SGT-MOSFET 電場解析模型的建立*

蘇樂 王彩琳 楊武華 梁曉剛 張超

(西安理工大學電子工程系,西安 710048)

屏蔽柵溝槽金屬氧化物半導體場效應晶體管(SGT-MOSFET)在體內引入了縱向接源電極的屏蔽柵極,可以輔助耗盡漂移區,其耐壓原理與溝槽MOSFET(VUMOSFET)不同.本文以110 V 左右結構的SGTMOSFET 為研究對象,通過數值仿真、理論分析以及解析建模,研究了不同結構的耐壓原理以及結構參數與電場強度分布的相關性;建立了與器件各個結構參數相關的電場解析模型,為器件結構設計提供了理論依據;并引入雪崩載流子對小電流下的電場解析模型進行了修正,使得解析結果和仿真結果吻合較好;通過修正后的電場解析模型提取了最優電場下的場氧厚度,使得相應產品的靜、動態特性得到明顯改善,從而極大地提升了器件的性能.

1 引言

屏蔽柵溝槽金屬氧化物半導體場效應晶體管(SGT-MOSFET)是一種新型的功率MOSFET 器件,其不僅具有傳統深溝槽MOSFET 低導通損耗的優點,同時也具有更低的開關損耗[1-5].目前SGT-MOSFET 作為開關器件主要應用于新能源電動車、新型光伏發電、節能家電等領域的核心功率控制部件,其性能與可靠性直接決定了系統的能源轉換效率和可靠性[6-9].

對于SGT-MOSFET 性能的提升,一方面可以通過結構改進來實現,如重摻雜n 型區結構、雙分離柵結構、不同介電常數場氧層結構、浮空n 柱結構、pn 摻雜多晶硅屏蔽柵結構、多層外延結構、浮空電極結構、窄柵低k介質層結構、p+埋層結構等[10-18].另一方面可以通過參數優化來實現,這就需要建立與器件結構參數相關的電場解析模型.Zhang 等[19,20]在研究橫向擴散金屬氧化物半導體(LDMOS),SGT-MOSFET 阻斷狀態下漂移區的電場模型時,通過借鑒RESURF 技術相關理論給出了該類器件的電場優化條件判據,為器件結構設計提供了重要的理論依據.

實際上SGT-MOSFET 不僅由溝槽間漂移區來承受耐壓,還包括體區以及溝槽底部漂移區的耐壓區,因此有必要建立更加完整的電場解析模型來對器件結構參數進行優化,從而最大限度的提高器件性能.本文以110 V 左右結構的SGTMOSFET 為研究對象,通過數值仿真、理論分析以及解析建模,研究不同結構的耐壓原理以及結構參數與電場強度分布的相關性;建立了與結構參數相關的電場解析模型,并通過引入雪崩載流子對其進行了修正;通過修正后的電場解析模型提取了最優電場下的場氧厚度,從而極大地改善了相應產品的性能.

2 仿真模型

2.1 結構模型

110 V SGT-MOSFET 產品的掃描電子顯微鏡(SEM)照片如圖1 所示.通過SEM 照片提取的元胞各區域尺寸及擴展電阻測試(SRP)技術獲得的各區域摻雜濃度如表1 所示.仿真中通過面積因子將器件有源區的面積設置為和產品一致的2.57 mm × 3.59 mm (0.09 cm2).

圖1 SGT-MOSFE 產品SEM 圖Fig.1.The SEM photo of SGT-MOSFE product.

表1 SGT-MOSFE 產品具體結構參數Table 1. The structural parameters of SGT-MOSFET product.

為對比分析建立了如圖2 所示的傳統溝槽MOSFET (VUMOSFET)、電荷耦合MOSFET(CCMOSFET)、SGT-MOSFET 結構模型,其除了柵電極不同外,其他參數均一致.

圖2 兩元胞VUMOSFET (a),CCMOSFET (b),SGT-MOSFET (c)結構圖Fig.2.The structures of two-cell VUMOSFET (a),CCMOSFET (b),SGT -MOSFET (c).

2.2 柵電荷測試電路模型

柵電荷是指器件柵源電壓上升到指定數值時,所需要對柵極輸入的總電荷量,是衡量MOSFET器件開關速度快慢的重要指標.圖3 所示為柵電荷測試電路及測試波形.在0—t1階段,電流源Ig對柵源電容充電,柵源電壓持續上升,但此時柵源電壓仍小于器件閾值電壓VTH,器件并未導通;在t1—t2階段,電流源Ig對柵源電容繼續充電,柵源電壓持續上升,在t1時刻柵源電壓等于VTH,器件導通;在t2—t3階段,電流源Ig對柵漏電容進行充電,此時柵源電壓維持不變,對應的電壓值為平臺電壓VGP;在t3—t4階段,電流源Ig繼續對柵電容進行充電,直到柵源電壓上升到指定數值VGS,這一部分電荷稱為過充電荷.因此總的柵電荷QG包括柵源電荷QGS、柵漏電荷QGD以及柵源電壓從VGP上升至VGS時所需的過沖電荷.

圖3 (a)柵電荷測試電路;(b) 柵電荷測試波形Fig.3.(a) Testing circuit of the gate charge;(b) test waveform of the gate charge.

2.3 物理模型

仿真所采用的物理模型包括禁帶窄化模型;依賴于摻雜、溫度、載流子-載流子散射以及高電場造成的載流子漂移速度飽和的遷移率模型;受溝道表面橫向電場散射影響的遷移率退化模型;依賴于摻雜和溫度的SRH (Shockley-Read-Hall)體復合模型;在柵氧與硅交界處采用SRH 表面復合模型,俄歇(Auger)復合模型;vanOverstraeten and de Man的雪崩產生模型.

3 仿真結果與分析

仿真VUMOSFET,CCMOSFET,SGT-MOSFET 在50 mA 電流下的擊穿曲線以及通過曲線示蹤器(B1505 A)測試的SGT-MOSFET 產品的擊穿曲線如圖4 所示.在相同漂移區摻雜下,CCMOSFET 和SGT-MOSFET 由于體內場板的引入,擊穿電壓相比于VUMOSFET 分別提升了91%和140%.場氧厚度為0.58 μm 的SGT-MOSFET 擊穿電壓比場氧厚度為0.28 μm 的CCMOSFET 提升了25%,而在相同的0.58 μm 場氧厚度下兩者擊穿電壓一致,表明CCMOSFET 和SGT-MOSFET 的耐壓原理相同.并且SGT-MOSFET 擊穿曲線的仿真結果與測試結果相符合.

圖4 不同結構擊穿曲線對比Fig.4.Comparison of breakdown curves of different structures.

沿圖2 中虛線1—3 截取的3 種不同結構MOSFET 的電場強度分布曲線如圖5 所示.VUMOSFET在阻斷狀態下由n 漂移區和p 基區形成的J1結來承擔電壓,此處會產生一個電場峰值.CCMOSFET,SGT-MOSFET 由于體內場板的引入,在J1結和溝槽底部會產生兩個電場峰值,從而會進一步優化器件體內的電場強度分布,提高器件擊穿電壓.可以看出SGT-MOSFET 的電場強度分布比CCMOSFET更加均勻,因此擊穿電壓更高.

圖5 不同結構電場強度分布圖Fig.5.The electric field strength distribution diagram of different structures.

為了分析場氧厚度對器件擊穿電壓、電場均勻性的影響,沿圖2 中虛線1—3 截取了3 種不同結構的電勢分布曲線如圖6 所示.與CCMOSFET相比,SGT-MOSFET 的場氧更厚,則聚集于SGTMOSFET 溝槽兩側的空穴載流子數目更少,溝槽間的空穴載流子分布更加均勻.因此SGT-MOSFET縱向軸對稱線上的電勢更高,擊穿電壓更大,電場分布更加均勻.

圖6 不同結構電勢分布曲線Fig.6.The potential distribution curves of different structures.

CCMOSFET、SGT-MOSFET 在不同場氧厚度和臺面寬度下的擊穿電壓如圖7 所示.在元胞寬度不變的情況下,臺面寬度為1.4 μm 時,擊穿電壓隨場氧厚度增大而線性增大;在臺面寬度為2.4 μm和3.4 μm 時,隨場氧厚度增大擊穿電壓先增大后減小,并且臺面寬度越寬,擊穿電壓最大時對應的場氧厚度越薄.這是由于在1.4 μm 臺面寬度下,器件體內場板可以充分輔助耗盡n 漂移區,場氧厚度的變化對空間電荷區展寬的影響很小,而場氧厚度的增大會進一步優化電場強度分布,從而提高器件擊穿電壓.在2.4 μm 和3.4 μm 較大的臺面寬度下,場氧厚度的增加會進一步削弱體內場板對n漂移區的耗盡,使空間電荷區展寬減小,擊穿電壓下降.

圖7 不同場氧厚度下的擊穿電壓Fig.7.The breakdown voltage under different field oxygen thicknesses.

4 電場解析模型

4.1 電場解析模型的建立

以上分析可知,場氧厚度和臺面寬度對器件擊穿電壓以及電場強度分布的影響不是獨立的,而與電場強度分布有關的結構參數還包括溝槽深度、元胞寬度、漂移區摻雜濃度等.參數越多其對電場強度分布影響的關聯性越復雜,因此有必要建立與器件各個結構參數相關的電場解析模型來為器件結構設計提供依據.

如圖8 所示為兩個元胞的SGT-MOSFET 結構示意圖,建立如下坐標系,以硅表面為X軸,以兩個元胞溝槽間漂移區的對稱軸為Y軸.圖中Wn為1/2 臺面寬度,Tox為屏蔽柵與漂移區間的場氧層厚度,Ln為溝槽間漂移區的長度,Dp為p 基區的深度,WPSC為空間電荷區在p 基區的展寬,WTSC為空間電荷區在溝槽底部的展寬.將軸對稱線上的縱向電場強度劃分為p 基區、溝槽間漂移區和溝槽底部三段分布.

圖8 SGT-MOSFET 結構示意圖Fig.8.The schematic diagram of SGT-MOSFET.

對于溝槽間漂移區電場強度分布,假設阻斷狀態下溝槽間的漂移區完全耗盡,則有二維泊松方程:

將φ(x,y) 沿x方向泰勒展開并保留前三項為

y軸為溝槽間漂移區的對稱軸,對稱軸上的橫向電場強度為零,則有邊界條件

假設x方向的場氧層電場強度均勻分布,則介質交界處電位移矢量的連續性方程為

由于屏蔽柵與源極相接,電勢為0,則有邊界條件:

假設溝槽間漂移區上承擔的電壓為V2,則在(0,Dp)和(0,Ln)處有邊界條件:

由方程(7)及邊界條件(9)和(10)式可得SGTMOSFET 溝槽間漂移區的電場強度分布表達式[21]:

由表達式(11)可知,溝槽間漂移區的電場強度分布與外加漏源電壓V2,臺面寬度Wn,場氧層厚度Tox,溝槽間漂移區長度Ln,以及漂移區摻雜濃度Nd有關.p 基區和溝槽底部的電場強度分布主要由摻雜濃度決定,為了簡化計算,取p 基區為常摻雜,即

將y=Dp和y=Dp+Ln代入電場強度表達式(11)可得:

由(13)—(15)式可得p 基區和溝槽底部的電場強度表達式為

由(16)式和(17)式可得p 基區和溝槽底部的空間電荷區展度分別為

對p 基區和溝槽底部的電場強度積分可得:

將(23)式代入(11)式可得繁雜的溝槽間漂移區的電場強度表達式.重復(13)—(17)式,可得p 基區和溝槽底部的電場強度表達式.最終整個器件的電場強度表達式為

將表2 中具體參數值代入表達式(24),可得SGT-MOSFET 在不同電壓下電場強度分布的解析結果如圖9 所示,并與仿真結果進行對比.可以看出,50 V 電壓下解析結果和仿真結果吻合較好,而在113 V 高電壓下,解析模型溝槽底部的電場強度高于仿真結果,這是由于在高電壓下器件內部已產生雪崩電流,雪崩產生的電子在正向漏源電壓下向漏極移動,使溝槽底部電場強度降低,而解析模型并未考慮到雪崩載流子對電場強度分布的影響.

圖9 不同電壓下電場解析結果和仿真結果的對比Fig.9.Comparison of electric field analysis results and simulation results under different drain-source voltages.

4.2 電場解析模型的修正

考慮上雪崩產生的載流子對電場強度分布的影響,引入雪崩電流來對電場解析模型進行修正.器件在113 V 電壓下的漏極電流為1×10—3A,此時器件空間電荷區的摻雜濃度為有效摻雜濃度,需要考慮上雪崩產生的電子和空穴[22]:

電子和空穴有關電場強度的漂移速度表達式如下[23]:

在空間電荷區中電子電流連續性方程如下:

總電流密度J等于:

電子和空穴有關電場強度的的碰撞電離率為

通過求解以上非線性方程組,最終可得修正后的電場解析表達式為

將V=113 V,J=1×10—3A 代入(34)式,得到修正后的電場強度解析模型如圖10 所示,可以看出其與仿真結果符合得較好.

圖10 修正后的電場解析模型Fig.10.Revised electric field analytical model.

4.3 參數優化

在1.4 μm 臺面寬度下,器件擊穿電壓隨場氧厚度增加而線性增大,說明此時屏蔽柵能夠較好的輔助耗盡漂移區.因此建立了1.4 μm 臺面寬度下不同場氧厚度的電場解析模型,如圖11 所示.隨著場氧厚度增大,元胞間漂移區軸對稱線上的電場強度分布越加均勻,在0.68 μm 場氧厚度下,J1結和溝槽底部的電場峰值幾乎相等,達到最優電場強度分布.

圖11 不同場氧厚度下的電場解析模型Fig.11.Analytical model of electric field under different field oxygen thicknesses.

通常通過優值參數來評估器件的性能,其中優值FOM1是評估器件靜態特性的指標,由(35)式定義.擊穿電壓VBR越高,導通電阻Ron越小,則優值FOM1越大,代表器件擊穿電壓和導通電阻折中越好,器件靜態特性越優異.

器件在不同場氧厚度下的Ron、VBR、歸一化優值FOM1如圖12 所示.通態時屏蔽柵極與源極接零電位,會使電子電流遠離靠近屏蔽柵極側的漂移區.而隨著場氧厚度增大,電子電流導通面積增大,因此器件導通電阻降低.在0.68 μm 場氧厚度下優值FOM1最大,表明此時器件的靜態特性最佳.

圖12 不同場氧厚度下的Ron、VBR、歸一化優值FOM1Fig.12.Ron,VBR,and normalized FOM1 under different.

優值FOM2是評估器件開關特性的指標,定義為

其中導通電阻Ron越小,柵電荷Qg越少,則優值FOM2越小,代表器件開關速度越快,功耗越少,器件動態特性越優異.

不同場氧厚度下的柵電荷如圖13 所示,測試條件為VDD=80 V,VGS=10 V,Ig=6.5 mA,Id=13 A.隨著場氧厚度增大,柵源電容減小,因此柵源電荷降低.雖然不同場氧厚度下器件擊穿電壓不同,但由于屏蔽柵可以充分輔助耗盡n 漂移區,場氧厚度的變化對空間電荷區展寬影響很小,因此柵漏電荷幾乎不變.

圖13 不同場氧厚度下的柵電荷Fig.13.Gate charges under different field oxygen thicknesses.

器件在不同場氧厚度下的Ron、柵電荷Qg、優值FOM2如圖14 所示.在0.68 μm 場氧厚度下優值FOM2最小,表明此時器件的動態特性最佳.相對于圖1 中場氧厚度為0.58 μm 的SGTMOSFET產品,在優化后的0.68 μm 場氧厚度下FOM1提升了18.9%,FOM2降低了8.5%,因此器件的靜動態特性均得到明顯改善.

圖14 不同場氧厚度下的Ron、Qg、優值FOM2Fig.14.Ron,Qg,and FOM2 under different field oxygen thickness.

5 結論

SGT-MOSFET 場氧厚度和臺面寬度對器件擊穿電壓以及電場強度分布的影響不是相互獨立的,參數越多其對電場強度分布影響的關聯性越復雜.本文通過建立與器件各個結構參數相關的電場解析模型,為器件結構設計提供了理論依據;并引入雪崩載流子對小電流下的電場解析模型進行了修正,使得解析結果和仿真結果吻合較好;通過修正后的電場解析模型提取了最優電場下的場氧厚度.與原本0.58 μm 場氧厚度的SGTMOSFET 產品相比,在0.68 μm 最優場氧厚度下器件的優值參數FOM1提升了18.9%,FOM2降低了8.5%,使得器件的靜、動態特性均得到明顯改善,從而極大地提升了相應產品的性能.