SJ-LDMOST中的襯底輔助耗盡效應

引言

橫向功率DMOST(Double-diffusedMOS Transistor)器件自從上世紀70年代問世以來，作為多子器件，由于具有高的輸入阻抗、好的關斷特性、易于集成等優(yōu)點，在許多領域取代傳統(tǒng)的雙極器件得到廣泛的應用。而器件設計中面臨的主要折衷就是擊穿電壓和比導通電阻之間的折衷。對于滿足RESURF(REaued SURface Field)條件的常規(guī)橫向高壓DMOST，其比導通電阻與擊穿電壓的2.5次方成正比，因此，高的導通電阻限制了橫向DMOST器件在高壓領域的應用。縱向超結結構(superJunction，SJ)將器件比導通電阻與擊穿電壓之間的次方關系由2.5降低到1.1。所以，近年來，將超結引入橫向功率器件設計成為業(yè)界廣泛關注和研究的熱點之一。

襯底輔助耗盡效應機理

縱向超結結構同時兼具高耐壓、低導通電阻特性，但當將超結思想引入橫向DMOST時，設計中首先面臨的是消除襯底輔助耗盡效應(substrate—Assisted-Depletion Effect)。圖1為基于硅基常規(guī)橫向超結DMOS器件的三維結構圖。由該圖可以看出，常規(guī)LDMOS的N-漂移區(qū)被相間的高摻雜濃度P型和N型柱區(qū)所代替。關態(tài)時，電荷嚴格平衡的P型與N型柱區(qū)相互耗盡，產生較高電場，因而承擔高的擊穿電壓：開態(tài)時，高摻雜濃度的N型區(qū)提供了一個低導通電阻的電流通道。但對于橫向DMOS器件，由于P襯底和N柱區(qū)之間的相互耗盡，打破了N柱區(qū)和P柱區(qū)之間嚴格的電荷平衡，使得P柱區(qū)中出現過剩空穴，這種N柱區(qū)和P柱區(qū)之間電荷的不平衡又進一步嚴重惡化了SJ區(qū)的擊穿電壓，即橫向擊穿電壓。

襯底輔助耗盡效應的消除

由上述襯底輔助耗盡效應機理分析知：有限大小電阻率的P型襯底對N柱區(qū)的耗盡使得P柱區(qū)出現了過剩載流子。消除襯底輔助耗盡效應主要有如下兩類：①選用電阻率為無窮大的特殊襯底；②引入額外的N型區(qū)以補償P型區(qū)中的過剩載流子。

無窮大襯底電阻率法

文獻提出基于藍寶石基的SJ-LDMOST。該結構完全消除了襯底輔助耗盡效應，但其制造工藝不兼容于常規(guī)硅基工藝。文獻提出具有背刻蝕的SOI SJ-LDMOST結構。該結構將整個器件下方的襯底部分全部刻蝕掉，只留下隔離區(qū)下方的襯底作為支撐作用。這樣有源區(qū)下方浮空。消除了襯底對N柱區(qū)耗盡問題。

電荷補償法的擊穿電壓與漂移區(qū)長度之間關系

文獻提出具有buffer層的SJ—LDMOsT結構。該結構在ST區(qū)和P型襯底之間引入-N型埋層，N型埋層電荷補償了超結P柱區(qū)和N柱區(qū)中的電荷不平衡，緩解了襯底輔助耗盡效應。

文獻提出SOI基的非對稱USJ／3D-RESURF LDMOST結構。該結構通過引入非對稱的ST區(qū)，優(yōu)化P區(qū)和N區(qū)電荷分布，提高了器件的擊穿電壓。

電子科技大學張波教授等提出具有表面低電阻通道的LDMOST(SLOP，LDMOST)。該結構基于超結思想，在常規(guī)LDMOST表面形成超結區(qū)，該超結區(qū)為開態(tài)電流提供一個低電阻電流通道，流片結果驗證在保持器件較高擊穿電壓下，降低了器件的導通電阻。

我們提出了具有階梯N型埋層的ST-LDMOST結構。該結構結合了電荷補償法和電荷濃度梯度對漂移區(qū)電場的調制作用，在消除襯底輔助耗盡效應的同時優(yōu)化了漂移區(qū)電場，并為開態(tài)電流提供了又一電流通道，進一步降低導通電阻。

進一步分析可知。襯底輔助耗盡效應產生的根本原因在于縱向耐壓問題。因此，我們提出具有襯底浮空埋層的SJ-LDMosT，該結構通過在襯底引入浮空N型埋層，提高襯底承擔的縱向耐壓，從而消除襯底輔助耗盡效應(如圖2所示)。

結論

本文將消除SJ-LDMOSST襯底輔助耗盡效應的方法分為兩類：其一，將ST區(qū)制造在電阻率無窮大的襯底上，以根本上消除襯底輔助耗盡效應；其二，引入額外電荷區(qū)以補償P柱區(qū)中過剩載流子。文中還提出徹底消除襯底輔助耗盡效應的方法。