槽型低阻SOI横向功率器件研究与设计.pdfVIP

摘要 摘 要 SOI （Silicon On Insulator ）横向功率MOSFET （Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor ）是功率集成电路的核心器件，实现高压和低阻是功率器件 的主要目标。然而，高击穿电压BV 需要较长且浓度低的漂移区，因而比导通电阻 Ron,sp 随耐压升高按Ron,sp ∝BV 2.5 的关系增加，导致功率损耗增大，即“硅极限” 问题。本文围绕以缓解BV 和Ron,sp 的矛盾关系为目标，提出了三种新型横向功率 MOSFET 结构，并进行了机理研究、数值仿真和工艺流程设计。 （1）提出一种具有低阻通道的槽型SOI LDMOS 器件（SOI NBL TLDMOS ）， 该结构具有三个方面特征：SOI 层与埋氧层界面上有一层薄的N 埋层，漂移区中 的氧化槽以及延伸至埋层的槽栅。首先，器件开态时，延伸槽栅侧面形成的电子 积累层与高掺杂的N 埋层构成低阻导电通道，显著降低了器件比导通电阻。其次， 由于高浓度N 埋层的作用，根据高斯定理，埋氧层电场增加。再者，氧化槽提高 了器件的横向电场，同时增强了器件的多维度耗尽，提高漂移区浓度。最后，氧 化槽沿纵向折叠漂移区，从而减小器件元胞尺寸和比导通电阻。通过仿真优化获 2 得SOI NBL TLDMOS 的击穿电压为166V、比导通电阻为1.64 mΩ·cm 。与传统槽 栅SOI TG LDMOS （SOI Trench Gate LDMOS ）相比，在相同6μm 的元胞尺寸下， SOI NBL TLDMOS 耐压提高了105%；在相同耐压下，导通电阻降低了80%。 （2 ）提出一种介质场增强低阻的槽型SOI LDMOS 器件（SOI LS TLDMOS ）。 该结构有三方面特征：漂移区中L 型氧化槽、槽两侧高掺杂浓度N/P 区以及延伸 至漂移区的槽栅。首先，L 型凹槽内积累反型层电荷提高器件的横向耐压，缩小元 胞尺寸；其次，高浓度N/P 区被反向耗尽时，N 区提高氧化槽和漂移区中电场， 横向耐压增加。P 区辅助耗尽漂移区以增加漂移区浓度，N 区提供低阻导电通道， 导致比导通电阻降低；再者，源端的纵向耐压提高会使埋氧层界面产生自适应电 荷，界面电荷增强埋氧层电场和器件耐压。最后，薄埋氧层有效地减缓 SOI LS TLDMOS 的自热效应。通过仿真优化获得SOI LS TLDMOS 的击穿电压为179V、 2 比导通电阻为2.7mΩ·cm 。在相同4µm 元胞尺寸下，与常规槽型SOI TLDMOS（SOI Trench LDMOS ）相比，新结构耐压提高了58%，比导通电阻降低了65% 。 （3 ）提出一种超低导通比导通电阻的槽型 SOI LDMOS 器件（SOI VSJ TLDMOS ），该结构主要特征有：第一，通过在漂移区引入纵向SJ （Super Junction ） 结构，使横向器件纵向承受耐压，缩小器件元胞尺寸。第二，SJ 中P 型柱区辅助 耗尽N 漂移区，增加漂移区浓度，降低比导通电阻。第三，漏区N+层和埋层界面 I 摘要 N+层为器件提供了一条超低阻导电通道，缩短了载流子在漂移区内的流通路径， 降低比导通电阻。第四，P 柱区中的电离受主负电荷与氧化槽右侧极薄的N+硅层 中的电离施主正电荷共同作用，优化了整个有源层电场分布，提高器件耐压。通 2 过仿真优化获得新结构的优值有25.2MW/cm 。与常规槽型SOI TLDMOS 相比, 在 相同3.5µm 元胞尺寸下，耐压提高了74%，比导通电阻降低了94% 。 关键词：SOI，击穿电压，比导通电阻，氧化槽，界面电荷