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横向超结功率器件的REBULF理论与新技术

作　者: 王文廉
导　师: 张波
学　校: 电子科技大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 功率器件超结 LDMOS 衬底辅助耗尽 REBULF
分类号: TN386
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
下　载: 213次
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内容摘要

现代电力电子技术的发展要求功率器件具有更优越的高压、高速、低功耗性能,超结(Superjunction,简称SJ)器件作为一类新型功率器件能进一步提高器件的耐压,降低比导通电阻。在超结MOSFET中,比导通电阻与耐压的1.3次方关系打破了常规器件中2.5次方的“硅极限”,缓解了比导通电阻与耐压之间的矛盾。LDMOS(Lateral Double-diffused MOSFET)是功率集成电路(Power Integrated Circuit,简称PIC)的关键器件,将超结技术应用于LDMOS构成SJ-LDMOS功率器件以提高其性能。但是,在横向超结器件中,纵向电场影响了超结的电荷平衡,使超结耐压下降,通常称为“衬底辅助耗尽效应”。这降低了SJ-LDMOS的性能,妨碍了横向超结功率器件的发展。本文研究了横向超结器件的耐压机理,通过优化体内电场分布,促进超结电荷平衡;并通过降低硅中的体电场提高器件纵向耐压,提出了横向超结器件的降低体电场(Reduced Bulk Field,简称REBULF)耐压模型。根据REBULF耐压模型,研制了一种基于电荷补偿的SJ-LDMOS器件,并从介质场增强和电位调节途径提出了两类新型器件结构,提高了横向超结器件的耐压。主要的创新工作包括: 1.提出了横向超结器件的REBULF耐压模型,通过优化体内电场提高超结器件的耐压。从电荷补偿、介质场增强和电位调节三个方面分析了优化体电场的方法。通过在漂移区补偿电荷来承担衬底耗尽,从而保证超结的电荷平衡,优化体电场;利用高密度的界面电荷增强介质层的电场,从而降低超结中的纵向电场,改善超结的电荷平衡,并提高器件纵向耐压;利用SOI器件的背栅特性,通过调节纵向电位,能优化体电场分布,促进电荷平衡。2.基于电荷补偿的REBULF耐压模型,结合BCD工艺的特点,研制了一种表面低阻通道LDMOS(Surface Low On-resistance Path LDMOS,简称SLOP LDMOS)。此器件利用高掺杂浓度的横向超结作为电流低阻通道,利用厚的N-well(或N-epi)作为纵向的耐压层,缓解了纵向电场对横向超结的影响,改善了电荷平衡,提高了器件耐压。同时,SLOP LDMOS利用了表面超结的特点,兼容了BCD工艺,能应用于功率集成电路。本文研制了500V耐压级的SLOP LDMOS器件,在超结宽度为3μm的情况下,测试的功率品质因数FOM (FOM = BV2/Ron,sp)达到了2.6MW/cm~2。3.基于介质场增强的REBULF耐压模型,提出了增强埋氧层电场的SOI SJ-LDMOS,包括具有埋氧层表面固定电荷和具有动态缓冲层的器件结构。通过界面电荷增强埋氧层的电场,降低了超结中的纵向电场,从而消除了纵向电场对超结电荷平衡的影响,同时提高了器件纵向耐压能力。动态缓冲层具有自适应增强电场的能力,利用电荷槽的电荷积累特性,电荷可以根据纵向电场的大小自适应的积累,做到了对电荷的按需分配,达到了完美的效果。分析表明,当漂移区长度为10μm时,超结器件的耐压达到220V,平均横向电场达到22V/μm。4.基于电位调节的REBULF耐压模型,提出了具有动态背栅电压的SOI SJ-LDMOS。利用SOI器件的背栅特性,通过动态的背栅电压来优化超结器件的纵向电场的分布。背栅电压使电子和空穴同时被吸引到埋氧层下方,这改善了超结的电荷平衡。因为背栅电压将一部分纵向电压从漏端转移到了源端,这提高了器件的纵向耐压能力。同时,本文还研究了基于电荷补偿的PSOI SJ-LDMOS。此结构利用超结在顶层形成低阻通道,降低比导通电阻。通过在漏端对埋氧层刻蚀,并增加N-buffer区,让衬底NP结参与耐压。这既补偿了超结的电荷,也解决了SJ-LDMOS的纵向耐压问题,同时保证了SOI的隔离优势。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-13
第一章绪论  13-30
  1.1 超结功率器件的发展  13-20
  1.2 超结中的电荷不平衡问题  20-22
  1.3 衬底辅助耗尽效应与横向超结器件  22-27
  1.4 本论文的主要工作和创新  27-30
第二章横向超结功率器件的降低体电场（REBULF）新技术  30-48
  2.1 横向超结器件的耐压特性分析  30-34
  2.2 降低体电场（REBULF）技术  34-35
  2.3 横向超结器件的REBULF 耐压模型  35-46
    2.3.1 基于电荷补偿的REBULF 耐压模型  35-41
      2.3.1.1 耐压结构原理分析  35-37
      2.3.1.2 耐压与导通电阻特性  37-39
      2.3.1.3 电荷平衡条件  39-41
    2.3.2 基于介质场增强的REBULF 耐压模型  41-44
      2.3.2.1 耐压结构原理分析  42-43
      2.3.2.2 界面电荷平衡条件  43-44
    2.3.3 基于电位调节的REBULF 耐压模型  44-46
      2.3.3.1 耐压结构原理分析  44-46
      2.3.3.2 电位平衡条件  46
  2.4 本章小结  46-48
第三章基于电荷补偿的硅基横向超结SLOP LDMOS  48-65
  3.1 引言  48-49
    3.1.1 常用硅基横向超结功率MOSFET  48
    3.1.2 与BCD 工艺兼容的结构研究  48-49
  3.2 SLOP LDMOS 器件工作原理  49-54
    3.2.1 原理结构描述  49-51
    3.2.2 反向耐压分析  51-53
    3.2.3 导通电阻分析  53-54
  3.3 SLOP LDMOS 工艺及器件仿真  54-57
  3.4 SLOP LDMOS 参数优化设计  57-59
    3.4.1 超结浓度  57-58
    3.4.2 外延浓度  58-59
  3.5 实验  59-64
    3.5.1 工艺流程设计  59-60
    3.5.2 器件版图设计  60-62
    3.5.3 实验结果  62-64
  3.6 本章小结  64-65
第四章基于电场增强的SOI SJ-LDMOS  65-90
  4.1 SOI 功率器件  65-67
  4.2 具有埋氧层固定电荷的SOI SJ-LDMOS  67-75
    4.2.1 器件工作原理  68-70
    4.2.2 固定电荷注入工艺  70-71
    4.2.3 耐压分析  71-73
    4.2.4 参数优化  73-75
  4.3 具有动态缓冲层的SOI SJ-LDMOS  75-81
    4.3.1 器件工作原理  75-77
    4.3.2 电荷槽SOI 制备工艺  77-78
    4.3.3 耐压分析  78-80
    4.3.4 参数优化  80-81
  4.4 具有非耗尽动态缓冲层的SOI SJ-LDMOS  81-88
    4.4.1 器件工作原理  82-83
    4.4.2 耐压分析  83-85
    4.4.3 参数优化  85-88
  4.5 本章小结  88-90
第五章具有动态背栅电压的SOI SJ-LDMOS  90-99
  5.1 引言  90-91
  5.2 具有动态背栅电压的SOI SJ-LDMOS 工作原理  91-93
  5.3 耐压分析  93-96
  5.4 参数优化  96-97
  5.5 本章小结  97-99
第六章基于电荷补偿的PSOI SJ-LDMOS  99-107
  6.1 引言  99-102
    6.1.1 PSOI 基功率器件  99-100
    6.1.2 PSOI 材料的制备  100-102
  6.2 基于电荷补偿的PSOI SJ-LDMOS 工作原理  102-104
  6.3 耐压特性  104-106
  6.4 本章小结  106-107
第七章结论与展望  107-110
  7.1 结论  107-109
  7.2 下一步的工作  109-110
致谢  110-111
参考文献  111-119
攻博期间取得的研究成果  119-121

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