SJ-LDMOST中的衬底辅助耗尽效应_衬底偏置效应
时间：2020-03-11 07:26:45 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
引言 横向功率DMOST(Double-diffusedMOS Transistor)器件自从上世纪70年代问世以来，作为多子器件，由于具有高的输入阻抗、好的关断特性、易于集成等优点，在许多领域取代传统的双极器件得到广泛的应用。而器件设计中面临的主要折衷就是击穿电压和比导通电阻之间的折衷。对于满足RESURF(REaued SURface Field)条件的常规横向高压DMOST，其比导通电阻与击穿电压的2.5次方成正比，因此，高的导通电阻限制了横向DMOST器件在高压领域的应用。纵向超结结构(superJunction，SJ)将器件比导通电阻与击穿电压之间的次方关系由2.5降低到1.1。所以，近年来，将超结引入横向功率器件设计成为业界广泛关注和研究的热点之一。
衬底辅助耗尽效应机理
纵向超结结构同时兼具高耐压、低导通电阻特性，但当将超结思想引入横向DMOST时，设计中首先面临的是消除衬底辅助耗尽效应(substrate―Assisted-Depletion Effect)。图1为基于硅基常规横向超结DMOS器件的三维结构图。由该图可以看出，常规LDMOS的N-漂移区被相间的高掺杂浓度P型和N型柱区所代替。关态时，电荷严格平衡的P型与N型柱区相互耗尽，产生较高电场，因而承担高的击穿电压：开态时，高掺杂浓度的N型区提供了一个低导通电阻的电流通道。但对于横向DMOS器件，由于P衬底和N柱区之间的相互耗尽，打破了N柱区和P柱区之间严格的电荷平衡，使得P柱区中出现过剩空穴，这种N柱区和P柱区之间电荷的不平衡又进一步严重恶化了SJ区的击穿电压，即横向击穿电压。
衬底辅助耗尽效应的消除
由上述衬底辅助耗尽效应机理分析知：有限大小电阻率的P型衬底对N柱区的耗尽使得P柱区出现了过剩载流子。消除衬底辅助耗尽效应主要有如下两类：①选用电阻率为无穷大的特殊衬底；②引入额外的N型区以补偿P型区中的过剩载流子。
无穷大衬底电阻率法
文献提出基于蓝宝石基的SJ-LDMOST。该结构完全消除了衬底辅助耗尽效应，但其制造工艺不兼容于常规硅基工艺。文献提出具有背刻蚀的SOI SJ-LDMOST结构。该结构将整个器件下方的衬底部分全部刻蚀掉，只留下隔离区下方的衬底作为支撑作用。这样有源区下方浮空。消除了衬底对N柱区耗尽问题。
电荷补偿法的击穿电压与漂移区长度之间关系
文献提出具有buffer层的SJ―LDMOsT结构。该结构在ST区和P型衬底之间引入-N型埋层，N型埋层电荷补偿了超结P柱区和N柱区中的电荷不平衡，缓解了衬底辅助耗尽效应。
文献提出SOI基的非对称USJ／3D-RESURF LDMOST结构。该结构通过引入非对称的ST区，优化P区和N区电荷分布，提高了器件的击穿电压。
电子科技大学张波教授等提出具有表面低电阻通道的LDMOST(SLOP，LDMOST)。该结构基于超结思想，在常规LDMOST表面形成超结区，该超结区为开态电流提供一个低电阻电流通道，流片结果验证在保持器件较高击穿电压下，降低了器件的导通电阻。
我们提出了具有阶梯N型埋层的ST-LDMOST结构。该结构结合了电荷补偿法和电荷浓度梯度对漂移区电场的调制作用，在消除衬底辅助耗尽效应的同时优化了漂移区电场，并为开态电流提供了又一电流通道，进一步降低导通电阻。
进一步分析可知。衬底辅助耗尽效应产生的根本原因在于纵向耐压问题。因此，我们提出具有衬底浮空埋层的SJ-LDMosT，该结构通过在衬底引入浮空N型埋层，提高衬底承担的纵向耐压，从而消除衬底辅助耗尽效应(如图2所示)。
结论
本文将消除SJ-LDMOSST衬底辅助耗尽效应的方法分为两类：其一，将ST区制造在电阻率无穷大的衬底上，以根本上消除衬底辅助耗尽效应；其二，引入额外电荷区以补偿P柱区中过剩载流子。文中还提出彻底消除衬底辅助耗尽效应的方法。
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