加至800 V為例，采用傳統(tǒng)2.5次方關(guān)系，器件Ron將增加32倍，本文新關(guān)系使得 Ron增加倍數(shù)將降低至1/8。(相關(guān)研究發(fā)表于IEEE

5、Transactions on Electron Devices(T-ED),2015,62(12):4114-4120)
　　二．建立超結(jié)器件全域優(yōu)化R阱模型。超結(jié)器件Ron受到元胞尺寸決定的最大摻雜濃度Nmax與VB決定的最短耐壓層長(zhǎng)度Ld,min兩個(gè)基本約束，導(dǎo)致Ron隨N呈U形阱分布，稱為 R阱。R阱上每點(diǎn)皆在電荷場(chǎng)與電勢(shì)場(chǎng)矢量疊加后的擊穿狀態(tài)下取得，囊括了非全耗盡與全耗盡兩種模式下所有可能優(yōu)化點(diǎn)。R阱模型給定Ron優(yōu)化的

6、最佳路徑，普適于現(xiàn)有超結(jié)優(yōu)化法，在R阱上選定不同取值點(diǎn)即能實(shí)現(xiàn)不同條件的超結(jié)優(yōu)化。(相關(guān)工作發(fā)表于IEEE T-ED,2016,63(5):1984-1990和IEEE T-ED,2017,64(1))
　　三．建立Ron,min優(yōu)化方法。在R阱模型基礎(chǔ)上，首先在超結(jié)參數(shù)應(yīng)用范圍內(nèi)，變化不同元胞尺寸與VB獲得各自的R阱分布；其次采用黃金分割尋優(yōu)算法尋求每個(gè)R阱的唯一最低點(diǎn)Ron,min作為器件優(yōu)化設(shè)計(jì)點(diǎn)；最后對(duì)所有優(yōu)化點(diǎn)采用最小二

7、乘法非線性擬合獲得解析設(shè)計(jì)式及Ron-VB關(guān)系?；赗on,min優(yōu)化，采用深槽刻蝕填充工藝研制了900V/10A的縱向超結(jié)器件，在VB為950V條件下Ron為53mΩ·cm2。比常規(guī)Ron∝VB2.5極限關(guān)系降低77%。(相關(guān)研究發(fā)表于IEEE T-ED,2016,63(5):1984-1990和IEEE T-ED,2017,64(1))
　　四．建立橫向超結(jié)器件等效襯底模型。將除超結(jié)之外的耐壓層結(jié)構(gòu)，即電荷補(bǔ)償層與襯底視為等效

8、襯底，研究其整體電場(chǎng)對(duì)表面超結(jié)的調(diào)制，揭示襯底輔助耗盡效應(yīng)的本質(zhì)乃襯底電離電荷影響表面超結(jié)電荷平衡，致使P條非全耗盡而N條全耗盡，器件耐壓降低。進(jìn)而獲得理想襯底條件：電中性條件與均勻場(chǎng)條件。滿足理想襯底條件時(shí)，橫向超結(jié)器件可實(shí)現(xiàn)與縱向超結(jié)可比擬的器件耐壓。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)具有理想與非理想襯底的橫向超結(jié)器件進(jìn)行Ron,min優(yōu)化，獲得對(duì)應(yīng)解析設(shè)計(jì)式，提出具有界面介質(zhì)的單元胞橫向超結(jié)結(jié)構(gòu)。(相關(guān)研究發(fā)表于IEEE T-ED2014,61(

9、2):525-532和同期518-524)
　　在橫向超結(jié)Ron,min優(yōu)化的指導(dǎo)下，實(shí)驗(yàn)獲得兩種橫向超結(jié)器件結(jié)構(gòu)：1）SOI基部分超結(jié)結(jié)構(gòu)，其近源端和漏端分別采用1和0.15μm的厚硅層和薄硅層結(jié)構(gòu)，厚硅層區(qū)三次注入形成表面超結(jié)。該器件結(jié)合超結(jié)低Ron與薄硅層結(jié)構(gòu)的高臨界場(chǎng)高VB優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)最高耐壓為977V的SOI高壓器件結(jié)構(gòu)，比導(dǎo)通電阻比全薄層結(jié)構(gòu)降低34.8%，新結(jié)構(gòu)硅層臨界場(chǎng)達(dá)106.7V/μm，驗(yàn)證了文中提出的臨界場(chǎng)公式