摘 要

本文基于仿真和實(shí)驗(yàn)方法，開(kāi)展了 100VN 溝槽 MOSFET 的設(shè)計(jì)研究工作。通過(guò)溝槽深度，體區(qū)注入劑量和柵氧化層厚度拉偏，獲得了對(duì)擊穿電壓，閾值電壓和導(dǎo)通電阻的影響規(guī)律并對(duì)機(jī)理進(jìn)行了分析，仿真工具同時(shí)描述了器件內(nèi)部的電流路徑和碰撞電離率分布。隨著溝槽深度增加擊穿電壓先升后降，導(dǎo)通電阻則表現(xiàn)為相反趨勢(shì);擊穿電壓與注入劑量具有弱相關(guān)性，閾值電壓隨注入劑量增加而升高;擊穿電壓隨著柵氧化層厚度增加整體表現(xiàn)上升趨勢(shì)，但變化幅度不大，閾值電壓與厚度變化表現(xiàn)出強(qiáng)相關(guān)性。通過(guò)逐步優(yōu)化獲得了最終結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)為溝槽深度 1.5μm，體區(qū)注入劑量1.3E13，柵氧化層厚度 700A，通過(guò)流片獲得器件最終電性參數(shù)為擊穿電壓為 105.6V，閾值電壓 2.67V，導(dǎo)通電阻 3.12mR，相較于仿真參數(shù)分別有 98%，94%和 75%的變化率，研究過(guò)程中相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)及理論分析對(duì)于同行業(yè)研究具有一定的參考價(jià)值。

1 引言

功率半導(dǎo)體器件( Power Semiconductor Device)作為電力控制的核心電力電子器件，應(yīng)用于電能的變換和控制[1]。近年來(lái)，隨著 5G 通訊發(fā)展的帶動(dòng)，新能源汽車(chē)、高速列車(chē)、光伏、風(fēng)電、手機(jī)、電腦、電視機(jī)、空調(diào)等各個(gè)領(lǐng)域?qū)τ诠β拾雽?dǎo)體器件的需求量大大增加，促進(jìn)了該領(lǐng)域的飛速發(fā)展。金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MetalOxide Semiconductor Field Effect Transistor，簡(jiǎn)稱(chēng)MOSFET)作為一種重要的功率半導(dǎo)體器件，其柵極通過(guò)電壓控制既能完成器件導(dǎo)通，又可以實(shí)現(xiàn)關(guān)斷，具有高輸入阻抗和低導(dǎo)通損耗的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)階段廣泛的應(yīng)用于開(kāi)關(guān)電源、電機(jī)控制、移動(dòng)通訊等領(lǐng)域。

溝槽(Trench)MOSFET 是一種新型垂直結(jié)構(gòu)的 MOSFET 器件，是從傳統(tǒng)平面 MOSFET 結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上優(yōu)化發(fā)展而來(lái)，Trench MOSFET 由于將溝槽深入硅體內(nèi)，在設(shè)計(jì)上可以并聯(lián)更多的元胞，從而降低導(dǎo)通電阻(Ron)，實(shí)現(xiàn)更大電流的導(dǎo)通和更寬的開(kāi)關(guān)速度。

王穎等人[9]基于仿真手段，研究和分析了外延雜質(zhì)對(duì)器件 Ron 和擊穿電壓(BVDSS)的影響，所設(shè)計(jì)的新結(jié)構(gòu) Ron 降低了 18.8%。王南南等人對(duì)溝槽深度對(duì)器件阻態(tài)和通態(tài)電性進(jìn)行了研究，直觀展示了溝槽結(jié)構(gòu)對(duì)器件 BVDSS 以及 Ron影響。喬杰等人研究了溝槽深度和寬度對(duì)于 Ron和 BVDSS 的影響，通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)，最后獲得比導(dǎo)通電阻(Rsp,on)為 0.79mR·cm2，BVDSS 為 81V的器件。陳力等人研究了在不同 BVDSS 下器件Ron 優(yōu)化設(shè)計(jì)差別，理論和仿真表明，高 BVDSS器件的 Ron 比低耐壓器件更接近理想 Ron。

本研究設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種 100VN 中壓 Trench MOSFET 器件，基于仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)器件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)思路進(jìn)行驗(yàn)證，在此過(guò)程中對(duì)影響器件擊穿電壓，閾值電壓和導(dǎo)通電阻的結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)進(jìn)行了拉偏研究，針對(duì)器件所表現(xiàn)的電性現(xiàn)象進(jìn)行了分析，并利用仿真軟件描述了微觀的物理圖像，以更加深刻的理解器件性能變化的機(jī)制。

2 Trench MOSFET 結(jié)構(gòu)模型

圖 1 是本文研究的 Trench MOSFET 元胞結(jié)構(gòu)示意圖，其特點(diǎn)是在外延硅內(nèi)部刻蝕形成溝槽結(jié)構(gòu)，在體區(qū)(Pbody well)形成垂直導(dǎo)電溝道，進(jìn)而并聯(lián)更多元胞，降低導(dǎo)通電阻。結(jié)合圖 1 對(duì)相關(guān)結(jié)構(gòu)和工藝基礎(chǔ)參數(shù)進(jìn)行定義：外延層摻雜濃度3.9E15cm-3，厚度 8.3μm，元胞尺寸(cell pitch)1.4μm，溝槽深度(Trench depth)為 1.0μm~1.8μm，溝槽寬度(Trench CD)0.4μm，源極接觸寬度(Contact CD)0.45μm，源極接觸深度(Contactdepth)0.35μm，柵氧化層(Gate oxide，簡(jiǎn)稱(chēng) Gox)厚度為 600A~800A，體區(qū)注入劑量(Pbody dose)1.1 E13~1.7E13，源區(qū)(N source)注入劑量 4.5E15。

3 結(jié)果分析

3.1 溝槽深度

在保持其他結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)不變情況下，Trench depth 變化會(huì)對(duì)溝槽底部電場(chǎng)分布和積累層電阻產(chǎn)生影響，從而影響到器件的 BVDSS 和 Ron。本研究設(shè)計(jì)的 Trench depth 取值依次為 1.0μm、1.2μm、1.3μm、1.4μm、1.5μm、1.6μm 和 1.8μm。如表 2 和圖 2 所示，器件 BVDSS 隨著深度的增加表現(xiàn)為先升后降的趨勢(shì)，Vth 與深度的相關(guān)性不明顯，變化值僅為 0.09V，Ron 與深度表現(xiàn)為相反數(shù)值關(guān)系。

Trench depth 在 1.0μm~1.5μm 范圍內(nèi)，與深度保持正相關(guān)，這是因?yàn)闁艠O在溝槽內(nèi)部具有類(lèi)似于場(chǎng)板作用，隨著深度增加，相應(yīng) BVDSS 也隨之增加，并在 1.5μm 時(shí) 達(dá) 到 最 大 值 107.66V ， 在1.5μm~1.8μm 范圍內(nèi)，隨著深度進(jìn)一步增加，溝槽底部擠壓電力線情況變得嚴(yán)重，進(jìn)而導(dǎo)致溝槽底部承受電場(chǎng)強(qiáng)度增加，達(dá)到臨界場(chǎng)強(qiáng)后，引起 PN 結(jié)雪崩擊穿，導(dǎo)致 BVDSS 降低。圖 3 為器件在不同深度時(shí)電場(chǎng)分布，可以看出峰值電場(chǎng)強(qiáng)度隨著深度增加而升高，圖 4 和圖 5 分別表示器件反向耐壓時(shí)碰撞電離率分布和雪崩擊穿時(shí)電流流通路徑，可以看出碰撞電離率出現(xiàn)在溝槽的底部拐角處，雪崩擊穿時(shí) PN 漏電流直接沿著溝槽底角從體區(qū)流向源極接觸。

Trench depth 對(duì)于 Vth 影響不明顯，在深度變化 0.8μm 條件下，Vth 僅變化了 0.09V，這是因?yàn)樯疃茸兓匆痼w區(qū)離子分布變化，同時(shí) Gox 厚度也未變。在柵源電壓 Vgs=10V 時(shí) Ron 隨著深度增加而降低，其主要原因是深度的增加降低了漂移區(qū)電阻，對(duì)于低壓 MOSFET 而言，溝道電阻和漂移區(qū)電阻是影響器件導(dǎo)通電阻主要部分，本研究中體區(qū)注入條件和結(jié)構(gòu)未發(fā)生變化，因此溝道電阻不變，而深度增加占用了漂移區(qū)面積，從而降低了漂移區(qū)電阻，整體表現(xiàn)為器件 Ron 降低。

3.2 體區(qū)注入劑量

本研究設(shè)計(jì)體區(qū)注入能量固定為 60keV，注入劑量和對(duì)應(yīng)電學(xué)性能如表 3 所示，從表 3 和圖 6 可以看出，BVDSS 與注入劑量具有弱相關(guān)性，Vth 隨著注入劑量增加而升高，原因可以根據(jù)公式 1 進(jìn)行解釋?zhuān)琕th 主要由 Gox 厚度和 Pbody 注入劑量共同決定，且與此因素均為正相關(guān)關(guān)系。

其中，Vth 為閾值電壓，tox 為柵氧化層厚度，εox為柵氧化層介電常數(shù)，εox 為硅的相對(duì)介電常數(shù)，k為玻爾茲曼常數(shù)，T 為絕對(duì)溫度，ψB 為體電勢(shì)，NA為體區(qū)摻雜濃度，ni為 300K 時(shí)硅本征電子濃度。對(duì)于 Ron 影響一方面隨著 Vth 的升高，在相同柵源電壓 Vgs=10V 條件下，反型電荷數(shù)量降低，對(duì)應(yīng)溝道電阻升高，另一方面如圖 7 所示，隨著注入劑量增加，對(duì)應(yīng)體區(qū)結(jié)深和溝道電阻增加，也會(huì)引起 Ron的升高，圖 7 中還可以看出襯底在整個(gè)器件制作過(guò)程中有近 0.5μm 的反擴(kuò)，當(dāng)外延厚度窗口條件不足的情況下，這種反擴(kuò)容易造成 BVDSS 降低。

3.3 柵氧化層

通過(guò)控制 Gox 氧化時(shí)間進(jìn)行其厚度調(diào)控，保持溝槽側(cè)壁氧化層厚度分別為 600A, 700A 和 800A，從表 4 和圖 8 可以看出，器件 BVDSS 隨著厚度增加整體表現(xiàn)上升趨勢(shì)，但變化幅度不大，這主要是因?yàn)槠骷性诜聪驎r(shí)起到耐壓作用的是體二極管，因此 Gox 厚度影響不大。但對(duì)于 Vth 而言與厚度的變化表現(xiàn)出強(qiáng)相關(guān)性，如公式 1 所示，Gox 厚度增加，需要更大的柵源電壓 Vgs 來(lái)實(shí)現(xiàn)反型傳輸電荷層的形成，因此表現(xiàn)為 Vth 升高。對(duì)于 Ron 也隨著Gox 厚度增加而表現(xiàn)升高趨勢(shì)，但增幅比較小，其增加原因主要與 Vth 升高相關(guān)。

3.4 實(shí)驗(yàn)工藝流程

根據(jù)上述研究結(jié)果確定 Trench MOSFET 結(jié)構(gòu)和工藝條件如下：Trench depth 為 1.5μm，Pbody dose為 1.3E13，Gox 厚度 700A，圖 9 為所設(shè)計(jì)的器件一般工藝流程，具體包括溝槽刻蝕，柵氧化層生長(zhǎng)，多晶硅柵極淀積和刻蝕，Pbody 體區(qū)和 Source 源區(qū)離子注入與退火，源極接觸刻蝕和接觸金屬填充，源極金屬和鈍化層淀積。其中在完成溝槽刻蝕后，需要進(jìn)行犧牲場(chǎng)氧生長(zhǎng)和去除，以降低溝槽表面損傷和殘留異物，在完成多晶硅回蝕刻后，需要進(jìn)行過(guò)刻蝕，以去除平臺(tái)(mesa)上可能殘留的多晶硅，防止由此引起的柵源短接。

表 5 是基于實(shí)際流片獲得仿真與實(shí)驗(yàn)電性性能對(duì)比，從圖中可以看出 BVDSS，Vth，Ron 相近度分別在 98%，94%和 75%，由于 BVDSS 主要與外延厚度，濃度和體區(qū)注入條件等相關(guān)，此部分仿真過(guò)程中完全參照實(shí)驗(yàn)條件，因此 BVDSS 具有比較小變化。Vth 仿真中雖然在 Gox 和體區(qū)注入部分參照實(shí)驗(yàn)，但是實(shí)際流片中，Gox 的質(zhì)量，界面缺陷，柵極多晶硅品質(zhì)等均未進(jìn)行定義，因此與實(shí)驗(yàn)相比具有 94%的相近度。而 Ron 仿真結(jié)果具有比較大變化率，是因?yàn)榉抡娼Y(jié)構(gòu)模型為了提高計(jì)算速度，減少了部分層別的設(shè)置如 Ti/TiN，背面金屬層等，同時(shí)在實(shí)際實(shí)驗(yàn)減薄和背面金屬化過(guò)程中，最終厚度等條件也可能有偏移，因此表現(xiàn)為 Ron 結(jié)果具有較大差異。但整體上通過(guò)仿真方法獲得了器件結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)對(duì)電性影響規(guī)律，并符合物理規(guī)律，同時(shí)BVDSS 也達(dá)到了預(yù)設(shè)目標(biāo)，整體上本研究仿真設(shè)計(jì)的參數(shù)對(duì)于實(shí)際的實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)具有參考意義。

4 結(jié)束語(yǔ)

本 研 究 基 于 仿 真 工 具 對(duì) 100VN TrenchMOSFET 器件進(jìn)行設(shè)計(jì)和研究，重點(diǎn)研究了溝槽深度，體區(qū)注入劑量和柵氧化層厚度對(duì)于擊穿電壓，閾值電壓和導(dǎo)通電阻的影響現(xiàn)象并對(duì)機(jī)理進(jìn)行了分析，并使用仿真工具對(duì)器件內(nèi)部的物理場(chǎng)變化進(jìn)行了描述。通過(guò)優(yōu)化研究獲得了器件結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)為溝槽深度 1.5μm，體區(qū)注入劑量 1.3E13，柵氧化層厚度 700A，最后通過(guò)實(shí)際流片獲得對(duì)應(yīng)器件擊穿電壓為 105.6V，閾值電壓 2.67V，導(dǎo)通電阻3.12mR，相對(duì)應(yīng)仿真電性分別為 107.7V，2.84V 和2.34mR。以上說(shuō)明基于仿真工具進(jìn)行 MOSFET 器件開(kāi)發(fā)的準(zhǔn)確性，利用其描述的微觀物理圖像，可以更加深刻理解器件性能變化機(jī)制，同時(shí)研究過(guò)程中相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)及理論分析對(duì)于同行業(yè)研究具有一定的參考價(jià)值。

審核編輯：湯梓紅

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