利用高K材料的极低比导通电阻硅功率器件基础问题的研究

Having better power devices is one of the most effective ways for reducing the electricity loss and realizing energy saving. Whereas the application of high-K material on silicon power devices has rarely aroused people's interests. We propose a new idea that utilizes larger permittivity of high-K materials to realize the ultra carrier accumulation effect at device on-states, which allows the overwhelming enhancement of the carrier density at the drift region and reduce the device specific on-resistance in orders scale. In this program, we will design and fabricate a prototype high-K LDMOS where ultra carrier accumulation effect will happen, target at which, demonstrates the ultra carrier accumulation effect experimentally. Moreover, combined with 2D-simulation, we will analysis the detail mechanism, build the mathematic model, find the optimum conditions and upgrade the process for the both effect and device. This program is essential for future power device both theoretically and practically, which provides the scientific evidence for high-K ultra carrier accumulation effect; guides the high-K application on power device from aspects of analysis, mechanism, and model; and opens up a new branch for future power device roadmap.

提高功率器件的性能是降低电能损耗，实现节能减排的最有效途径之一。尽管人们开展了大量的工作来提高功率器件性能，然而鲜有文献报道用引入高K材料的方式来提高硅功率器件的性能。在本课题中，申请人提出利用高K材料的高介电性来实现硅功率器件导通时的载流子超强积累效应，从而可以在不影响耐压的前提下，使功率器件漂移区载流子浓度大幅提高，呈数量级降低比导通电阻。本课题将制备各种参数的高K原型LDMOS并进行测试，实验证明高K能引入超强积累效应并实现极低比导通电阻。以此原型器件作为对象，结合二维仿真，分析该效应的详细物理机理，建立该效应的数学模型，寻找器件最优化条件。本课题还将针对高K在功率器件上的应用要求，对材料和工艺进行优化。该课题对未来功率器件的发展具有重要的理论意义和实际价值，为高K超强积累效应提供科学依据，为高K材料在功率器件上的应用提供理论、机理、模型的指导，为未来功率器件的发展开辟一个新方向。

本项目的核心研究内容是如何利用高K材料突破目前硅功率器件性能的瓶颈，使其耐压、比导通电阻、开关速度能在引入高K材料的情况下再次出现大的提升。为了这个目标，我们首先在器件结构、材料及工艺这三方面开展了工作。在器件结构方面，我们提出了纵向和横向的高K槽结构MOS型功率器件并建立了其开关优值的数学模型。在材料方面，首次试验了在晶圆上制备聚酰亚胺和银纳米颗粒混合物的赝高K材料薄膜。在工艺方面，我们开发了与传统BCD工艺兼容的高K介质的LDMOS器件的工艺流程，制备了赝高K材料介质和PZT介质的LDMOS器件。用实验证明了高K介质积累效应可有效降低器件比导通电阻。在结合材料特性和器件优化的基础上，我们提出了一种新型高K横向IGBT器件，该器件能充分发挥高K材料的潜力，不但能完全消除将高K介质对器件开关特性不利影响，还能利用高K介质的高介电性大幅提高器件的开关性能。所以，利用高K介质，可实现导通电流密度更大，但开关速度与损耗明显小于传统LIGBT的新型高K横向IGBT器件。该器件制备工艺简单，无需进行高K深槽填注工艺，对高K介质介电常数大小的要求也相对较低，是一种能对硅功率器件性能带来新的提升，且工艺上切实可行的新型器件。