具有T型耐压结构的新型PSOI横向超结功率MOS器件

衬底辅助耗尽效应使得横向超结（Super Junction）功率器件耐压不高，阻碍了高压横向超结器件的发展。本项目首次提出一种具有T型耐压结构的PSOI（Partial Silicon-on-insulator）横向超结功率MOSFET，使横向超结器件能成功应用于SOI功率集成领域。新结构利用现有的PSOI工艺，设计深入衬底的垂直漏区与横向超结形成T型耐压区来消除衬底辅助耗尽效应。这种垂直电荷补偿结构能有效保护超结的特性，同时拓展衬底耐压来提高器件的纵向耐压。横向超结与垂直漏区形成的T型耐压新结构可扩展应用到其它横向超结功率器件或薄层横向功率器件中。项目通过分析横向超结的三维电荷平衡原理，建立新结构的耐压模型；通过设计、模拟分析和流片实验获得高压、高速、低功耗、可集成的新型横向超结功率器件。本项目是一项具有国际先进水平的基础性开拓研究，具有重要意义。

高压、高速和低导通电阻是功率器件研究的核心内容。在各类半导体功率器件中，金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）是基于多数载流子运送的电压控制型器件，具有开关速度快的特点。但是随着功率MOSFET的耐压要求的提高，其导通电阻增加很快，影响了其在高压领域的性能。超结技术（super junction）是缓解功率MOSFET中耐压和导通电阻矛盾的重要手段，基于超结技术的纵向功率MOSFET中已经在许多领域中得到了应用，大大提高了分立式功率器件的性能。但是，可用于功率集成电路的超结横向双扩散金属氧化器半导体场效应晶体管（LDMOSFET）却发展缓慢。主要的原因是LDMOS中横向的超结受纵向的衬底耗尽的影响，超结的电荷平衡被打破，器件的耐压很低。. 本项目通过设计横向超结MOSFET的结构来缓解衬底辅助耗尽效应，以提高器件的耐压。横向超结器件耐压低的原因在于沿着超结方向的横向耐压高，而垂直超结方向的纵向耐压低，从而造成器件的耐压低。重点设计了具有T型耐压结构的功率MOSFET器件结构，其中T型耐压结构由横向的超结和纵向的垂直N型深漏区构成。通过垂直的N区来提高纵向耐压，从而提高整个器件的耐压。而T型耐压结构中的垂直N区可以从表面加工，没有增加器件的漂移区厚度。在超结长度为15μm，超结浓度为3e16cm-3时，器件的耐压达到300V。另一方面，T型耐压结构也可提高薄层SOI功率器件的耐压。在漂移区长度为100μm，漂移区和绝缘层厚度均为2μm 时，常规的LDMOS器件耐压只有560V，而具有T型耐压结构的器件可达到1100V。. 在本项目的支持下，还研究了具有两级非平衡超结的SOI LDMOS高压器件结构和嵌入式非平衡超结器件结构。两级非平衡超结器件不增加额外的补偿区域，仅通过调节超结本身的掺杂来提高性能，实现工艺简单，适用于现有的功率集成电路。嵌入式非平衡超结器件可缓解场氧工艺中吸硼排磷效应对超结的影响，有利于控制超结的电荷平衡。