（電路與系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)論文）功率umosfet器件新結(jié)構(gòu)及其特性研究.pdf

， 一 c l a s s i f i e di n d e x ： 一 u d c ： i i l l iiiii i iii iiii iiii 18 0 8 6 3 5 ad i s s e r t a t i o nf o rt h ed e g r e eo fm e n g t h ec h a r a c t e r i s t i c sr e s e a r c ho fn o v a lp o w e r u m os f e td e v i c e s c a n d i d a t e ：h a i f a nh u s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o ry i n gw a n g a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l i t y ：c i r c u i ta n ds y s t e m s d a t eo fs u b m i s s i o n ：a p r i l ，2 0 1 0 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ：j u n e ，2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y ，； 一 哈爾濱工程大學(xué) 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：本論文的所有工作，是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，由 作者本人獨(dú)立完成的。有關(guān)觀點(diǎn)、方法、數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)的引用已在 文中指出，并與參考文獻(xiàn)相對(duì)應(yīng)。除文中已注明引用的內(nèi)容外， 本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)公開(kāi)發(fā)表的作品成果。對(duì) 本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式 標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 作者( 簽字) ：禍汽帆 日期：加易年6 月，6 日 哈爾濱工程大學(xué) 學(xué)位論文授權(quán)使用聲明 本人完全了解學(xué)校保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的有關(guān)規(guī)定，即研究生在校 攻讀學(xué)位期間論文工作的知識(shí)產(chǎn)權(quán)屬于哈爾濱工程大學(xué)。哈爾濱 工程大學(xué)有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件。 本人允許哈爾濱工程大學(xué)將論文的部分或全部?jī)?nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù) 庫(kù)進(jìn)行檢索，可采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本 學(xué)位論文，可以公布論文的全部?jī)?nèi)容。同時(shí)本人保證畢業(yè)后結(jié)合 學(xué)位論文研究課題再撰寫(xiě)的論文一律注明作者第一署名單位為哈 爾濱工程大學(xué)。陟密學(xué)位論文待解密后適用本聲明。 本論文難授予學(xué)位后即可口在授予學(xué)位1 2 個(gè)月后 口解 密后) 由哈爾濱工程大學(xué)送交有關(guān)部門(mén)進(jìn)行保存、匯編等。 作者( 簽字) ：胡海怩 日期： 劾后年鄉(xiāng)月日 導(dǎo)師( 簽字) ： 1旨1 噸爻鏇 鋤o 年占月，占e t ， ， 功率u m o s f e t 器件新結(jié)構(gòu)及其特性研究 _ i ! - 摘要 功率槽柵m o s ( u m o s f e t ) 是在v d m o s 和v m o s 基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái) 的一種功率半導(dǎo)體器件，由于功率u m o s f e t 可以從工藝技術(shù)上有效的降低 器件的特征導(dǎo)通電阻( r o n ) ，并且能處理較大的導(dǎo)通電流，因此，近年來(lái)功 率u m o s f e t 在計(jì)算機(jī)等消費(fèi)電子中的發(fā)展更為迅速。目前，功率 u m o s f e t 技術(shù)在低壓m o s f e t 產(chǎn)品市場(chǎng)中被廣泛接受，具有較高的市場(chǎng)占 有率。但功率u m o s f e t 在耐壓方面，相對(duì)與橫向器件還是有一定的差距， 因此在不增加功率u m o s f e t 器件工藝難度的基礎(chǔ)上，盡可能地提高器件的 擊穿電壓( ) ，或者在允許的耐壓范圍內(nèi)，盡可能地降低器件的r o n ，成為 了當(dāng)今功率u m o s f e t 技術(shù)發(fā)展的主要研究方向。 本論文的主要思想是利用器件中s 淤i g e 和s i s i g e c 異質(zhì)結(jié)效應(yīng)，對(duì)功 率u m o s f e t 器件溝道及漂移區(qū)的載流子遷移率的改善，達(dá)到優(yōu)化功率 u m o s f e t 器件特性的目的。并且提出柵增強(qiáng)結(jié)構(gòu)：g e l i m o s ( g a t ee n h a n c e d u m o s ) ，其特征是將側(cè)氧中多晶硅電極與柵電極短接。為了改進(jìn)g o b u m o s ( g r a d i e n to x i d e b y p a s s e du m o s ) 電特性品質(zhì)因數(shù)及寄生電容的限制，又提 出s g e u m o s ( s p l i tg a t ee n h a n c e du m o s ) 結(jié)構(gòu)。具體研究?jī)?nèi)容如下： ( 1 ) 提出應(yīng)變s i s i g e 溝道和基于s i g e c 材料溝道的功率u m o s f e t 的器件 結(jié)構(gòu)，并與傳統(tǒng)器件的電流電壓特性進(jìn)行比較。s i s i g e 和s i s i g e c 異質(zhì)結(jié)能 夠有效的提高溝道區(qū)載流子的遷移率，增大a s 、降低及器件的r o m 因此 在滿足v b d 要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)變s i s i g e 、s i g e c 溝道功率u m o s f e t 相對(duì)傳統(tǒng) 器件，在尼p p k 、r o ，等方面有較大的改進(jìn)。、 ( 2 ) 提出了基于s i g e 的半超結(jié)功率u m o s f e t ( s i g ep i l l a rs g p ) 器件 及其引用可行性。通過(guò)3 d 器件仿真對(duì)比傳統(tǒng)半超結(jié)u m o s f e t ( c o n v e n t i o n a l s e m i s jc s s j ) ，分析s g p 器件載流子遷移率模型，超結(jié)結(jié)構(gòu)的能帶模型， 哈爾濱t 程大學(xué)碩十學(xué)位論文 電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)，擊穿電壓，電荷平衡，g e 含量影響和器件熱穩(wěn)定性等特性。結(jié)果 表明，在v a o 降低僅4 8 的基礎(chǔ)上，器件的特征導(dǎo)通電阻降低4 4 。在低壓 器件應(yīng)用中，由于引入了應(yīng)變效應(yīng)，s g p 與傳統(tǒng)的半超結(jié)器件在v s o 和r o n 的 折中和熱穩(wěn)定性比較中，占據(jù)明顯優(yōu)勢(shì)。 ( 3 ) 提出柵增強(qiáng)功率u m o s f e t ( g a t ee n h a n c e dg e ) ，該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn) 是深槽多晶硅電極與柵電極短接，器件在保證v a o 的同時(shí)，于n 型漂移區(qū)的 邊側(cè)產(chǎn)生高密度的電子電流。與傳統(tǒng)超結(jié)和g o b 器件比較，該結(jié)構(gòu)擁有更 低的特征導(dǎo)通電阻。由于g e - u m o s 側(cè)氧中多晶硅電極和柵電極短接，增大 了該結(jié)構(gòu)的寄生電容，進(jìn)而提出具有分裂柵的柵增強(qiáng)功率u m o s f e t ( g a t e e n h a n c e dw i t hs p l i tg a t es g e ) 結(jié)構(gòu)，將該結(jié)構(gòu)和g o b u m o s 進(jìn)行器件對(duì)比 仿真。s g e u m o s 結(jié)構(gòu)可以降低器件漂移區(qū)寬度w ，從而提高漂移區(qū)雜質(zhì)濃 度，擁有比g e u m o s 、g o b u m o s 和s j u m o s 等器件更低的r o n 。并且 s g e - u m o s 器件側(cè)氧中多晶硅電極浮空，相對(duì)于g o b u m o s ，改善了器件 的品質(zhì)因數(shù)。 關(guān)鍵詞：溝槽柵；功率m o s f e t = 導(dǎo)通電阻；硅鍺；超結(jié)；柵增強(qiáng)；分裂柵 功率u m o s f e t 器件新結(jié)構(gòu)及其特性研究 _ i t | 疊宣譬疊_ 薯疊_ ， ? j ： ， 一，a b s t r a c t 。一 ， ：，j ，： ， 一 ： _ 。p o w e rt r e n c h g a t em o s f e t ( u m o s f e t ) i sas e m i c o n d u c t o rd e v i c ew h i c h d e v e l o p e do nt h eb a s i so fv d m o sa n dv m o s b e c a u s et h ep o w e ru m o s f e t c a nr e d u c et h ed e v i c eo n - s t a t es p e c i f i c r e s i s t a n c e ( r o n ) e f f i c i e n t l yi np r o c e s s , a n d h a n d l el a r g e rt i l r n - o nc u r r e n t , s oi ti sd e v e l o p e di nc o m p u t e r sa n do t h e rc o n s u m e l e l e c t r o n i c sm o r er a p i d l yi nr e c e n ty e a r s a tp r e s e n t , t h ep o w e ru m o s f e t t e c h n o l o g yi sw i d e l ya c c e p t e di nl o w - v o l t a g em o s f e tp r o d u c tm a r k e t s ，a n dw i t h ah i g hs h a r e h o w e v e r , b r e a k d o w nv o l t a g e ( v b o ) o fp o w e ru m o s f e ti ss t i l l l o w e rt h a nt h a to fl a t e r a ld e v i c e t o d a y , t h e r e f o r e ，t h em a i nr e s e a r c ho fp o w e r u m o s f e ti st oi m p r o v et h ev b da sm u c ha sp o s s i b l eo nt h eb a s eo fl e s s d i f f i c u l 鑼o fm a n u f a c n a i n gp r o c e s s ，o rt or e d u c et h er o no fd e v i c e 嬲m u c ha s p o s s i b l ei n t h ea l l o w e db r e a k d o w nv o l t a g ea r e a ，。f 7 1 t h ei d e a so ft h i st h e s i sa r ea p p l y i n gt h ee f f e c t so ft h eh e t e r o j u n c t i o n g e n e r a t e db ys i s i g ea n ds i s i g e ct oi m p r o v et h ec a r r i e rm o b i l i t yi nt h ec h a n n e l o rd r i f tr e g i o n , a n do p t i m i z et h ec h a r a c t e r i s t i c so fp o w e ru m o s f e td e v i c e a n o v e lt e c h n o l o g y , w h i c hi sc a l l e dc r a t ee n h a n c e du m o s f e t ( g e u m o s ) s t r u c t u r ef o rt h ef i r s tt i m ei nt h i sp a p e r , t h ek e yo ft h i ss t r u c t u r ei st h ep o l y s i l i c o n e l e c t r o d ei sc o n n e c t e dt ot h eg a t ee l e c t r o d e 啊論c r a t ee n h a n c e dw i t hs p l i tg a t e u m o s f e t ( s g e - u m o s ) i sp r o p o s e dt om o d i f yt h ed r a w b a c k so fw a s t i n gs i l i c o n l o o ma n dl i m i t i n g p a r a s i t i cc a p a c i t o r a b o u tt h e g r a d i e n to x i d e b y p a s s e d u m o s f e t ( c , o b - u m o s ) ? s e v e r a lk i n d so fd e v i c e sa r ed e s i g n e da sf o l l o w i n g ：1 ( 1 ) s t r a i ns i s i g e ，s i g e cp o w e ru m o s f e ts t r u c t u r ew e r e p r e s e n t e da n d c o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a lu m o s f e ti ni o s - v 儺c h a r a c t e r i s t i c s t h es i s i g e a n ds i s i g e ch e t e r o - j u n c t i o n sc o u l di m p r o v et h ec a r r i e rm o b i l i t ya n d 紅澌t l l l o w e r a n dr o s t h e r e f o r e ，o nt h eb a s i so fm e e t i n g r e q u i r e m e n t , t h es t r a i n s “s i g ea n ds i g e cc h a n n e lu m o s f e th a dag r e a t e ri m p r o v e m e n tt h a n 哈爾濱t 稃大學(xué)碩十學(xué)位論文 c o n v e n t i o n a lu m o s f e ti nr o n , i d s v d sa n dt e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i c s ( 2 ) t h ef e a s i b i l i t yo fa p p l y i n g t h e s e m i s u p e r j u n c t i o n ( s e m i s j ) w i t h s i g e - p i l l a r ( s g p ) c o n c e p tt op o w e ru m o s f e ti ss t u d i e di n t h i sp a p c r1 k e l e c t r i c a i p e r f o r m a n c e s o f s g p a r c c o m p a r e d w i t ht h ec o n v e n t i o n a l s e m i - s u p e r j u n c t i o n ( c s s j ) p o w e rm o s f e tt h r o u g h3 dd e v i c es i m u l a t i o nw o r k i nt e r m so fr o n , v s o , t h ee f f e c tt oc h a n g et h eg em o l ef r a c t i o ni nt h es g pa n dt h e t h e r m a ls t a b i l i z a t i o n 1 1 l er e s u l t ss h o wt h a tt h er o ni sr e d u c e db y4 4 o nt h eb a s e o fv b or e d u c i n go n l y4 8 t r a d e o f fr o nv s v b da n dt h e r m a ls t a b i l i z a t i o no fs g p a r es u p e r i o rt ot h a to fc o n v e n t i o n a ls e m i s js i n c et h es t r a i ne f f e c ti n d u c i n gi n t o t h es g ps t r u c t u r ei nt h el o wp o w e rd e v i c e a p p l i c a t i o n ： 。 7 ； ( 3 ) g e - u m o si sp r o p o s e dt od e c r e a s et h er o # o ft h ed e v i c e t h ek e yf e a t u r e o ft h i ss t n l e t u r ei st h a tt h ed e e pt r e n c hp o l y s i l i c o ne l e c t r o d ei sc o n t a c t e dt ot h e g a t ee l e c t r o d e ，m a i n t a i n i n gt h e a n df o r m i n gt h eh i g he l e c t r o nc u r r e n td e n s i t y a ts i d en - d r i f tr e g i o n , r e s u l t i n gi nt h el o w e rr o sc o m p a r e dt ot h es u p e r j u n c t i o n ( s j ) s t r u c t u r ea n dg r a d i e n to x i d eb y p a s s e d ( g o b ) s t r u c t u r e b u tt h e p a r a s i t i cc a p a c i t o r i n c “鞠曝eal o tf o rt h et w oe l e c t r o d e sc o n n e c t e dt o g e t h e r s ot h eg a t ee n h a n c e d 誦ms p l i tg a t eu 1 o s f e t ( s g e - u m o s ) s t r u c t u r ei sp r o p o s e da n ds i m u l a t e da s c o m p a r e dt og o b - u m o s 1 1 1 ew i d t ho fs g e - u m o sd r i f tr e g i 叩wc o u l db e r e d u c e d , a n di n c r e a s et h ei m p u r i t yc o n c e n u 甚t i o n , s ot h er o no fs g e - u m o si s l o w e rt h a nt h a to fg e - u m o s 。g o b - u m o sa n ds j 刪o s b e c a u s et h e o x i d e b y p a s s e dp o l y s i l i c o ne l e c t r o d ei sf l o a t i n g , t h e 桃( f i g u r eo fm e r i t ) a r e i m p r o v e da sc o m p a r e dt og o b u m o s 。 ， k e y w o r d s ：t r e n c hg a t e ；p o w e rm o s f e t ；s p e c i f i cr e s i s t a n c e ；s i g e ；s u p e r j u n c t i o n ； 一 功率u m o s f e t 器件新結(jié)構(gòu)及其特性研究 ； 目錄 第1 章緒論。“：i j ：二_ ：l 1 1 研究意義- j 一：l 1 2 功率u m o s f e t 發(fā)展現(xiàn)狀3 1 3 本文的主要研究?jī)?nèi)容i - 13 第2 章基于s i g e 、s i g e c 功率u m o s f e t 器件的特性研究1 5 2 1 應(yīng)變s i s i g e 溝道功率u m o s f e t ：- 1 5 ，2 1 1l n o s f e t 器件模型o 1 5 2 1 2 模擬與分析：1 7 。 2 1 2 1s i u m o s f e t 與s i s i g e u m o s f e t 模擬分析j ：17 2 1 2 2s i g e 區(qū)域在u m o s f e t 器件中的橫向優(yōu)化j ：。1 7 2 2 基于s i g e c 為功率u m o s f e t 溝道材料的特性研究2 2 2 2 1 器件參數(shù)與幾何結(jié)構(gòu)j ：2 3 2 2 2s i l * l ，i g e 犯，模型：_ j ：2 4 2 2 2 1b 元素在s i l _ 警y i g e 疋y 的擴(kuò)散模型：2 7 2 2 2 2c 元素對(duì)b 元素瞬態(tài)擴(kuò)散的抑制2 7 2 2 3 仿真結(jié)構(gòu)與討論2 7 2 3 本章小結(jié)3 1 第3 章基于s i g e 的半超結(jié)功率u m o s f e t 的特性研究一3 3 3 1 引言3 3 3 2 結(jié)構(gòu)與模型分析3 4 3 2 1 結(jié)構(gòu)分析3 4 3 2 2s i g e 材料模型分析3 6 3 3 仿真結(jié)果與分析3 7 3 3 1 擊穿特性分析3 7 3 3 2 導(dǎo)通特性分析3 9 3 3 3 電荷平衡分析4 0 哈爾濱丁程大學(xué)碩十學(xué)何論文 3 3 4s i g e 柱中g(shù) e 含量分析4 2 3 3 5 熱穩(wěn)定性分析：_ 4 3 3 4 本章小結(jié)4 5 第4 章柵增強(qiáng)功率u m o s f e t 器件的特性研究一節(jié)4 6 4 1 超低導(dǎo)通電阻的柵增強(qiáng)功率u m o s f e t ( g e _ u m o s ) 器件的特性研 ，究。1 1 6 ：4 1 1 器件結(jié)構(gòu)與工作原理一4 6 4 1 2 仿真結(jié)果與討論w 。4 7 4 2 具有分裂柵的柵增強(qiáng)功率u m o s f e t 器件( s g e u m o s ) 的特性研究 。5 5 4 2 1 器件結(jié)構(gòu)與工作原理一5 6 4 2 2 仿真結(jié)果與討論。5 6 4 3 本章小結(jié)。，矗6 2 結(jié)論? ! “ 參考文獻(xiàn)一6 6 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文和取得的科研成果? 7 6 致訪1 7 7 第1 章緒論 第1 章緒論 本章簡(jiǎn)要介紹了功率u m o s f e t 器件的發(fā)展和研究歷程，對(duì)一些代表性 的功率u m o s f e t 的特點(diǎn)進(jìn)行了綜述，并指出了u m o s f e t 器件的優(yōu)點(diǎn)，在 此基礎(chǔ)上闡述本文的立題依據(jù)，并給出了本論文的研究?jī)?nèi)容。 1 1 研究意義 功率半導(dǎo)體器件是電力電子技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，目前已成為微電子技術(shù)研 究的主要方向。隨著目前集成電路( i c s ) 的小型化及器件性能要求的提高， 微電子的發(fā)展受到了器件的物理及材料屬性的限制i l 】。因此，現(xiàn)在迫切需要 通過(guò)增強(qiáng)器件內(nèi)部單個(gè)元胞的性能來(lái)提升整個(gè)集成電路系統(tǒng)性能，而并非是 通過(guò)增大器件的面積來(lái)進(jìn)行性能的改善1 2 】。當(dāng)今，半導(dǎo)體的發(fā)展與功率和能 量控制的結(jié)合越來(lái)越密切。在美國(guó)，6 0 的電量都要經(jīng)過(guò)功率半導(dǎo)體器件。 在中國(guó)，驅(qū)動(dòng)機(jī)械設(shè)備的電動(dòng)機(jī)的耗電量約占中國(guó)電力消耗總量的6 0 ，這 些機(jī)械設(shè)備包括水泵、風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)。如果采用節(jié)能電機(jī)和功率驅(qū)動(dòng)控制方 案，就能節(jié)省約1 0 的電能消耗。因此，增強(qiáng)功率器件的性能及其穩(wěn)定性將 對(duì)能量使用效率，環(huán)境的綠化有重大影響1 3 ，4 1 。 據(jù)市場(chǎng)研究公司i s u p p l i 調(diào)查顯示，在2 0 0 2 年，中國(guó)半導(dǎo)體消費(fèi)水平達(dá) 到2 5 0 億美元，大約占全球市場(chǎng)的1 6 ，而到2 0 0 6 年，中國(guó)的半導(dǎo)體消費(fèi) 達(dá)到5 6 0 億美元，占全球市場(chǎng)的2 6 1 5 1 。i s u p p l i 最新調(diào)查【4 】的大功率半導(dǎo)體 市場(chǎng)規(guī)模及發(fā)展趨勢(shì)分析中顯示，從2 0 0 5 年到2 0 1 0 年，全球大功率半導(dǎo)體 市場(chǎng)消費(fèi)為1 7 0 2 億美元，美國(guó)占1 5 1 9 億美元，日本占1 9 1 5 億美元，而中 國(guó)占7 5 6 9 億美元，居全球榜首。功率半導(dǎo)體器件主要分為兩大類(lèi)：功率分 立器件及功率集成電路。在全球市場(chǎng)的總份額中，功率集成電路占其中的 哈爾濱t 稃人學(xué)碩十學(xué)位論文 4 0 ，而功率分立器件則占近6 0 。在功率集成電路中，歐美廠商占有絕對(duì) 優(yōu)勢(shì)，如美國(guó)的n s ，t i ，m a x i m 等廠商，但中國(guó)也有自己立足于全球市場(chǎng) 的優(yōu)勢(shì)，如圣邦微電子、明微、長(zhǎng)運(yùn)通等，主要針對(duì)中低端功率集成電路的 設(shè)計(jì)。 分立功率器件在系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)于兩大方面【5 】：功率整流器和功率開(kāi)關(guān)。 對(duì)于低、中、高功率的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件，要想實(shí)現(xiàn)它們的最優(yōu)結(jié)構(gòu)，就需要 在實(shí)際的制作中對(duì)靜態(tài)中導(dǎo)通下的低電阻值和關(guān)閉下的最大耐壓值之間進(jìn)行 折中。隨著中國(guó)電子業(yè)的快速發(fā)展，中國(guó)已成為全球最大的分立器件市場(chǎng)， 在全球市場(chǎng)中占舉足輕重的地位。2 0 0 8 年，中國(guó)的大功率分立器件的市場(chǎng)占 全球市場(chǎng)的3 9 ，并預(yù)測(cè)在未來(lái)5 年中，中國(guó)大功率分立器件的市場(chǎng)銷(xiāo)售額 將以2 0 的速度增長(zhǎng)，到2 0 1 0 年，中國(guó)將占全球4 7 的半導(dǎo)體市場(chǎng)【6 】。 全球的功率半導(dǎo)體的分立器件生產(chǎn)廠商主要有：i r ，f a i r c h i l d ，o ns e m i ， t o s h i b a ，v i s h a y ，s t 等等，其中瓜是研發(fā)并生產(chǎn)m o s f e t 功率器件最早的 公司，現(xiàn)在，該公司已將主要的產(chǎn)品轉(zhuǎn)移到功率模擬集成電路上。由于在功 率半導(dǎo)體方面有主導(dǎo)地位，在功率應(yīng)用方面，將有迅猛的發(fā)展。功率分立器 件的市場(chǎng)在急劇擴(kuò)大，促使它的價(jià)值猛烈提升。市場(chǎng)中不斷改進(jìn)的個(gè)人電腦 ( p c ) 的微處理器，還有持續(xù)走好的手持終端設(shè)備都在對(duì)電源處理器件提出 新的要求。隨著手持終端小型化趨勢(shì)的前進(jìn)，相應(yīng)電子產(chǎn)品的驅(qū)動(dòng)電壓和氧 化層厚度需要降低，而驅(qū)動(dòng)電流則要增加或保持不變：這就導(dǎo)致了高的功率 輸出和損耗，因此，低r o , v 和高速功率器件的研制迫在眉蒯引。 由于u m o s f e t 可以從工藝技術(shù)上有效的降低器件的r o , v ，并且能處理 較大的導(dǎo)通電流，因此，近年來(lái)u m o s f e t 在計(jì)算機(jī)等消費(fèi)電子中的發(fā)展更 為迅速。目前，u m o s f e t 技術(shù)在低壓m o s f e t 產(chǎn)品市場(chǎng)中被廣泛接受，具 有較高的市場(chǎng)占有率。但u m o s f e t 在耐壓方面，相對(duì)與橫向器件還是有一 定的差距，因此在不增加u m o s f e t 器件工藝的生產(chǎn)難度的基礎(chǔ)上，盡可能 的提高器件的擊穿電壓，或者在允許的耐壓范圍內(nèi)，盡可能的降低器件的 r o , v ，成為了當(dāng)今u m o s f e t 技術(shù)發(fā)展的主要研究方向。 2 第1 章緒論 1 2 功率u m o s f e t 發(fā)展現(xiàn)狀 雙擴(kuò)散工藝使得器件本身在重?fù)诫s的n + 源區(qū)上覆蓋一層薄的柵氧化層， 因此直接生成了柵、源電極電容( c a s ) ，導(dǎo)致器件的開(kāi)關(guān)速率的受到限制。 而且，在高壓應(yīng)用中，器件n 。漂移區(qū)的電阻值在器件的整個(gè)r o s 值占主要部 分，借鑒v l s i 工藝技術(shù)設(shè)計(jì)，可以將d m o s f e t 的r o s 優(yōu)化，但是在 d m o s f e t 中，內(nèi)部飽和電流密度受到了器件固有特性的限制，這種限制來(lái) 自于器件結(jié)構(gòu)的j f e t 電阻，電流流過(guò)此區(qū)域時(shí)相當(dāng)于經(jīng)過(guò)一個(gè)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng) 晶體管( j f e t ) ，這讓功率m o s f e t 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到達(dá)了u m o s f e t 階段1 7 馴。 s o u r c e v ， 礦朔g a t e 陟刀 l 一1 r c l - t 拿l p b a s e 。堅(jiān)蘭劍 r 。 n n + ， d r a i n 圖1 3 功率u m o s f e t 示意圖 溝槽技術(shù)令功率m o s f e t 器件得到很好的發(fā)揮，以溝槽為基礎(chǔ)的先進(jìn)超 大規(guī)模集成電路技術(shù)，包括存儲(chǔ)元胞和器件隔離。u 型槽柵區(qū)域用反應(yīng)離子 刻蝕( r ) 工藝生成，圖1 3 所示n 型溝道u m o s f e t ( n u m o s f e t ) 截 面示意圖。在n - 外延層中擴(kuò)散p 有源區(qū)后，進(jìn)行刻蝕生成垂直的溝槽壁，然 后在溝槽的側(cè)壁熱生長(zhǎng)一層氧化層，用多晶硅填充溝槽，最后進(jìn)行平坦化， 將外表面作為電極接觸點(diǎn)。 u m o s f e t 結(jié)構(gòu)相對(duì)于雙擴(kuò)散m o s f e t ( d o u b l ed i f f u s i o nm o s n t ) 的 主要優(yōu)勢(shì)在于：更大的溝道密度，更低的功耗損失，用r i e 工藝生成的u 型 3 哈爾濱下程大學(xué)碩十學(xué)位論文 槽柵，可以使元胞的尺寸相對(duì)于d m o s f e t 做得更小。更重要的是u m o s f e t 結(jié)構(gòu)消除了限制d m o s f e t 發(fā)揮的j f e t 電阻。因此，低r o u 成為垂直槽柵 u m o s f e t 的基準(zhǔn)和技術(shù)動(dòng)力1 1 0 】。 ( 1 ) 超低導(dǎo)通電阻u m o s f e t 圖1 4 ( a ) 積累型u m o s f e t ，( b ) 反型u m o s f e t ，( c ) 溝槽延伸型u m o s f e t 及 ( d ) 傳統(tǒng)u m o s f e t 對(duì)比示意副1 1 1 1 9 9 4 年s y a ut ，v e n k a t r a m a np ，b a l i g ab j 等人提出了3 種新型功率 u m o s f e t 器件結(jié)構(gòu)，分別是積累型u m o s f e t ，反型u m o s f e t 和溝槽延 伸型u m o s f e t 。這些結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是器件的柵電極都延伸到i 1 + 外延層。與傳 統(tǒng)器件結(jié)構(gòu)相比，新型功率u m o s f e t 器件進(jìn)一步降低了器件的導(dǎo)通電阻， 4 第1 章緒論 實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示在2 5 v 擊穿電壓的條件下，器件的導(dǎo)通電阻能夠達(dá)到 1 0 0 2 5 0 t o c m 2 。由于電流在槽柵電極的邊緣形成的電子載流子積累層或者反 型層流過(guò)，器件的導(dǎo)通電阻得到了降低。分析中指出，如果有更好的微影技 術(shù)和更薄的柵氧化層，功率u m o s f e t 器件的導(dǎo)通電阻會(huì)進(jìn)一步降低。圖1 4 給出了積累型u m o s f e t ，反型u m o s f e t ，溝槽延伸型u m o s f e t 及傳統(tǒng) u m o s f e t 對(duì)比示意圖。 ( 2 ) 溝槽電極接觸功率u m o s f e t a ) b ， 圖1 5 ( a ) 溝槽電極接觸和( b ) 表面電極接觸結(jié)構(gòu)對(duì)比示意酬1 2 1 1 9 9 4 年，m a t s u m o t os ，o h n o 王，i s h i ih ，y o s h i n oh 等提出溝槽電極接觸 u m o s f e t 器件結(jié)構(gòu)。采用自對(duì)準(zhǔn)技術(shù)，降低u m o s f e t 器件元胞間距到 2 5 t m ，提高元胞的溝道密度。通過(guò)對(duì)比設(shè)計(jì)5 0 v 擊穿電壓的溝槽電極接觸 u m o s f e t ( t r e n c hc o n t a c tt c ) 和表面電極接觸u m o s f e t ( s u r f a c ec o n t a c t s c ) 的結(jié)果可見(jiàn)，t c u m o s 器件的導(dǎo)通電阻隨著元胞間距的降低而降級(jí)； 不同的是，s c u m o s 器件在元胞間距的最優(yōu)值時(shí)有最低導(dǎo)通電阻，而元胞 間距低于此優(yōu)值，則導(dǎo)通電阻增大。器件元胞間距低于3 t i m 時(shí)，t c - u m o s 相對(duì)s c u m o s 有更低的輸入寄生電容和導(dǎo)通電阻，因此t c u m o s 是一個(gè) 具有更快開(kāi)關(guān)速度的功率開(kāi)關(guān)器件，且t c u m o s 器件的臨界雪崩擊穿的電 流是s c u m o s 器件的1 4 倍，對(duì)器件的二次擊穿有一定的保護(hù)作用。圖1 5 給出相應(yīng)對(duì)比示意圖。 5 哈爾濱1 ：程大學(xué)碩+ 學(xué)位論文 ( 3 ) 超結(jié)結(jié)構(gòu)功率u m o s f e t 當(dāng)器件阻斷電壓超過(guò)1 0 0 v 時(shí)，m o s f e t 器件的導(dǎo)通損耗在很大程度上 由漂移區(qū)的電阻來(lái)決定，因此，在高壓m o s f e t 中溝槽技術(shù)并沒(méi)有優(yōu)勢(shì)。表 面看來(lái)對(duì)于器件的r 0 2 v ，由于它的主要組成部分漂移區(qū)電阻凡嗽完全被 m o s f e t 耐壓能力所限制，但這種限制能通過(guò)直接補(bǔ)償?shù)脑砑右钥朔@ 嚼 刪 圖1 6s j u m o s f e t l l 5 】圖1 7pn 結(jié)和超結(jié)的電場(chǎng)分布 就是超結(jié)( s u p e rj u n c t i o ns j ) 概念。該結(jié)構(gòu)由陳星弼在1 9 9 3 年提出【1 4 】，如 圖1 6 所示，器件設(shè)計(jì)的主要特征是，超結(jié)器件漂移區(qū)n 柱的摻雜濃度大約 要比普通u m o s f e t 器件n 區(qū)的濃度大一個(gè)數(shù)量級(jí)。n 柱為電子形成了低導(dǎo) 通電阻通路，大大降低了漂移區(qū)的r d 1 1 5 j 。為了不降低s j m o s f e t 的v b o ， 超結(jié)結(jié)構(gòu)中的n 柱被同等電荷的p 柱包圍。電荷補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)構(gòu)如圖1 7 所示， 可以看到，所要求的阻斷電壓能力可以通過(guò)單個(gè)pn 結(jié)或者多個(gè)pn 結(jié)串聯(lián)而 實(shí)現(xiàn)。在后一種情況下，由于電荷的就地補(bǔ)償，p 柱和n 柱中的摻雜濃度遠(yuǎn) 高于二極管結(jié)的n 區(qū)。s j 結(jié)構(gòu)的應(yīng)用使得器件的品質(zhì)因數(shù)得到了很好的改善， 并且在單位體積內(nèi)的門(mén)極電荷醞量，和傳統(tǒng)的功率m o s f e t 相近。因此， 在給定的應(yīng)用條件下使器件尺寸變的更小成為可能，但這并不意味著半導(dǎo)體 的制作成本會(huì)降低，因?yàn)閟 j 器件的制作過(guò)程是較為復(fù)雜和昂貴的。 ( 4 ) 采用s i c 材料的功率u m o s f e t 硅半導(dǎo)體器件已經(jīng)有5 0 多年的歷史，目前仍是主要的半導(dǎo)體器件材料， 6 第1 章緒論 但是硅固有的一些物理屬性，如帶隙較窄、電子流動(dòng)性和擊穿電場(chǎng)較低等特 點(diǎn)限制了其在高頻高功率器件方面的應(yīng)用，為此，業(yè)界一直在進(jìn)行新材料的 研發(fā)。隨著在襯底材料增長(zhǎng)方面以及器件加工技術(shù)上都取得重大進(jìn)展，碳化 硅- ( s i c ) 在各類(lèi)新材料中脫穎而出，在應(yīng)用方面走在前端。s i c 材料的擊穿電 場(chǎng)強(qiáng)度高( 4 x 1 0 6v c m ) 、，載流子飽和漂移速度高( 2 x 1 0 7c m s ) 、熱導(dǎo)率高 ，1 ：竺! i j i 。il ， 圖1 8s i c u m o s f e t 1 9 1 ( 4 9 w c m - o k ) ，熱穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，特別適合制作大功率，高壓、高溫、 抗輻照電子器件。由于s i c 功率器件可顯著降低電子設(shè)備的能耗，因此s i c 功率器件也被譽(yù)為新能源革命的綠色能源器件【1 每1 8 1 。s i c 材料因內(nèi)部i 與c 原子的不同排列可以有很多種屬性，但對(duì)功率器件有較大影響的只是4 h s i c 和6 h s i c 兩種多晶形式【1 9 1 。6 h 和4 h 最大不同是4 h s i c 中的電子遷移率在 c 軸方向上是縱向6 h s i c 中的兩倍，是橫向6 h s i c 中的十倍。因此4 h s i c 在功率半導(dǎo)體中的發(fā)展得到很大的重視。相對(duì)于硅( s j ) 和砷化鎵( g a a s ) 材料，雖然4 h s i c 中的電子載流子遷移率較低，但是它擁有的較高的擊穿電 壓場(chǎng)強(qiáng)、飽和漂移區(qū)速率和熱傳導(dǎo)令其更適合在高壓器件中的應(yīng)用。 s i c u m o s f e t 器件示意圖如圖1 8 所示。 ( 5 ) 分裂p 柱的超結(jié)功率u m o s f e t 2 0 0 5 年，m i u r ay ，n i n o m i y ah ，k o b a y a s h ik 提出分裂p 柱的超結(jié)功率 u m o s f e t 器件結(jié)構(gòu)( s u p e r j u n c t i o nu m o s f e t w i t hs p l i tp c o l u m n ) 。為了進(jìn) 7 哈爾濱t 程大學(xué)碩十學(xué)位論文 圖1 9 分裂p 柱的超結(jié)功率u m o s f e t 器件示意剛加1 一步降低低壓器件的導(dǎo)通電阻，1 0 0 v 以下的功率u m o s f e t 器件也采用了 超結(jié)結(jié)構(gòu)，但是隨著元胞間距的降低，超結(jié)中p 、n 柱寬度也隨著降低，但在 工藝上很難實(shí)現(xiàn)。因此提出通過(guò)b 離子多次注入的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)超結(jié)中的p 柱 的方法，且p 柱被n 型s i 層隔離。且相對(duì)于傳統(tǒng)超結(jié)器件，該結(jié)構(gòu)提高了器 件的設(shè)計(jì)靈活性，并且在v s d = 6 8 o v 條件下，得到器件導(dǎo)通 電阻r o , v = 2 8 7 m o m m 2 的良好特性，這和傳統(tǒng)超結(jié)u m o s f e t 的特性相當(dāng)。 該結(jié)構(gòu)在1 7 5 0 c 時(shí)，抗重復(fù)的電感式開(kāi)關(guān)應(yīng)力性較強(qiáng)，并且器件的反向恢復(fù) 特性沒(méi)有惡化。圖1 9 給出了分裂p 柱的超結(jié)功率u m o s f e t 器件示意圖。 ( 6 ) 側(cè)氧調(diào)制功率u m o s n 玎 超結(jié)在實(shí)際制作工藝中，由于n 柱中施主雜質(zhì)與p 柱中的受主雜質(zhì)互相 擴(kuò)散，尤其是低于3 0 0 v 的s j 器件，p 、n 柱的寬度只有1 - 3 t m ，很難使得器 件漂移區(qū)中的p 、n 柱中電荷量達(dá)到完全匹配的效果。為了克服制造s j 器件 的工藝限制，2 0 0 5 年y u n gc l i a n g 和y uc h e n 提出一種新超結(jié)結(jié)構(gòu)側(cè) 氧( o x i d eb y p a s s e do b ) 結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 1 0 所示，這種o b 結(jié)構(gòu)工 藝制作避開(kāi)了傳統(tǒng)s j 器件工藝的難點(diǎn)，而是用較為簡(jiǎn)單的控制氧化層厚度 使得器件得到s j 的電特性近似效果。要得到高電壓的器件，那么漂移區(qū)中的 電場(chǎng)大小應(yīng)盡可能一致，但是o b 結(jié)構(gòu)漂移區(qū)中的電場(chǎng)一致性分布比傳統(tǒng)s j 差。為了克服o b 結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)，并保留o b 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單工藝的結(jié)構(gòu)，y u n gc l i a n g 8 第1 章緒論 s t r t t 艄洲岬嘲 圖1 1 0o b 結(jié)構(gòu)的功率u m o s f e t 圖1 1 1g o b 結(jié)構(gòu)的功率u m o s f e t ( o b u m o s ) 【2 1 】( g o b u m o s ) 1 2 1 1 又提出了角度側(cè)氧( g r a d i e n to x i d eb y p a s s e dg o b ) 結(jié)構(gòu)【2 ，結(jié)構(gòu)示意圖如 圖1 1 1 所示，只要g o b 結(jié)構(gòu)側(cè)氧的厚度合適，那么漂移區(qū)中的電場(chǎng)分布可 與傳統(tǒng)p 、1 1 柱s j 結(jié)構(gòu)相當(dāng)。 ( 7 ) 具有s i g e 溝道的功率u m o s f e t 圖1 1 2 具有s i g e 溝道的u m o s f e t t 2 2 1 最近，硅鍺( s i g e ) 材料受到了