杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院 李阜驕 張海鵬 郝希亮 何 健 張 強(qiáng)

N漂移區(qū)減薄的BPL SOI LDMOS器件的耐壓特性

杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院 李阜驕 張海鵬 郝希亮 何 健 張 強(qiáng)

為了提高橫向小尺寸薄埋氧層BPL SOI LDMOS器件的橫向耐壓，提出一種N漂移區(qū)減薄的BPL SOI LDMOS結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)在BPL SOI LDMOS N漂移區(qū)的上表面引入一個溝槽。當(dāng)器件正向截止時，與原結(jié)構(gòu)相比，新結(jié)構(gòu)具有更高的橫向耐壓值和漂移區(qū)最優(yōu)摻雜濃度。采用2維數(shù)值仿真工具TCAD對該器件結(jié)構(gòu)仿真測試，結(jié)果表明與原結(jié)構(gòu)相比，該結(jié)構(gòu)橫向耐壓得到顯著提高。

溝槽；N漂移區(qū)；BPL SOI LDMOS；橫向耐壓

0　引言

相比于體硅功率集成電路，SOI功率集成電路具有隔離性能更好、工作速度更高、抗輻射能力更強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，逐漸受到從業(yè)者的關(guān)注，其中關(guān)于SOI高壓功率器件耐壓值的提高是研究的熱點(diǎn)之一[1-5]。在滿足RESURF原理的基礎(chǔ)上，當(dāng)漂移區(qū)長度較短時，SOI LDMOS器件的橫向耐壓一般會低于縱向耐壓。而在SOI橫向高壓功率器件中，擊穿電壓取決于橫向耐壓和縱向耐壓中的較小者，所以漂移區(qū)長度較短的器件中，器件耐壓值的大小一般取決于橫向耐壓值。傳統(tǒng)SOI LDMOS結(jié)構(gòu)通常是通過在較長的漂移區(qū)長度上利用場板技術(shù)[6]、橫向變摻雜技術(shù)[7]等方式調(diào)整表面場分布來獲取高的橫向耐壓值，但當(dāng)漂移區(qū)長度較短時，上述技術(shù)的作用不甚明顯。BPL SOI LDMOS結(jié)構(gòu)利用N型漂移區(qū)與P埋層之間的反偏PN結(jié)承擔(dān)器件絕大部分縱向耐壓，獲得了很高的縱向耐壓值，解決了縱向耐壓的問題[8]，在漂移區(qū)長度較短時，器件橫向耐壓成為限制器件耐壓的主要因素。針對該問題提出一種采用溝槽減薄N漂移區(qū)(Trench N-Drift，TND)的BPL SOI LDMOS結(jié)構(gòu)來提高器件的橫向耐壓值。該結(jié)構(gòu)通過在BPL SOI LDMOS的N漂移區(qū)上表面引入一個溝槽，利用溝槽的結(jié)構(gòu)參數(shù)增加了電場積分路徑，同時柵場板適當(dāng)覆蓋溝槽頂部，將橫向峰值電場引入溝槽中，通過溝槽內(nèi)低介電常數(shù)的填充物，阻止器件在該點(diǎn)發(fā)生擊穿，以期能夠有效提高器件的橫向耐壓。

1　TND BPL SOI LDMOS器件結(jié)構(gòu)

BPL SOI LDMOS結(jié)構(gòu)和Trench BPL SOI LDMOS結(jié)構(gòu)的橫截面示意圖如圖1(a)、(b)所示。相對于圖1(a)中的結(jié)構(gòu)，圖1(b)中的TND BPL SOI LDMOS結(jié)構(gòu)在BPL SOI LDMOS結(jié)構(gòu)中N漂移區(qū)頂部增加一個氧化物溝槽，同時柵極場板和漏極場板末端延長覆蓋部分溝槽。為分析TND BPL SOI LDMOS結(jié)構(gòu)的特性，除漂移區(qū)濃度Nd和溝槽深度ttr之外，其它主要參數(shù)固定如下：埋氧層厚度tBOX為0.2μm，漂移區(qū)厚度tSOI為20μm，BPL厚度tBPL和硼摻雜濃度分別為40μm和1×1014cm-3，溝道長度Lch為2μm，柵場板長度和漏極場板長度均為7μm，柵氧厚度為300?，漂移區(qū)長度Ld為25μm。當(dāng)溝槽長度Ltr固定為19μm時，溝槽深度ttr是所提出新結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)之一，取BPL SOI LDMOS漂移區(qū)上表面為縱向坐標(biāo)原點(diǎn)。

2　TND BPL SOI LDMOS工作機(jī)理

與BPL SOI LDMOS結(jié)構(gòu)相比，由于頂部溝槽的存在，TND BPL SOI LDMOS結(jié)構(gòu)中電場積分路徑由原本漏極端到源極端近乎直線的路徑變?yōu)橛陕O端沿著溝槽的邊緣到達(dá)源極端的路徑。因此，溝槽的存在客觀的增長了器件在橫向上電場積分路徑，也即變相的增長了漂移區(qū)長度，由此可以提高橫向耐壓。TND BPL SOI LDMOS結(jié)構(gòu)中階梯柵極場板末端覆蓋部分溝槽，其目的是將原本硅上表面場板末端的電場尖峰轉(zhuǎn)移到溝槽中，溝槽內(nèi)填充了具有高臨界場強(qiáng)的低介電常數(shù)材料，使該結(jié)構(gòu)在橫向上可以承受更高的外加電壓。

圖1　截面結(jié)構(gòu)示意圖

3　TND BPL SOI LDMOS耐壓特性分析

利用二維仿真軟件TCAD對上述結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，仿真過程中設(shè)置源極、柵極和襯底都接地，二維電場分布如圖2所示。保持漂移區(qū)摻雜濃度不變，圖2(a)為BPL SOI LDMOS達(dá)到擊穿電壓時的二維電場分布。由圖2(a)可見，BPL SOI LDMOS結(jié)構(gòu)硅膜中的電場尖峰位于柵極和漏極場板末端下方、漏極歐姆接觸區(qū)左下角拐點(diǎn)以及P阱右下角附近。圖2(b)為漏端所加電壓大小等于圖2(a)擊穿電壓時的TND BPL SOI LDMOS結(jié)構(gòu)的二維電場分布。由圖2(b)可見，溝槽的存在可顯著降低溝槽左右兩側(cè)的電場尖峰。圖2(c)為TND BPL SOI LDMOS結(jié)構(gòu)達(dá)到擊穿電壓時的二維電場分布。由圖2(c)可見TND BPL SOI LDMOS結(jié)構(gòu)硅膜中的電場尖峰點(diǎn)位于漏極歐姆接觸區(qū)左下角拐點(diǎn)以及溝槽右下角，柵極和漏極場板末端的電場尖峰被引入溝槽內(nèi)；與圖2(a)相比，可以看出圖2(c)中溝槽左側(cè)電場強(qiáng)度被顯著減小。

圖2　二維電場分布

圖3　一維橫向電場分布圖

圖3(a)為圖2所描述三種情況在y=0時的一維橫向表面電場分布曲線。由圖3(a)可見，在表面處三種情況均有四個明顯的電場尖峰，有所不同的是與BPL SOI LDMOS相比，TND BPL SOI LDMOS曲線溝槽部分的電場尖峰均顯著提高，這是因為硅和氧化物之間介電常數(shù)有差別引起的，N漂移區(qū)與溝槽交界面處電場強(qiáng)度遵循高斯定律；圖3(b)為圖2中描述的三種情況在y=2時的一維橫向表面電場分布曲線。由圖3(b)可見，漏極歐姆接觸區(qū)左下拐角處的電場強(qiáng)度在漂移區(qū)硅膜部分最高，該處電場強(qiáng)度達(dá)到臨界電場時即發(fā)生擊穿。與相同電壓下BPL SOI LDMOS結(jié)構(gòu)比較，TND BPL SOI LDMOS結(jié)構(gòu)中溝槽的存在明顯降低了拐角處的電場強(qiáng)度，只有當(dāng)漏極電壓增大，拐角處電場強(qiáng)度重新達(dá)到臨界場強(qiáng)時，器件才又重新發(fā)生擊穿。

保持N漂移區(qū)摻雜濃度不變，圖4為TND BPL SOI LDMOS結(jié)構(gòu)中溝槽深度與擊穿電壓和相應(yīng)通態(tài)電阻的關(guān)系曲線。由擊穿電壓與溝槽深度的關(guān)系曲線可見，隨著溝槽深度的增大，擊穿電壓先快速增大然后緩慢增大，這是由于隨著溝槽深度增大，溝槽對兩側(cè)電場的調(diào)制作用得到增強(qiáng)，到達(dá)一定程度溝槽深度繼續(xù)增大，溝槽對兩側(cè)電場的調(diào)制作用逐漸達(dá)到飽和。由通態(tài)電阻與溝槽深度的關(guān)系曲線可見，隨溝槽深度的增大，通態(tài)電阻先緩慢增大然后迅速增大。這是由于當(dāng)器件處于導(dǎo)通狀態(tài)時，溝槽深度越深，溝槽下表面與BPL層間的距離越小，在外加電壓下，N漂移區(qū)與BPL層之間電流傳導(dǎo)路徑越易被兩者形成的耗盡層所夾斷，從而引起通態(tài)電阻的急劇增加。

圖4　溝槽深度對器件性能的影響

圖5　溝槽深度對擊穿電壓和通態(tài)電阻的影響

圖6　溝槽深度對FOM值的影響

圖5為TND BPL SOI LDMOS結(jié)構(gòu)在不同溝槽深度下，改變漂移區(qū)濃度得到對應(yīng)的最大擊穿電壓以及通態(tài)電阻與溝槽深度的關(guān)系曲線，同時圖中包含BPL SOI LDMOS結(jié)構(gòu)相應(yīng)擊穿電壓和通態(tài)電阻。由圖5中TND BPL SOI LDMOS結(jié)構(gòu)最大擊穿電壓與溝槽深度的關(guān)系可見，隨著溝槽深度的增大，最優(yōu)擊穿電壓先保持較快速度增長，爾后趨于一個定值。擊穿電壓變化曲線的特性主要是由于當(dāng)溝槽深度達(dá)到一定程度后對擊穿點(diǎn)處電場的調(diào)制作用增量開始變得不甚明顯。通態(tài)電阻先降后升是由于其大小隨漂移區(qū)濃度增大和載流子輸運(yùn)路徑變窄共同影響，由圖可以看出，前期漂移區(qū)濃度的影響是主要作用，后期載流子輸運(yùn)路徑變窄是主要作用。

在SOI橫向高壓功率器件的設(shè)計中，擊穿電壓BV和比導(dǎo)通電阻Ron,sp是兩個關(guān)鍵指標(biāo)，器件的性能需要在這兩者之間進(jìn)行折中選擇，F(xiàn)igure of Merit(FOM=BV2/Ron,sp)優(yōu)值是評價這種折中關(guān)系優(yōu)劣的指標(biāo)之一（溝槽結(jié)構(gòu)中比導(dǎo)通電阻不易取得，以通態(tài)電阻代替），引入圖6所示的溝槽深度與FOM值的關(guān)系曲線。從圖6中可見，溝槽深度與FOM值的關(guān)系曲線先升后降，TND BPL SOI LDMOS器件在溝槽深度為15μm時FOM值最高，選取溝槽深度為15μm時的TND BPL SOI LDMOS結(jié)構(gòu)與BPL SOI LDMOS結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較?？梢园l(fā)現(xiàn)，雖然TND BPL SOI LDMOS結(jié)構(gòu)相較BPL SOI LDMOS結(jié)構(gòu)通態(tài)電阻有所增大，但擊穿電壓提升了83.5%，F(xiàn)OM值提高了68.5%。

4　結(jié)論

SOI LDMOS器件在漂移區(qū)較短的情況下，橫向耐壓不易提高，提出一種TND BPL SOI LDMOS來對該情況進(jìn)行改善。針對漂移區(qū)較短的情況，利用溝槽深度的改變調(diào)制溝槽兩側(cè)電場強(qiáng)度分布，增加電場積分路徑，使橫向耐壓獲得極大的增強(qiáng)。當(dāng)在第1小節(jié)所示基本參數(shù)下，當(dāng)溝槽深度為15μm時，通過優(yōu)化漂移區(qū)濃度，TND BPL SOI LDMOS可獲得690V的耐壓值，而BPL SOI LDMOS耐壓值只有376V。前者與后者相比，雖然通態(tài)電阻略有提升，但擊穿電壓提升了83.5%，F(xiàn)OM值提高了68.5%。

[1]謝書珊,亢寶位.功率集成電路技術(shù)的發(fā)展[J].電力電子,2005(01): 4-10.

[2]D M Garner,F Udrea,H T Lim,et al.Silicon-on-insulator power integrated circuits[J].Microelectronics Journal,2001(32):517-526.

[3]張海鵬,宋安飛,楊國勇,等.漂移區(qū)減薄的多溝道薄膜SOl LIGBT的研究(I)——低壓截止態(tài)泄漏電流的溫度特性[J].固體電子學(xué)研究與進(jìn)展,2001,21(1):37-42.

[4]張海鵬,邱曉軍,胡曉萍,等.DRT MC SOl LIGBT器件漂移區(qū)新結(jié)構(gòu)的可實(shí)現(xiàn)性[J].電子器件,2006,29(1):8-21.

[5]H P Zhang,Lifei Jiang,Lingling Sun,et a1.A novel SOI LDMOS with a Trench Gate and Field Plate and Trench Drain for RF applications[C]//Proe.Of ISCIT’2007,2007,34-39.

[6]Der Gao Lin,S L Tu,Yee Chaung See,and Pak Tam.A novel LDMOS structure with a step gate oxide[C].1995 International Electron Devices Meeting,1995:963-966.

[7]R Sunkavalli,A Tamba,and B J Baliga.Step drift doping profile for high voltage DI lateral power devices[C].Proceedings 1995 IEEE International SOI Conference,1995:139-140.

[8]Xu Shenggen,Zhang Haipeng,Fan Lingyan,et al.Forward Block Characteristic of a Novel RF SOI LDMOS with a Buried P-type Layer,2010 IEEE International SOI Conference,Oct.11-14,2010,CA,USA:88-89.

李阜驕（1990—），山東曲阜人，研究生，現(xiàn)就讀于杭州電子科技大學(xué)。