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        U-MOSFET溝槽深度對特性影響的仿真分析

        2019-11-06 00:27:50王南南關(guān)艷霞
        微處理機 2019年5期
        關(guān)鍵詞:基區(qū)導(dǎo)通溝槽

        王南南,關(guān)艷霞

        (沈陽工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,沈陽 110870)

        1 引 言

        功率MOSFET 作為電壓控制型器件,具有輸入阻抗高,控制電路簡單,開關(guān)速度快,溫度穩(wěn)定性好,不會發(fā)生二次擊穿等優(yōu)點[1]。最初實現(xiàn)商業(yè)化的功率MOSFET 為VDMOSFET 結(jié)構(gòu),采用雙擴散工藝實現(xiàn),工藝簡單。功率MOSFET 為單極型器件,因此導(dǎo)通電阻限制了該結(jié)構(gòu)的電流處理能力[2-3]。雖然可通過優(yōu)化VDMOSFET 的結(jié)構(gòu)參數(shù),減小其通態(tài)電阻,但VDMOSFET 所固有的寄生電阻RJFET使其導(dǎo)通電阻的進一步降低受到了限制?;诓蹡殴に囁_發(fā)的 U-MOSFET 消除了VDMOSFET 中的 RJFET,能進一步減小導(dǎo)通電阻。功率U-MOSFET 一般適用于低壓,這是因為在阻斷狀態(tài)下,溝槽底部的拐角處會出現(xiàn)電場集中的情況從而易使器件發(fā)生提前擊穿,造成器件失效[4]。所以,功率U-MOSFET 大多數(shù)情況下被用在200V 低壓控制電路中。溝槽參數(shù)對導(dǎo)通電阻和阻斷電壓均會產(chǎn)生影響,優(yōu)化溝槽參數(shù)有利于器件特性的提高。目前已有學(xué)者在研究低壓60V、高壓500V 時的功率U-MOSFET,通過改變功率U-MOSFET 臺面寬度,SiO2厚度,以及P 基區(qū)結(jié)深,來觀察U-MOSFET 的阻斷特性和導(dǎo)通特性[5-6]。故此,在此基礎(chǔ)上通過改變溝槽的深度,仿真其對阻斷特性、導(dǎo)通特性的影響。由于溝槽深度對二者的影響是矛盾的,因此需要在考慮U 型槽底部氧化層厚度影響的情況下[7-8],折衷考慮選取最佳值。

        2 功率U-MOSFET結(jié)構(gòu)模型

        在研究分析溝槽對器件特性參數(shù)的影響之前,須首先創(chuàng)建典型的U-MOSFET 結(jié)構(gòu)。如圖1所示,即為溝槽功率U-MOSFET 半元胞結(jié)構(gòu)剖面。

        圖1 功率U-MOSFET 元胞剖面

        如圖,器件制作在N+襯底的N-漂移區(qū)上,詳細結(jié)構(gòu)參數(shù)如下:

        元胞的寬度WM:6μm;

        源極接觸寬度Wc:3μm;

        源極邊界寬度 WS:2μm。

        漂移區(qū)摻雜濃度:1.0×1015cm-3;

        漂移區(qū)厚度 t:30μm;

        溝槽寬度 WT:1μm;

        柵氧化層厚度:50nm;

        P 基區(qū)表面濃度:1.8×1017cm-3,由離子注入形成;

        結(jié)深 XJP:1.5μm;

        溝道長度 LCH:1.0~1.1μm;

        溝槽深度表示為tT。基于此結(jié)構(gòu)展開仿真實驗。以下結(jié)合仿真結(jié)果,分析溝槽結(jié)構(gòu)對器件典型電學(xué)特性所造成的影響的。

        3 溝槽深度對擊穿電壓影響分析

        當給U-MOSFET 的漏極施加正向電壓時,N 漂移區(qū)與P 基區(qū)之間的PN 結(jié)反偏,U 型槽底部的MOS 結(jié)構(gòu)處于深耗盡狀態(tài),因此,器件處于阻斷狀態(tài)。U 型槽(一般情況下,U 型槽延伸至N 漂移區(qū))的存在,使器件在阻斷狀態(tài)下,各處的電場分布不一致。在U 型槽拐角處出現(xiàn)電場強度增強的現(xiàn)象,其電場強度不僅高于水平PN 結(jié)的電場強度,也高于U 型槽底部水平MOS 結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體表面電場強度。

        圖2為tT=3.2μm 時的電力線分布仿真圖。從圖中可以看出,U-型槽拐角處的電力線密度遠高于平行PN 結(jié)的電力線密度,這意味著拐角處的電場強度高于其他位置。

        圖2 電力線分布仿真圖

        圖3為150V 電壓下,不同溝槽深度所對應(yīng)的PN 結(jié)處、拐角處和底部水平MOS 結(jié)構(gòu)的電場強度的比較,從中可以看出,隨著溝槽深度的增加,拐角電場強度增加。當拐角的電場強度達到擊穿臨界值時,器件發(fā)生擊穿。

        圖3 不同溝槽深度下不同部位的電場分布

        圖4為不同溝槽深度所對應(yīng)的擊穿電壓??梢姡S溝槽深度增加,擊穿電壓減小。這說明,隨著U 型槽深度的增加,U 型槽拐角處電場強度增強。U 型槽底部氧化層厚度此時為50nm,將這一厚度增加,會降低U 型槽底部(包括拐角)的電場強度,提高器件的擊穿電壓。圖5即為將U 型槽底部氧化層厚度改為100nm 的情形。從圖中可以看出,適當增加U 型槽底部的氧化層厚度確實可有效提高擊穿電壓。

        圖4 阻斷特性隨溝槽深度的變化(氧化層50nm)

        圖5 阻斷特性隨溝槽深度的變化(氧化層100nm)

        4 溝槽深度對導(dǎo)通電阻影響分析

        當柵電壓大于閾值電壓時,在P 基區(qū)的U 型溝槽的側(cè)壁上形成反型層,即導(dǎo)電溝道,源區(qū)的電子在漏極電壓的作用下,經(jīng)溝道流入N 漂移區(qū),最后流出漏極,形成漏極電流,器件處于導(dǎo)通狀態(tài)。漏極電流與漏源電壓之間的關(guān)系稱為輸出特性。當溝槽寬度 WT=1μm,UGS=5V,U-MOSFET 輸出特性隨溝槽深度tT的變化曲線圖如圖6所示。利用導(dǎo)通特征電阻:

        可得VDS=3V 下的RON,SP與溝槽深度之間的關(guān)系,如圖7所示??梢?,隨著溝槽深度的增加,導(dǎo)通電阻在減小。

        圖6 輸出特性隨溝槽深度的變化

        圖7 特征導(dǎo)通電阻隨溝槽深度的變化

        因為U 型槽穿過P 基區(qū),延伸到N 漂移區(qū),因此當柵電壓大于閾值電壓時,不僅在P 基區(qū)的U 型槽側(cè)壁的半導(dǎo)體表面形成反型層,還在延伸到N 漂移區(qū)的U 型槽側(cè)壁的半導(dǎo)體表面形成多子積累層。在漏源電壓的作用下,源區(qū)電子經(jīng)反型層和多子積累層流入N 漂移區(qū),形成漏極電流。多子積累層的電阻率遠小于漂移區(qū)其他區(qū)域的電阻率,因此多子積累層深度(U 型槽深度)的增加,會令導(dǎo)通電阻減小。溝槽深度的增加可降低擊穿電壓,這是不利的,但可以通過適當增加U 型槽底部的氧化層厚度,來減弱擊穿電壓的減小。

        5 結(jié) 束 語

        在綜合考慮功率U-MOSFET 的特點的基礎(chǔ)上,在使用Silvaco 軟件的仿真中,重點選取溝槽深度和氧化層厚度這兩項參數(shù),具有很強的典型意義。仿真直觀展現(xiàn)了溝槽結(jié)構(gòu)對器件擊穿電壓以及特征導(dǎo)通電阻的影響,以此為據(jù),可進一步探討優(yōu)化與折衷的可能性,對功率U-MOSFET 的器件設(shè)計及工藝研發(fā)都具有一定的參考價值。

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