PSJ高壓器件的優(yōu)化設計

第27卷第6期半導體學(xué)報Vol.27 No. 62006年6月.CHINESE JOURNAL OF SEMICONDUCTORSJune,2006PSJ高壓器件的優(yōu)化設計陳萬(wàn)軍*張波李肇基鄧小川(電子科技大學(xué)IC設計中心，成都610054)摘要:基于Semi-SJ(super junction)結構,提出了SJ的比例可以從0~1漸變的PSJ(partial super junction) 高壓器件的概念.通過(guò)對PSJ比導通電阻的分析,得到了PSJ高壓器件比導通電阻優(yōu)化設計的理論公式.計算了不同擊穿電壓的比導通電阻,并與二維器件模擬結果和實(shí)驗結果相比較.討論了BAL(bottomassistlayer)部分穿通因素辦P型區深度歸一化參數r、p型區深寬比A以及PSJ漂移區摻雜濃度是否統一對PSJ高壓器件比導通電阻的影響.其理論結果和器件模擬結果相吻合,為設計與優(yōu)化PSJ高壓器件提供了理論依據. PSJ結構特別適于制造工藝水平不高、很難實(shí)現大的p型區深寬比的情況,為現有工藝實(shí)現高壓低導通電阻器件提供了一種新的思路.關(guān)鍵詞: partial super junction; RESURF; 擊穿電壓;比導通電阻EEACC: 2560; 2560B; 2560P中圖分類(lèi)號: TN386文獻標識碼: A文章編號: 0253-4177(2006)06-1089-05比的情況,為實(shí)現高壓低導通電阻器件提供了一種1引言新的思路.高壓MOSFET具有輸人阻抗大、開(kāi)關(guān)速度快、2器件結構與優(yōu)化設計熱穩定性好等一系列獨特的優(yōu)點(diǎn)，目前在開(kāi)關(guān)電源、馬達驅動(dòng)、電子整流器等方面獲得了廣泛的應用.對圖1給出了PSJ高壓器件結構以及理想的電場(chǎng)于高壓MOSFET器件,獲得足夠高的擊穿電壓和分布.從圖1可知,PSJ由兩部分組成，即p/n相間盡可能低的比導通電阻是設計中需要同時(shí)考慮的兩的SJ部分以及單一摻雜的BAL部分.其SJ部分的個(gè)主要因素[~4].近年來(lái),super junction(SJ)結構引實(shí)現工藝與常規SJ結構相同.起人們的廣泛關(guān)注.這種新結構利用相互交替的n對圖1所示的SJ部分，當器件處于關(guān)態(tài)時(shí)，由型層和p型層代替傳統單一的n型漂移區,在提高于SJ部分的n區和p區相互耗盡,SJ部分的電場(chǎng)擊穿電壓的同時(shí)減小比導通電阻,很大程度上打破也從傳統的三角形分 布(非穿通型)或梯形分布(穿了擊穿電壓與比導通電阻之間的“硅極限”(5~9].在通型)變成矩形分布.因此,SJ部分擊穿電壓BV1和常規SJ結構中,p型區和n型區需要大的深寬比比導通電阻Ron_可以表示為[5.9]:(aspect ratio),以實(shí)現高壓低導通電阻.然而,現有BV: = Eetr(1)技術(shù)在實(shí)現大的深寬比時(shí)存在工藝復雜、制造成本2t]高等缺點(diǎn),大大限制了SJ 結構在實(shí)際中的應Ron_p =qμnNDI(2)用[10~12].最近,Satito等人提出一種Semi-SJ 結構，式中E。 是臨界擊穿電場(chǎng);ts是SJ部分p型區深這種結構由SJ和BAL( bottom assist layer) 兩部分度;q是電子電量;μn是電子遷移率;Nol是SJ部分構成,不但具有優(yōu)良的電特性,而且工藝難度和制造n型區摻雜濃度.成本也大大降低1.1]1.從(1)和(2)式可知,SJ部分擊穿電壓與摻雜濃本文基于Semi-SJ 結構,提出了PSJ(partial su-度無(wú)關(guān),而增加No的濃度有利于降低比導通電阻..per junction)高壓器件的概念,其SJ部分的比例可但p區和n區的濃度和寬度必須滿(mǎn)足RESURF條以從0~1漸變,大大拓寬了Semi-SJ結構的應用范件[0]:圍. PSJ結構不僅具有低的導通電阻,而且寄生體二Nol W。= NλWp = 2x 10l2cm-2 (3)極管的反向恢復特性也大大提1高121.1此結構特別式中出叫是SJ部分n區和p適于制造工藝水平不高、很難實(shí)現大的p型區深寬區摻中國煤化工W。以增加器件元YHCNMHG*國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目(批準號:60436030),國家自然科學(xué)基金(批準號:60576052) ,國防預研基金(批準號:51408060904DZ0211)資助項目↑通信作者. Email:cwjzcz@ yahoo. com. cn2005-10-21 收到2005-12-14定稿⑥2006中國電子學(xué)會(huì )1090半導體學(xué)報第27卷Ron_(10)qμnX 1012qμn N DE(op)其中BV- EctiSI|P|nBV,t2(opx) =0. 625E。(11)卡出WNeuo = 2(xonE。BV+ E.t.)E (12)BALBV2qtz ”↓n↓:圖1 PSJ結構及理想電場(chǎng)分布Fig.1 PSJ structure and ideal electric field distribu-Pn°tion胞密度,減小器件電阻,則SJ優(yōu)化的比導通電阻為:Rau.plo =W.t__(4)qμnx1012而單一摻雜BAL部分,電場(chǎng)分布類(lèi)似常規VDMOS.對于VDMOS高壓器件,采用穿通型結構圖2穿通結與同襯底突變結耗盡層關(guān)系(陰影區面積為擊穿可以去掉VDMOS漂移區不必要的額外歐姆壓降，電壓)因此有圖1所示的電場(chǎng)分布(穿通型). BAL部分的Fig.2 Comparison of the depletion layer between the擊穿電壓BV2和比導通電阻Ro。n_ 職可以表示為[1:punch through structure and the abrupt junction struc-BV2 = trE。-D2 t經(jīng)(5)ture2e定義SJ的比例為a(a= t/(1+ txo)),則Rop_pe =qμnNp2(6)(10)式變?yōu)?式中t2 和Np2分別是BAL部分的漂移區長(cháng)度和Ron_grxop = (t + tz(opo) X摻雜濃度;e,是硅的介電常數.aW+(1-0)] (13)對于BAL部分，漂移區越長(cháng),電阻率越高,擊qμnX 10qμn ND2(op)穿電壓也就越高,同時(shí)導通電阻也越大.因此,對于由于a的取值可以在0~1漸變,這就比Satito一定的擊穿電壓,BAL部分的漂移區長(cháng)度和摻雜濃等人提出的Semi-SJ更具代表性,也是本文稱(chēng)為PSJ度需要優(yōu)化設計.如圖2所示的穿通結與同襯底突所在.特殊地,a=0是常規VDMOS結構;a=1是變結耗盡層關(guān)系,設BAL長(cháng)度t2與同襯底突變結常規SJ結構.對確定的PSJ擊穿電壓和工藝條件耗盡層寬度Wm的比值為穿通因素n(η=lz/W∞，(t), W.)下,先由(11)式計算出優(yōu)化的txop,然后0