PSJ高压器件的优化设计

第27卷第6期半导体学报Vol.27 No. 62006年6月.CHINESE JOURNAL OF SEMICONDUCTORSJune,2006PSJ高压器件的优化设计陈万军*张波李肇基邓小川(电子科技大学IC设计中心，成都610054)摘要:基于Semi-SJ(super junction)结构,提出了SJ的比例可以从0~1渐变的PSJ(partial super junction) 高压器件的概念.通过对PSJ比导通电阻的分析,得到了PSJ高压器件比导通电阻优化设计的理论公式.计算了不同击穿电压的比导通电阻,并与二维器件模拟结果和实验结果相比较.讨论了BAL(bottomassistlayer)部分穿通因素办P型区深度归一化参数r、p型区深宽比A以及PSJ漂移区掺杂浓度是否统一对PSJ高压器件比导通电阻的影响.其理论结果和器件模拟结果相吻合,为设计与优化PSJ高压器件提供了理论依据. PSJ结构特别适于制造工艺水平不高、很难实现大的p型区深宽比的情况,为现有工艺实现高压低导通电阻器件提供了一种新的思路.关键词: partial super junction; RESURF; 击穿电压;比导通电阻EEACC: 2560; 2560B; 2560P中图分类号: TN386文献标识码: A文章编号: 0253-4177(2006)06-1089-05比的情况,为实现高压低导通电阻器件提供了一种1引言新的思路.高压MOSFET具有输人阻抗大、开关速度快、2器件结构与优化设计热稳定性好等一系列独特的优点，目前在开关电源、马达驱动、电子整流器等方面获得了广泛的应用.对图1给出了PSJ高压器件结构以及理想的电场于高压MOSFET器件,获得足够高的击穿电压和分布.从图1可知,PSJ由两部分组成，即p/n相间尽可能低的比导通电阻是设计中需要同时考虑的两的SJ部分以及单一掺杂的BAL部分.其SJ部分的个主要因素[~4].近年来,super junction(SJ)结构引实现工艺与常规SJ结构相同.起人们的广泛关注.这种新结构利用相互交替的n对图1所示的SJ部分，当器件处于关态时，由型层和p型层代替传统单一的n型漂移区,在提高于SJ部分的n区和p区相互耗尽,SJ部分的电场击穿电压的同时减小比导通电阻,很大程度上打破也从传统的三角形分 布(非穿通型)或梯形分布(穿了击穿电压与比导通电阻之间的“硅极限”(5~9].在通型)变成矩形分布.因此,SJ部分击穿电压BV1和常规SJ结构中,p型区和n型区需要大的深宽比比导通电阻Ron_可以表示为[5.9]:(aspect ratio),以实现高压低导通电阻.然而,现有BV: = Eetr(1)技术在实现大的深宽比时存在工艺复杂、制造成本2t]高等缺点,大大限制了SJ 结构在实际中的应Ron_p =qμnNDI(2)用[10~12].最近,Satito等人提出一种Semi-SJ 结构，式中E。 是临界击穿电场;ts是SJ部分p型区深这种结构由SJ和BAL( bottom assist layer) 两部分度;q是电子电量;μn是电子迁移率;Nol是SJ部分构成,不但具有优良的电特性,而且工艺难度和制造n型区掺杂浓度.成本也大大降低1.1]1.从(1)和(2)式可知,SJ部分击穿电压与掺杂浓本文基于Semi-SJ 结构,提出了PSJ(partial su-度无关,而增加No的浓度有利于降低比导通电阻..per junction)高压器件的概念,其SJ部分的比例可但p区和n区的浓度和宽度必须满足RESURF条以从0~1渐变,大大拓宽了Semi-SJ结构的应用范件[0]:围. PSJ结构不仅具有低的导通电阻,而且寄生体二Nol W。= NλWp = 2x 10l2cm-2 (3)极管的反向恢复特性也大大提1高121.1此结构特别式中出叫是SJ部分n区和p适于制造工艺水平不高、很难实现大的p型区深宽区掺中国煤化工W。以增加器件元YHCNMHG*国家自然科学基金重点项目(批准号:60436030),国家自然科学基金(批准号:60576052) ,国防预研基金(批准号:51408060904DZ0211)资助项目↑通信作者. Email:cwjzcz@ yahoo. com. cn2005-10-21 收到2005-12-14定稿⑥2006中国电子学会1090半导体学报第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↓:图1 PSJ结构及理想电场分布Fig.1 PSJ structure and ideal electric field distribu-Pn°tion胞密度,减小器件电阻,则SJ优化的比导通电阻为:Rau.plo =W.t__(4)qμnx1012而单一掺杂BAL部分,电场分布类似常规VDMOS.对于VDMOS高压器件,采用穿通型结构图2穿通结与同衬底突变结耗尽层关系(阴影区面积为击穿可以去掉VDMOS漂移区不必要的额外欧姆压降，电压)因此有图1所示的电场分布(穿通型). BAL部分的Fig.2 Comparison of the depletion layer between the击穿电压BV2和比导通电阻Ro。n_ 职可以表示为[1:punch through structure and the abrupt junction struc-BV2 = trE。-D2 t经(5)ture2e定义SJ的比例为a(a= t/(1+ txo)),则Rop_pe =qμnNp2(6)(10)式变为:式中t2 和Np2分别是BAL部分的漂移区长度和Ron_grxop = (t + tz(opo) X掺杂浓度;e,是硅的介电常数.aW+(1-0)] (13)对于BAL部分，漂移区越长,电阻率越高,击qμnX 10qμn ND2(op)穿电压也就越高,同时导通电阻也越大.因此,对于由于a的取值可以在0~1渐变,这就比Satito一定的击穿电压,BAL部分的漂移区长度和掺杂浓等人提出的Semi-SJ更具代表性,也是本文称为PSJ度需要优化设计.如图2所示的穿通结与同衬底突所在.特殊地,a=0是常规VDMOS结构;a=1是变结耗尽层关系,设BAL长度t2与同衬底突变结常规SJ结构.对确定的PSJ击穿电压和工艺条件耗尽层宽度Wm的比值为穿通因素n(η=lz/W∞，(t), W.)下,先由(11)式计算出优化的txop,然后0