周 淼，湯 亮，何逸濤，陳 辰，周 鋅,4

（1.中國電子科技集團公司第五十八研究所，江蘇無錫 214035；2.株洲中車時代半導(dǎo)體有限公司，湖南株洲 412000；3.電子科技大學(xué)功率集成技術(shù)實驗室，成都 610054；4.電子科技大學(xué)廣東電子信息工程研究院，廣東東莞 523000）

1 引言

在過去幾十年里，功率集成電路由于被持續(xù)開發(fā)，已獲得了廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景。橫向高壓功率元件的電極多處于元件表面，能夠利用內(nèi)部連接實現(xiàn)與其他集成電路以及元件之間的相互集成而驅(qū)動電路，已成為功率集成電路中使用較為廣泛的基本單元。橫向絕緣柵雙極型晶體管（LIGBT）具有電流特性好、輸入阻抗高、導(dǎo)通壓降低和集成難度低等優(yōu)點［1-2］，被廣泛應(yīng)用于信號系統(tǒng)、電源開關(guān)、家用電器和能源驅(qū)動等功率模塊中［3-5］，是典型的功率半導(dǎo)體器件。由于其優(yōu)異的性能，業(yè)界對LIGBT 的深入研究也在不斷進行［6-7］。目前主要的研究方向是通過提出新器件結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)耐高壓、耐高溫、高頻以及抗輻照等實際應(yīng)用，以提高SOI LIGBT 的性能。

常規(guī)SOI LIGBT 結(jié)構(gòu)的耐壓一般不會超過600 V，針對這一問題，在前期研究［8］的基礎(chǔ)上，本研究提出了一種基于6 英寸晶圓、0.5 μm 工藝平臺的部分超結(jié)型薄硅層SOI 橫向絕緣柵雙極型晶體管（PSJ SOI LIGBT），并通過對器件場氧區(qū)域長度的調(diào)節(jié)，結(jié)合線性變摻雜工藝和超結(jié)工藝，實現(xiàn)了器件的高垂直方向耐壓以及低導(dǎo)通電阻。

2 器件結(jié)構(gòu)和設(shè)計

目前常規(guī)的SOI LIGBT 器件面臨的問題中最受關(guān)注的是耐壓問題，尤其是其垂直方向耐壓較低。針對這一問題，LUO 等人［9］采用階梯漂移區(qū)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了最高535 V 的耐壓；SUNKAVALLI 等人［10］采用漂移區(qū)變摻雜的方法分別設(shè)計了耐壓355 V 和600 V 的器件；UDREA 等人［11］提出的薄SOI 層LIGBT 則實現(xiàn)了700 V 的耐壓。本研究基于介質(zhì)場增強［12］（ENDIF）理論，通過提高硅層中的臨界擊穿電場ESi,C的方法來實現(xiàn)對耐壓的優(yōu)化。其中，ESi,C（V/cm）與硅層厚度tSi（μm）遵循式（1）：

式（1）采用超薄硅層的電場分布與碰撞電離率弛豫關(guān)系半經(jīng)典模型［13］，基于ENDIF 理論得出，其適用于較薄的硅層。可以看出，ESi,C隨著tSi的減薄而增加，當tSi較低時，ESi,C相應(yīng)大幅增加，進而使埋氧層內(nèi)部電場增加，最終實現(xiàn)SOI LIGBT 器件垂直方向耐壓性能的提升。因此，在SOI LIGBT 器件中，通常會采用薄層硅結(jié)構(gòu)，通過場氧工藝在漂移區(qū)內(nèi)形成厚場氧，在場氧下方的硅層厚度就會減小，從而提高其中的臨界擊穿電場，進一步加強器件垂直方向的耐壓。但是這種結(jié)構(gòu)中漂移區(qū)過薄的硅層會使得導(dǎo)通電阻大大增加，因此本文提出了一種PSJ SOI LIGBT 結(jié)構(gòu)，其剖面圖見圖1，漂移區(qū)劃分成了超結(jié)（SJ）區(qū)域和ENDIF 區(qū)域。ENDIF 區(qū)域和常規(guī)的SOI LIGBT 類似，采用了薄硅層結(jié)構(gòu)，而SJ 區(qū)域則采用了超結(jié)工藝，n/p 條在z 方向上相間分布。與全薄層結(jié)構(gòu)的SOI LIGBT 相比，PSJ SOI LIGBT中采用的SJ 區(qū)域相當于變相增加了該部分區(qū)域頂部硅層的厚度，同時超結(jié)結(jié)構(gòu)還帶來了額外的摻雜，從而使得器件的導(dǎo)通電阻大幅下降。

圖1 部分超結(jié)型薄硅層SOI LIGBT 器件結(jié)構(gòu)剖面

除此以外，器件設(shè)計和制造過程中還采用了線性變摻雜工藝。通過設(shè)置注入窗口的位置以及間距，向漂移區(qū)進行注入，接著在高溫下進行推結(jié)，實現(xiàn)從陰極到陽極的摻雜濃度逐漸增加。采用該項工藝可以優(yōu)化器件表面的電場分布，從而優(yōu)化器件的耐壓。

仿真采用Tsuprem4 軟件。在仿真中，SJ 區(qū)域的硅層厚度為1 μm，ENDIF 區(qū)域的硅層厚度為0.15 μm，漂移區(qū)長度為78.5 μm；在漂移區(qū)用垂直角度進行磷離子注入，注入能量為1200 keV。仿真結(jié)果如圖2 所示。圖2（a）為注入劑量Dn-drift=1.25×1013cm-2時SJ 區(qū)域位置LSJ與器件擊穿電壓VB的關(guān)系。隨著LSJ逐漸增加，VB先緩慢下降，當LSJ達到40 μm 后，由于表面電場分布不均勻，VB迅速下降，在陽極附近發(fā)生過早擊穿?？紤]到選取較大的LSJ即等效于減小ENDIF 區(qū)域的長度，可以相應(yīng)降低器件的導(dǎo)通電阻，因此優(yōu)化時LSJ選擇發(fā)生擊穿前相對較大的值38 μm。圖2（b）為當LSJ取38 μm 時Dn-drift與VB的關(guān)系，隨著Dn-drift的遞增，VB先增加后減少，在VB達到峰值807 V 時Dn-drift為1.25×1013cm-2。綜上所述，選取參數(shù)為LSJ=38 μm、Dn-drift=1.25×1013cm-2。優(yōu)化后器件發(fā)生擊穿時的電勢分布如圖2（c）所示。

圖2 部分工藝參數(shù)與VB 之間的關(guān)系以及發(fā)生擊穿時器件的電勢分布

3 工藝流程和版圖

本研究提出的PSJ SOI LIGBT 器件基于某公司的6 英寸晶圓、0.5 μm 工藝平臺制造，實際制造流程如圖3 所示。

圖3 中最重要的步驟分別是薄場氧推結(jié)與生長和注入形成超結(jié)。薄場氧推結(jié)與生長采用了線性變摻雜工藝，在圖4（a）的注入窗口中注入磷后再高溫推結(jié)，得到摻雜濃度遞增的漂移區(qū)。推結(jié)后摻雜濃度分布如圖4（b）所示。漂移區(qū)采用了部分超結(jié)型薄層硅結(jié)構(gòu)，因此從推結(jié)后得到的線性摻雜分布曲線可以看出不同區(qū)域之間的摻雜濃度存在明顯界線，SJ 區(qū)域硅層摻雜濃度斜率較小，而ENDIF 區(qū)域摻雜濃度增加相應(yīng)較快?？梢钥闯鲇捎贓NDIF 區(qū)域的摻雜濃度相比于SJ區(qū)域增加了數(shù)倍，尤其是在陽極端附近，濃度峰值達到了5.7×1017cm-3。

圖3 PSJ SOI LIGBT 器件主要工藝流程

注入形成超結(jié)也同樣重要。通常來說，超結(jié)技術(shù)在n、p 區(qū)各僅進行1 次注入，該過程中帶來的雜質(zhì)量很少，而本研究采用的工藝則需要分別進行3 次注入，從而不可避免地會帶來大量的雜質(zhì)。因此在工藝過程中，為了抑制高溫推結(jié)導(dǎo)致雜質(zhì)擴散造成的負面影響，提高超結(jié)的質(zhì)量，將超結(jié)工藝安排在高溫推結(jié)后，3次注入的劑量均為8×1011cm-2，深度從0.25 μm 開始每次遞增0.25 μm。

流片的6 英寸晶圓照片如圖5（a）所示。圖5（b）為實際PSJ SOI LIGBT 器件縱向截面照片，其中在ENDIF 區(qū)域處的厚場氧下方的薄硅層厚度與最初選取的值相近，可以滿足垂直方向耐壓的基本要求。分別設(shè)計了跑道形和叉指狀2 種PSJ SOI LIGBT 器件，顯微照片如圖6 所示。

圖4 PSJ SOI LIGBT 器件摻雜注入窗口截面圖與注入后摻雜濃度分布

圖5 PSJ SOI LIGBT 器件晶圓與掃描電子顯微鏡照片

圖6 PSJ SOI LIGBT 器件光學(xué)顯微鏡照片

4 試驗結(jié)果

該器件的擊穿特性和轉(zhuǎn)移特性測試結(jié)果見圖7。測試過程中，陰極和襯底接地，陽極電壓VA從0 V 開始向高壓掃描，柵極電壓VG則由1 V 增加到5 V，每次遞增1 V。一方面，基于ENDIF 理論，場氧下方的薄硅層增強了該區(qū)域的臨界擊穿電場，從而增強了器件垂直方向的耐壓；另一方面，線性變摻雜工藝完善了電場分布，抑制了提前擊穿的產(chǎn)生。從圖7（a）中可以看出器件的耐壓達到了816 V，高于常規(guī)SOI LIGBT一般難以達到的600 V 耐壓。此外，上文提到的各種新結(jié)構(gòu)SOI LIGBT 研究中，VB一般在300～500 V，最高也只達到了700 V。與之相比，該器件獲得了相對較高的耐壓。根據(jù)圖7（b）的轉(zhuǎn)移特性曲線，通過計算能夠得到該器件的閾值電壓約為1.7 V。

為了進行對照，對PSJ SOI LIGBT 和整個漂移區(qū)都采用厚場氧的全薄層結(jié)構(gòu)SOI LIGBT 器件分別進行了測試，輸出特性測試曲線如圖8 所示。測試方法和上面類似，柵極電壓從4 V 增加到10 V，每次遞增2 V。由于該器件的超結(jié)結(jié)構(gòu)以及其在SJ 區(qū)域處的硅層厚度相比于全薄層結(jié)構(gòu)的SOI LIGBT 要大得多，因此其電流能力相對較為優(yōu)秀。從圖8（a）可以看到，當VG=10 V 時，該器件飽和電流可以達到68 mA，而同樣的柵極電壓下，全薄層結(jié)構(gòu)的SOI LIGBT 僅為26 mA。當VG=4 V、VA=5 V 時，通過計算可以得到該PSJ SOI LIGBT 的比導(dǎo)通電阻Ron,sp約為12.5 Ω·mm2，作為對照的全薄層結(jié)構(gòu)SOI LIGBT 在同樣條件下計算得到的Ron,sp則為30.9 Ω·mm2。相比之下，該器件的比導(dǎo)通電阻要低得多。以上試驗結(jié)果都表明，PSJ SOI LIGBT器件采用的部分超結(jié)型薄硅層結(jié)構(gòu)有效地降低了器件導(dǎo)通電阻。

圖7 PSJ SOI LIGBT 測試曲線

圖8 輸出特性測試曲線

5 結(jié)論

本研究基于ENDIF 理論提出并研究了一種部分超結(jié)型的LIGBT 器件新結(jié)構(gòu)——PSJ SOI LIGBT。介紹了該器件的結(jié)構(gòu)和設(shè)計以及工藝和版圖，同時采用線性變摻雜工藝和超結(jié)工藝，充分發(fā)揮了薄硅層結(jié)構(gòu)和超結(jié)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，實現(xiàn)器件垂直方向的高耐壓和較低的導(dǎo)通電阻。對流片的器件進行了各項特性的測試，試驗結(jié)果表明，該器件的耐壓達到了816 V，比導(dǎo)通電阻僅為12.5 Ω·mm2。