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横向高压DMOS体内场优化与新结构

成建兵  
【摘要】: 横向高压DMOS(Double-diffused MOSFET)是功率集成电路(Power IntegratedCircuit,PIC)中的核心器件。耐压特性是功率器件的关键问题,横向功率器件存在其固有的二维耐压问题,即二维电场优化问题。国际上对提高器件的横向耐压或优化横向电场进行了大量卓有成效的研究,但对包含纵向电场优化的纵向耐压问题尚待更进一步的深入。 针对高压横向DMOS中的二维电场优化问题,本论文提出硅基体内场优化模型,即二维电场优化模型,基于硅基引入新耐压构造产生附加场的调制效应,降低体内高电场和提高体内低电场,通过求解二维和三维泊松方程,获得体内场和表面场分布,以同时优化体内场和表面场分布,提高器件的击穿电压。在体内场优化模型的指导下提出纵向结终端技术,通过耗尽浮空埋层中空间电荷对体内高电场的调制作用,降低高电场峰值,延缓器件的击穿,以提高器件的纵向耐压。本论文还将体内场优化模型应用到RESURF LDMOS和超结LDMOS(SJ-LDMOS)中,设计了以下三类纵向新型器件: (1)具有纵向浮空埋层的LDMOS(FBL-LDMOS)。此结构在P型衬底中嵌入一浮空的部分N型埋层,利用浮空埋层的电场调制效应,优化体内场及表面场分布。分析结果表明:当漂移区厚度仅为2μm、长度为100μm以及衬底浓度为1.5×10~(14)cm~(-3)时,新结构的击穿电压较常规LDMOS提高79%,优值(FOM)提高136%。在仿真分析的基础上,对FBL-LDMOS进行了流片实验,测试结果表明:当衬底电阻率为80Ω·cm和漂移区厚度为4μm时,新结构的击穿电压为850V,而与之对比的相同电阻率单晶衬底上LDMOS的耐压为650V,增加幅度为31%。 (2)具有纵向均匀多浮空埋层的LDMOS(LJT-LDMOS)。此结构基于纵向结终端技术设计,在P型衬底中嵌入一系列结构参数相同的浮空埋层,由于耗尽后浮空埋层中空间电荷产生的新电场与漏侧高电场方向相反,降低此高电场。分析结果表明:当漂移区薄至2μm时,新结构的耐压特性比常规结构提高111%。利用不同长度和不同间隔多埋层对体内场和漂移区电场更好的调制作用,本论文还研究了具有纵向非均匀多浮空埋层的LDMOS(NUMF-LDMOS)。变化的埋层长度及其间隔使得体内场分布水平更高,电场分布更均匀,在提高器件可靠性的同时,增强了器件的耐压特性。分析结果表明:新结构的击穿电压较常规结构提高133%。 (3)具有阶梯掺杂buffer层的超结LDMOS(SSJ-LDMOS)以及具有浮空埋层的SJ-LDMOS(FBSJ-LDMOS)。前者利用buffer层中非均匀浓度电荷对超结P柱区中非均匀分布过剩载流子的补偿,消除横向超结DMOS器件中衬底辅助耗尽效应。并且相邻阶梯掺杂浓度差电荷所产生的一系列新电场峰使体内场更优化。仿真结果表明:在相同的衬底浓度1×10~(14)cm~(-3)、超结掺杂浓度6×10~(16)cm~(-3)和48μm漂移区长度情况下,本文提出的新结构的击穿电压为644.9V(阶梯数n=3),而常规超结LDMOS的击穿电压仅为121.7V。本论文还提出具有浮空埋层的SJ-LDMOS。该结构将体内场优化模型应用到三维超结横向DMOS中,在衬底中引入N型浮空埋层,利用反向新PN结承担大部分的纵向电压。一方面优化体内场,提高了器件的纵向击穿电压;另一方面消除了横向超结DMOS中的衬底辅助耗尽效应,发挥了超结耐高压、低导通电阻的优点。仿真结果表明:当漂移区长度均为60μm时,具有浮空埋层的SJ-LDMOS击穿电压为932V,而具有buffer层SJ-LDMOS的击穿电压为604V,耐压提高幅度为54%。本论文还对FBSJ-LDMOS进行了实验验证,制造出40μm漂移区长度、击穿电压高达580V的具有浮空埋层的SJ-LDMOS,其优值(FOM)为5.84×10~5V~2/(Ω·cm~2),较采用常规工艺的SJ-LDMOS提高了77.5%。


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