LDMOS 器件性能研究與綜述

趙婉婉,廖婉奇

(上海電力大學(xué),上海 200090)

前言

功率器件的關(guān)鍵在于實現(xiàn)高耐壓和低功耗。作為功率半導(dǎo)體的主力器件,功率LDMOS 器件存在著Ron,sp∝BV2.5(擊穿電壓 Breakdown Voltage,BV；比導(dǎo)通電阻Specific On-Resistance,Ron,sp)的“硅極限”制約關(guān)系。在提高器件擊穿電壓的同時,比導(dǎo)通電阻也會隨之而增大。因此打破“硅極限”的制約關(guān)系,緩解擊穿電壓和比導(dǎo)通電阻間的矛盾關(guān)系,在提高器件擊穿電壓的同時降低比導(dǎo)通電阻,成為功率器件設(shè)計時需要考慮的重要問題。LDMOS 器件作為一種功率器件,為了更好的實現(xiàn)器件高擊穿電壓和低導(dǎo)通電阻,研究人員從器件新機(jī)理以及新結(jié)構(gòu)等方面出發(fā),不斷尋求的突破點,以便能夠更好的提升器件性能。本文從不同方面對以存在的研究方法以及研究機(jī)理展開研究。

1 淺溝槽隔離(STI)技術(shù)

在不過多損失Ron,sp的情況下提高BV,在漂移區(qū)中應(yīng)用STI 技術(shù)是一種十分可行的方案。漂移區(qū)引入STI能在不增加漂移區(qū)直線長度的情況下,增大器件體區(qū)到漏極之間有效的表面距離,提高器件的擊穿電壓。但是傳統(tǒng)的STI 開態(tài)的電流路徑較長,在STI 拐角處電流擁擠,對Ron,sp的影響較大。同時由于傳統(tǒng)STI 的邊緣較深,使得高BV 的LDMOS 很難實現(xiàn)低Ron,sp,因此人們在傳統(tǒng)STI 的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新,從而更好的提升器件性能。

STI 技術(shù)因STI 結(jié)構(gòu)的不同又可以分為full-STI 和split-STI,split-STI 的提出是因為full-STI 阻礙了源端到漏端的電流路徑?；赟TI 的LDMOS 的不足之處在于：由于電流多集中在STI 的底部邊緣,會產(chǎn)生碰撞電離和熱載流子。STI 中的熱載流子會捕獲電荷,同時在STI 和硅界面因碰撞電離而產(chǎn)生的界面態(tài),都會影響器件的性能。2017 年,Jin 等[1]人提出了一種新型的超淺槽隔離(USTI)和p 型掩埋層的結(jié)構(gòu),進(jìn)一步降低比導(dǎo)通電阻同時保持較高的BV,該結(jié)構(gòu)利用漂移區(qū)的USTI 結(jié)構(gòu)縮短電流流通路徑減小了Ron,sp,同時使得表面電場變得光滑。2018 年,Liu 等[2]人提出了 H 型的 STI LDMOS 降低器件的比導(dǎo)通電阻。H-STI 能從多方向上增強(qiáng)介質(zhì)降低表面場效應(yīng),使得漂移區(qū)耗盡得更完全。同時H 型的STI 降低了高漏電流下器件表面的電場峰值和碰撞電離速率,而器件表面附近仍保留額外的電流路徑,使得器件的比導(dǎo)通電阻降低,改善器件的性能。

淺溝槽隔離技術(shù)除了應(yīng)用在漂移區(qū)提升器件BV,STI 還可以為器件提供隔離作用、減少關(guān)態(tài)電流以及防止相鄰器件間的泄露電流。

2 場板技術(shù)

場板是一種廣泛應(yīng)用于橫向功率器件的電場優(yōu)化技術(shù),該技術(shù)通關(guān)過增加場板,在不改變器件比導(dǎo)通電阻的情況下,提高器件的耐壓性能。器件表面電荷會對器件的擊穿電場產(chǎn)生影響,當(dāng)耗盡區(qū)表面存在電力線時,這些電力線會終止在器件的表面電荷上,會受到器件表面電場的影響,耗盡區(qū)表面的形狀以及電場的分布都會因此發(fā)生改變,從而改變器件的擊穿電壓。場板技術(shù)通過在器件表面覆蓋場板,通過改變場板電壓改變器件的擊穿電壓。

通過在氧化物溝槽中引入兩個中心對稱的垂直場板(CDVFP),可以達(dá)到提高器件的擊穿電壓以及降低器件比導(dǎo)通電阻的目標(biāo)[3]。器件中的兩個垂直場板一個與柵極相連,一個與漏極相連。在關(guān)態(tài)時,CDVFP 在氧化溝槽中引入高電場,在溝槽表面附近形成兩個新的電場峰值,優(yōu)化器件整體電場。柵場板引起的輔助耗盡效應(yīng)有助于漂移區(qū)達(dá)到更高的摻雜濃度。開態(tài)時,由于摻雜區(qū)濃度較高,使得器件的比導(dǎo)通電阻較小,一定程度上緩解了器件擊穿電壓和比導(dǎo)通電阻的矛盾關(guān)系,改善了器件的性能。

Cheng 等[4]人在2019 年提出了一種包含準(zhǔn)垂直超結(jié)(quasi vertical super junction,QVSJ)和電阻型場板(RFP)的溝槽型LDMOS 器件,在該結(jié)構(gòu)中電阻型場板被嵌入到溝槽中。因為場板的存在能夠調(diào)節(jié)表面電場分布,消除溝槽電容的影響,使得QVSJ 區(qū)域能夠滿足器件平衡的條件。正是因為RFP 的影響,使得器件的寬度以及QVSJ 的摻雜都得到了極大的優(yōu)化,器件的性能更加優(yōu)異。而且RFP 的存在幾乎不會增加工藝流程的復(fù)雜度,卻讓器件的性能得到了優(yōu)化。這也是場板技術(shù)能夠得到廣泛應(yīng)用的一個很重要的原因,即在不增加器件制造復(fù)雜性的基礎(chǔ)上提升器件性能。

場板技術(shù)除了通過嵌入溝槽中與電極相連,還可以直接用在電極上,對器件表面電場進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整,改善器件性能。雖然場板技術(shù)能夠優(yōu)化器件的表面電場改善器件性能,但是也存在著不足之處。比如對于二維的場板,其電場雖然得到了優(yōu)化,但是電場分布的距離以及電場分布的均勻性仍存在一定的限制。Zhang 等[5]人在2019年通過研究發(fā)現(xiàn)三維的場板能在一定程度上緩解二維場板所存在的不足之處,并且提出了不同密度的三維場板結(jié)構(gòu)(3-D-VDFP),使得器件電場分布的距離以及均勻性得到了極大的改善,器件性能得到提升。同時3-DVDFP 還可以和其他應(yīng)用于漂移區(qū)的技術(shù)相結(jié)合,進(jìn)一步提升器件性能。

場板技術(shù)與不同電極相連形成不同的場板,如源極場板、柵場板以及漏極場板。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)器件同時采用源極場板和柵極場板時,且結(jié)構(gòu)相同時,柵極場區(qū)域?qū)舸╇妷旱挠绊懸仍礃O場板小。主要原因是因為柵極場板區(qū)域的表面電場由柵極場板和阱同時影響,而源極場板區(qū)域的表面電場主要是由源極場板優(yōu)化。所以實際應(yīng)用研究時,多集中在源極場板對器件性能改善的研究上。

3 槽型技術(shù)

為了提高LDMOS 的效率,有學(xué)者提出了槽型的LDMOS(T-LDMOS)結(jié)構(gòu),槽型結(jié)構(gòu)的提出為緩解擊穿電壓和比導(dǎo)通電阻的矛盾關(guān)系提供了新的方向。

其中一種是通過在漂移區(qū)引入介質(zhì)槽,達(dá)到提高器件耐壓的目的。此種槽型LDMOS 是在漂移區(qū)刻蝕溝槽,利用電介質(zhì)填充溝槽,來維持大部分的表面電壓。溝槽的存在等效于增加了漂移區(qū)長度,且介質(zhì)的擊穿強(qiáng)度通常比硅強(qiáng)得多,對于同樣的BV,器件寬度可以大大減小。而比導(dǎo)通電阻RON,SP是由開態(tài)電阻乘以芯片有效面積得到的[6],器件寬度的減小,會降低比導(dǎo)通電阻值。溝槽型LDMOS除了在漂移區(qū)引入溝槽,還有槽型電極的LDMOS,如槽柵、槽源等。槽型的源漏拓展了有效的導(dǎo)通面積以及縮短了電流路徑長,降低了器件的比導(dǎo)通電阻,提高器件跨導(dǎo)(split tripe-gate)。槽柵的應(yīng)用通過減小器件的溝道電阻達(dá)到降低器件的比導(dǎo)通電阻的目的。

在研究槽型LDMOS 的同時上,研究學(xué)者開始對柵結(jié)構(gòu)展開了研究。2019 年,Wu 等[7]人提出一種階梯分離保護(hù)柵(PG)的結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)不僅能夠輔助漂移區(qū)的耗盡,還能夠調(diào)節(jié)垂直電場。同時該結(jié)構(gòu)還減小了米勒電容,降低了器件的柵漏電荷以及轉(zhuǎn)換損耗,改善了器件性能。2017 年,Ge 等[8]人研究了一種延伸型的三柵器件的性能,發(fā)現(xiàn)器件的比導(dǎo)通電阻降低了90%,器件的性能得到了極大的改善。

在提高LDMOS 器件性能上除了以上方法,也有研究學(xué)者通過在阱下嵌入p/n 柱[9]或者掩埋層[10],達(dá)到提高擊穿電壓,降低比導(dǎo)通電阻的目的。掩埋層的引入可以提供一個低電阻的導(dǎo)通路徑同時減小溝道電阻,從而使得器件的比導(dǎo)通電阻降低。p/n 柱的加入可以通過對漂移區(qū)的輔助耗盡效應(yīng)增強(qiáng)器件的擊穿電壓,通過優(yōu)化漂移區(qū)的摻雜濃度降低器件的比導(dǎo)通電阻。而在襯底上引入懸浮層(floating layer)[11],不僅能夠調(diào)節(jié)源漏端的電勢分布,還引入了額外的垂直二極管使得器件能夠保持較高的擊穿電壓,一定程度上緩解了擊穿電壓和比導(dǎo)通電阻的矛盾關(guān)系,很好地權(quán)衡了兩者的關(guān)系。

4 結(jié)束語

LDMOS 作為一種功率型器件,提升器件的擊穿電壓以及降低器件的比導(dǎo)通電阻,都能夠很好的改善器件性能。本文著重介紹了幾種LDMOS 性能改善的研究方法,展示了人們在改善LDMOS 器件性能上做出的努力以及取得的成就,為進(jìn)一步研究LDMOS 器件奠定了基礎(chǔ)。