具有衬底反型电荷区的硅基横向超结DMOST研究

To eliminate the substrate-assisted-depletion effect in the lateral superjunction doubled-diffusion MOSFET (DMOST, SJ-LDMOST), a series of new bulk silicon SJ-LDMOSTs based on electric field modulation are proposed in this project. The new substrate with reversed charges will be used in designing the SJ-LDMOSTs. After detailedly researching on the bulk field modulation and the parasitic effect in the new structures, the 3-dimention mechanism of bulk field modulation will be set forth. Also, the breakdown voltagethe model, the specific on-resistance model and the reliability models (mainly including safe operation area model, 3-dimention temperature distribution model and kirk effect model) will be founded. To fabricate the new structures, key process techniques included forming the reverse-charge-layer will be invented and 600V breakdown-voltage class new structures with high performance will be fabricated. Futhermore, new 900V-class SJ-LDMOTTs with high breakdown voltage per drift region length and low specific on-resistance will be designed. After the project establishment, the substrate-assisted-depletion effect in the novel SJ-LDMOST will be eliminated, which will help to design the lateral power devices featured as high breakdown voltage, high reliabiligy, low cost and low power dissipation for smart power ICs.

针对横向超结DMOST中存在的衬底辅助耗尽效应，本项目提出基于硅基衬底的电场调制型横向超结DMOST新结构。本项目拟在衬底引入反型电荷层，通过提高衬底承担的纵向电压，以降低超结区承担的纵向电压，从而消除衬底辅助耗尽效应。在系统研究新结构存在的体内场调制机理以及寄生效应的基础上，采用解三维泊松方程以及模拟与实验相结合的方法，阐明三维体内场优化机理，建立击穿电压模型、比导通电阻模型以及可靠性相关模型（包含安全工作区、三维温度分布模型和Kirk效应模型）。本项目还将探索包括衬底反型电荷层形成在内的关键工艺技术，提出兼容于标准BCD工艺的新结构工艺流程，制造出600V耐压级高性能的横向超结DMOST新结构，进而设计出单位长度耐压高、比导通电阻低的900V级横向超结功率器件新结构。本项目的立项将为设计电源管理芯片所需高耐压、高可靠性、低成本、低功耗的横向功率器件设计提供思路。

横向功率器件（包括：横向DMOST（LDMOST）和横向IGBT（LIGBT））由于电极位于器件表面,易于集成，成为智能功率集成电路中的核心器件。. SOI基LDMOST中存在自热效应和弱表面场降低（RESURF）效应；高端（High-side）硅基LDMOST存在纵向穿通击穿问题。通过将体内场优化机理应用到横向DMOST中，我们提出具有衬底选择埋层的高低端LDMOST。低端工作模式下，击穿电压从常规器件的585V提高到688V，增大了18%。高端工作模式下，阻态时，击穿电压由常规结构的962V提高到1791V，提高了86%；开态时，由于衬底埋层将高电场屏蔽于漂移区之外 ，使得导通电阻几乎没有增大。. 阳极短路SOI LIGBT在提高关断速度的同时也带来了负阻效应。而负阻效应使得器件的线性性下降，功耗增加。我们提出具有阳极N+抬高的SOI LIGBT。通过纵向抬高阳极N+区，以削弱负阻效应。新结构将整个负阻区的电压从常规结构的0.124V降低到0.03V。. 针对常规横向超结DMOST存在衬底辅助耗尽效应和制造工艺较为复杂的缺点，本项目提出具有阶梯掺杂P柱区二维类超结LDMOST结构，将槽栅结构和工艺相对简单的纵向类超结思想相结合，实现了击穿电压和导通电阻之间较好的折衷。新结构的击穿电压为814V，比导通电阻为0.19Ω•cm2，分别比常规结构提升了82.5%和68.7%。. 为了进一步提升场阻型IGBT（FS-IGBT）的正向压降和关断速度之间的折衷关系，本项目提出两类新型FS-IGBT：具有沟槽阳极短路场截止型IGBT（FS-IGBT）和具有阳极浮空P型埋层的场截止型IGBT（FS-IGBT）。两种新结构的上述折衷关系均较常规结构有显著提升。. 常规横向结终端技术使得击穿点由表面转移到体内。为降低体内电场峰，提出具有衬底多埋层的新型纵向结终端技术。在多埋层中空间电荷的作用下，耗尽区的曲率半径得以增大。因此，采用纵向结终端技术LDMOST的击穿电压从常规结构的786V增加到1537V，增幅为95%。. 最后，我们还对具有衬底反型电荷区的硅横向超结DMOST进行了首次流片。测试结果表明：新结构在漂移区长度为40微米时，获得了近600V的击穿电压，单位微米击穿接近15V。