SJ LDMOS器件结构仿真与研究

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近年来,随着全球能源需求的不断增长以及环境保护意识的逐步提升,高效节能产品逐渐成为市场发展的新趋势。传统SJ MOSFET具有比导通电阻小、功耗低以及在相同比导通电阻下器件面积小的特点,成为了功率MOSFET新的发展趋势。随着半导体工艺技术的不断发展,以及器件尺寸的不断减小,对带有超结(Superjunction)结构的横向双扩散功率MOSFET(SJ LDMOS)的技术要求不断提高。超结结构因其制造工艺过程复杂而且器件本身的衬底辅助耗尽效应易导致电荷非平衡的情况出现,引起击穿电压的下降。为了消除衬底辅助耗尽效应,缓解电荷非平衡的情况对器件耐压造成的影响,改进器件结构不仅能够简化工艺,降低成本,同时可以提高耐压,降低通态电阻,满足对能量的合理利用。本文研究的内容主要是围绕SJ LDMOS器件的击穿电压和比导通电阻两个方面,另外对于各个器件的结构参数影响也作了相应的分析讨论。主要包括三种器件结构:具有阶梯SJ结构的Step-SJ LDMOS(SSJ LDMOS)、边氧结构的类SJ LDMOS(OB LDMOS)和集成肖特基接触的SJ LDMOS。具体的研究内容如下:(1)研究了具有阶梯SJ结构的SJ LDMOS器件,结构特点是将传统超结器件的SJ结构漂移区分成PN柱浓度差互补的两部分,该结构对于SJ结构PN柱间出现浓度偏差时引起的耐压衰减具有良好的抑制作用。通过仿真软件Silvaco TCAD的仿真结果表明,在相同的器件尺寸的条件下,通过对阶梯SJ的位置和尺寸优化,可得到当台阶位置位于漂移区的中部且台阶宽度为1.0μm时,采用阶梯SJ结构的SJ LDMOS器件的击穿电压在浓度偏离平衡±10%的情况下击穿电压衰减速度明显低于普通SJ LDMOS结构,且比导通电阻降低了近34.9%。(2)研究了具有边氧(Oxide Bypassed,OB)结构的类SJ LDMOS器件,该器件的结构特点是在N型漂移区刻蚀沟槽,然后在该沟槽侧壁及底部生成一层二氧化硅膜,其余的空隙填充导电材料,文中用的是多晶硅填充。该OB结构相当于替代了SJ结构中的P柱区,因而获得了与SJ LDMOS相比拟的特性,但是由于该结构对电场的调节作用不如SJ结构,仅可以在保持器件的击穿电压不变的情况下降低器件的比导通电阻,又提出了角度侧氧(Gradient Oxide Bypassed,GOB)结构,由于侧壁氧化膜厚度从源端到漏端渐变增厚,因而对漂移区电场的调节能力提高,从而使器件的性能得到提高。通过仿真软件Silvaco TCAD进行三维数值模拟得到该器件结构相关特性,经过仿真分析,结果表明在相同的器件结构尺寸条件下,OB LDMOS相比于普通SJ LDMOS击穿电压没有提高,但是比导通电阻从3.81m Ω cm~2降低到1.96mΩ cm~2;另GOB LDMOS器件的击穿电压提高了8.2%,比导通电阻相较于传统SJ LDMOS器件从3.81mΩ cm~2降低到2.04m Ω cm~2。(3)研究了集成肖特基接触的SJ LDMOS,其结构特点是在普通SJ器件靠近源端附近集成了肖特基接触,这就相当于并联了一个肖特基二极管,由于肖特基接触的反向恢复特性优于器件内部寄生的体二极管,提高了器件的反向恢复特性,器件的开关速度得到提高。通过软件Silvaco TCAD进行三维数值模拟仿真,得到该器件结构的仿真结果。结果表明在不影响器件的击穿电压、比导通电阻等电学特性的情况下,集成肖特基接触SJ LDMOS反向恢复时间缩短。且与传统结构的SJ LDMOS器件相比,器件的击穿电压相同情况下,比导通电阻降低了18%。此外由于器件建立在SOI基衬底上,因而对器件进行了热效应分析,仿真结果表明在温度升高的情况下,由于器件迁移率下降及饱和速率的降低,使得器件表现出阈值电压漂移及泄漏电流下降的效应。
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