SGT-MOSFET 電場(chǎng)解析模型的建立*

蘇樂(lè) 王彩琳 楊武華 梁曉剛 張超

(西安理工大學(xué)電子工程系,西安 710048)

屏蔽柵溝槽金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(SGT-MOSFET)在體內(nèi)引入了縱向接源電極的屏蔽柵極,可以輔助耗盡漂移區(qū),其耐壓原理與溝槽MOSFET(VUMOSFET)不同.本文以110 V 左右結(jié)構(gòu)的SGTMOSFET 為研究對(duì)象,通過(guò)數(shù)值仿真、理論分析以及解析建模,研究了不同結(jié)構(gòu)的耐壓原理以及結(jié)構(gòu)參數(shù)與電場(chǎng)強(qiáng)度分布的相關(guān)性;建立了與器件各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)相關(guān)的電場(chǎng)解析模型,為器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù);并引入雪崩載流子對(duì)小電流下的電場(chǎng)解析模型進(jìn)行了修正,使得解析結(jié)果和仿真結(jié)果吻合較好;通過(guò)修正后的電場(chǎng)解析模型提取了最優(yōu)電場(chǎng)下的場(chǎng)氧厚度,使得相應(yīng)產(chǎn)品的靜、動(dòng)態(tài)特性得到明顯改善,從而極大地提升了器件的性能.

1 引言

屏蔽柵溝槽金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(SGT-MOSFET)是一種新型的功率MOSFET 器件,其不僅具有傳統(tǒng)深溝槽MOSFET 低導(dǎo)通損耗的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)也具有更低的開(kāi)關(guān)損耗[1-5].目前SGT-MOSFET 作為開(kāi)關(guān)器件主要應(yīng)用于新能源電動(dòng)車(chē)、新型光伏發(fā)電、節(jié)能家電等領(lǐng)域的核心功率控制部件,其性能與可靠性直接決定了系統(tǒng)的能源轉(zhuǎn)換效率和可靠性[6-9].

對(duì)于SGT-MOSFET 性能的提升,一方面可以通過(guò)結(jié)構(gòu)改進(jìn)來(lái)實(shí)現(xiàn),如重?fù)诫sn 型區(qū)結(jié)構(gòu)、雙分離柵結(jié)構(gòu)、不同介電常數(shù)場(chǎng)氧層結(jié)構(gòu)、浮空n 柱結(jié)構(gòu)、pn 摻雜多晶硅屏蔽柵結(jié)構(gòu)、多層外延結(jié)構(gòu)、浮空電極結(jié)構(gòu)、窄柵低k介質(zhì)層結(jié)構(gòu)、p+埋層結(jié)構(gòu)等[10-18].另一方面可以通過(guò)參數(shù)優(yōu)化來(lái)實(shí)現(xiàn),這就需要建立與器件結(jié)構(gòu)參數(shù)相關(guān)的電場(chǎng)解析模型.Zhang 等[19,20]在研究橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體(LDMOS),SGT-MOSFET 阻斷狀態(tài)下漂移區(qū)的電場(chǎng)模型時(shí),通過(guò)借鑒RESURF 技術(shù)相關(guān)理論給出了該類(lèi)器件的電場(chǎng)優(yōu)化條件判據(jù),為器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了重要的理論依據(jù).

實(shí)際上SGT-MOSFET 不僅由溝槽間漂移區(qū)來(lái)承受耐壓,還包括體區(qū)以及溝槽底部漂移區(qū)的耐壓區(qū),因此有必要建立更加完整的電場(chǎng)解析模型來(lái)對(duì)器件結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,從而最大限度的提高器件性能.本文以110 V 左右結(jié)構(gòu)的SGTMOSFET 為研究對(duì)象,通過(guò)數(shù)值仿真、理論分析以及解析建模,研究不同結(jié)構(gòu)的耐壓原理以及結(jié)構(gòu)參數(shù)與電場(chǎng)強(qiáng)度分布的相關(guān)性;建立了與結(jié)構(gòu)參數(shù)相關(guān)的電場(chǎng)解析模型,并通過(guò)引入雪崩載流子對(duì)其進(jìn)行了修正;通過(guò)修正后的電場(chǎng)解析模型提取了最優(yōu)電場(chǎng)下的場(chǎng)氧厚度,從而極大地改善了相應(yīng)產(chǎn)品的性能.

2 仿真模型

2.1 結(jié)構(gòu)模型

110 V SGT-MOSFET 產(chǎn)品的掃描電子顯微鏡(SEM)照片如圖1 所示.通過(guò)SEM 照片提取的元胞各區(qū)域尺寸及擴(kuò)展電阻測(cè)試(SRP)技術(shù)獲得的各區(qū)域摻雜濃度如表1 所示.仿真中通過(guò)面積因子將器件有源區(qū)的面積設(shè)置為和產(chǎn)品一致的2.57 mm × 3.59 mm (0.09 cm2).

圖1 SGT-MOSFE 產(chǎn)品SEM 圖Fig.1.The SEM photo of SGT-MOSFE product.

表1 SGT-MOSFE 產(chǎn)品具體結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1. The structural parameters of SGT-MOSFET product.

為對(duì)比分析建立了如圖2 所示的傳統(tǒng)溝槽MOSFET (VUMOSFET)、電荷耦合MOSFET(CCMOSFET)、SGT-MOSFET 結(jié)構(gòu)模型,其除了柵電極不同外,其他參數(shù)均一致.

圖2 兩元胞VUMOSFET (a),CCMOSFET (b),SGT-MOSFET (c)結(jié)構(gòu)圖Fig.2.The structures of two-cell VUMOSFET (a),CCMOSFET (b),SGT -MOSFET (c).

2.2 柵電荷測(cè)試電路模型

柵電荷是指器件柵源電壓上升到指定數(shù)值時(shí),所需要對(duì)柵極輸入的總電荷量,是衡量MOSFET器件開(kāi)關(guān)速度快慢的重要指標(biāo).圖3 所示為柵電荷測(cè)試電路及測(cè)試波形.在0—t1階段,電流源Ig對(duì)柵源電容充電,柵源電壓持續(xù)上升,但此時(shí)柵源電壓仍小于器件閾值電壓VTH,器件并未導(dǎo)通;在t1—t2階段,電流源Ig對(duì)柵源電容繼續(xù)充電,柵源電壓持續(xù)上升,在t1時(shí)刻?hào)旁措妷旱扔赩TH,器件導(dǎo)通;在t2—t3階段,電流源Ig對(duì)柵漏電容進(jìn)行充電,此時(shí)柵源電壓維持不變,對(duì)應(yīng)的電壓值為平臺(tái)電壓VGP;在t3—t4階段,電流源Ig繼續(xù)對(duì)柵電容進(jìn)行充電,直到柵源電壓上升到指定數(shù)值VGS,這一部分電荷稱(chēng)為過(guò)充電荷.因此總的柵電荷QG包括柵源電荷QGS、柵漏電荷QGD以及柵源電壓從VGP上升至VGS時(shí)所需的過(guò)沖電荷.

圖3 (a)柵電荷測(cè)試電路;(b) 柵電荷測(cè)試波形Fig.3.(a) Testing circuit of the gate charge;(b) test waveform of the gate charge.

2.3 物理模型

仿真所采用的物理模型包括禁帶窄化模型;依賴(lài)于摻雜、溫度、載流子-載流子散射以及高電場(chǎng)造成的載流子漂移速度飽和的遷移率模型;受溝道表面橫向電場(chǎng)散射影響的遷移率退化模型;依賴(lài)于摻雜和溫度的SRH (Shockley-Read-Hall)體復(fù)合模型;在柵氧與硅交界處采用SRH 表面復(fù)合模型,俄歇(Auger)復(fù)合模型;vanOverstraeten and de Man的雪崩產(chǎn)生模型.

3 仿真結(jié)果與分析

仿真VUMOSFET,CCMOSFET,SGT-MOSFET 在50 mA 電流下的擊穿曲線以及通過(guò)曲線示蹤器(B1505 A)測(cè)試的SGT-MOSFET 產(chǎn)品的擊穿曲線如圖4 所示.在相同漂移區(qū)摻雜下,CCMOSFET 和SGT-MOSFET 由于體內(nèi)場(chǎng)板的引入,擊穿電壓相比于VUMOSFET 分別提升了91%和140%.場(chǎng)氧厚度為0.58 μm 的SGT-MOSFET 擊穿電壓比場(chǎng)氧厚度為0.28 μm 的CCMOSFET 提升了25%,而在相同的0.58 μm 場(chǎng)氧厚度下兩者擊穿電壓一致,表明CCMOSFET 和SGT-MOSFET 的耐壓原理相同.并且SGT-MOSFET 擊穿曲線的仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果相符合.

圖4 不同結(jié)構(gòu)擊穿曲線對(duì)比Fig.4.Comparison of breakdown curves of different structures.

沿圖2 中虛線1—3 截取的3 種不同結(jié)構(gòu)MOSFET 的電場(chǎng)強(qiáng)度分布曲線如圖5 所示.VUMOSFET在阻斷狀態(tài)下由n 漂移區(qū)和p 基區(qū)形成的J1結(jié)來(lái)承擔(dān)電壓,此處會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)峰值.CCMOSFET,SGT-MOSFET 由于體內(nèi)場(chǎng)板的引入,在J1結(jié)和溝槽底部會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)電場(chǎng)峰值,從而會(huì)進(jìn)一步優(yōu)化器件體內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度分布,提高器件擊穿電壓.可以看出SGT-MOSFET 的電場(chǎng)強(qiáng)度分布比CCMOSFET更加均勻,因此擊穿電壓更高.

圖5 不同結(jié)構(gòu)電場(chǎng)強(qiáng)度分布圖Fig.5.The electric field strength distribution diagram of different structures.

為了分析場(chǎng)氧厚度對(duì)器件擊穿電壓、電場(chǎng)均勻性的影響,沿圖2 中虛線1—3 截取了3 種不同結(jié)構(gòu)的電勢(shì)分布曲線如圖6 所示.與CCMOSFET相比,SGT-MOSFET 的場(chǎng)氧更厚,則聚集于SGTMOSFET 溝槽兩側(cè)的空穴載流子數(shù)目更少,溝槽間的空穴載流子分布更加均勻.因此SGT-MOSFET縱向軸對(duì)稱(chēng)線上的電勢(shì)更高,擊穿電壓更大,電場(chǎng)分布更加均勻.

圖6 不同結(jié)構(gòu)電勢(shì)分布曲線Fig.6.The potential distribution curves of different structures.

CCMOSFET、SGT-MOSFET 在不同場(chǎng)氧厚度和臺(tái)面寬度下的擊穿電壓如圖7 所示.在元胞寬度不變的情況下,臺(tái)面寬度為1.4 μm 時(shí),擊穿電壓隨場(chǎng)氧厚度增大而線性增大;在臺(tái)面寬度為2.4 μm和3.4 μm 時(shí),隨場(chǎng)氧厚度增大擊穿電壓先增大后減小,并且臺(tái)面寬度越寬,擊穿電壓最大時(shí)對(duì)應(yīng)的場(chǎng)氧厚度越薄.這是由于在1.4 μm 臺(tái)面寬度下,器件體內(nèi)場(chǎng)板可以充分輔助耗盡n 漂移區(qū),場(chǎng)氧厚度的變化對(duì)空間電荷區(qū)展寬的影響很小,而場(chǎng)氧厚度的增大會(huì)進(jìn)一步優(yōu)化電場(chǎng)強(qiáng)度分布,從而提高器件擊穿電壓.在2.4 μm 和3.4 μm 較大的臺(tái)面寬度下,場(chǎng)氧厚度的增加會(huì)進(jìn)一步削弱體內(nèi)場(chǎng)板對(duì)n漂移區(qū)的耗盡,使空間電荷區(qū)展寬減小,擊穿電壓下降.

圖7 不同場(chǎng)氧厚度下的擊穿電壓Fig.7.The breakdown voltage under different field oxygen thicknesses.

4 電場(chǎng)解析模型

4.1 電場(chǎng)解析模型的建立

以上分析可知,場(chǎng)氧厚度和臺(tái)面寬度對(duì)器件擊穿電壓以及電場(chǎng)強(qiáng)度分布的影響不是獨(dú)立的,而與電場(chǎng)強(qiáng)度分布有關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)還包括溝槽深度、元胞寬度、漂移區(qū)摻雜濃度等.參數(shù)越多其對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度分布影響的關(guān)聯(lián)性越復(fù)雜,因此有必要建立與器件各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)相關(guān)的電場(chǎng)解析模型來(lái)為器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù).

如圖8 所示為兩個(gè)元胞的SGT-MOSFET 結(jié)構(gòu)示意圖,建立如下坐標(biāo)系,以硅表面為X軸,以?xún)蓚€(gè)元胞溝槽間漂移區(qū)的對(duì)稱(chēng)軸為Y軸.圖中Wn為1/2 臺(tái)面寬度,Tox為屏蔽柵與漂移區(qū)間的場(chǎng)氧層厚度,Ln為溝槽間漂移區(qū)的長(zhǎng)度,Dp為p 基區(qū)的深度,WPSC為空間電荷區(qū)在p 基區(qū)的展寬,WTSC為空間電荷區(qū)在溝槽底部的展寬.將軸對(duì)稱(chēng)線上的縱向電場(chǎng)強(qiáng)度劃分為p 基區(qū)、溝槽間漂移區(qū)和溝槽底部三段分布.

圖8 SGT-MOSFET 結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8.The schematic diagram of SGT-MOSFET.

對(duì)于溝槽間漂移區(qū)電場(chǎng)強(qiáng)度分布,假設(shè)阻斷狀態(tài)下溝槽間的漂移區(qū)完全耗盡,則有二維泊松方程:

將φ(x,y) 沿x方向泰勒展開(kāi)并保留前三項(xiàng)為

y軸為溝槽間漂移區(qū)的對(duì)稱(chēng)軸,對(duì)稱(chēng)軸上的橫向電場(chǎng)強(qiáng)度為零,則有邊界條件

假設(shè)x方向的場(chǎng)氧層電場(chǎng)強(qiáng)度均勻分布,則介質(zhì)交界處電位移矢量的連續(xù)性方程為

由于屏蔽柵與源極相接,電勢(shì)為0,則有邊界條件:

假設(shè)溝槽間漂移區(qū)上承擔(dān)的電壓為V2,則在(0,Dp)和(0,Ln)處有邊界條件:

由方程(7)及邊界條件(9)和(10)式可得SGTMOSFET 溝槽間漂移區(qū)的電場(chǎng)強(qiáng)度分布表達(dá)式[21]:

由表達(dá)式(11)可知,溝槽間漂移區(qū)的電場(chǎng)強(qiáng)度分布與外加漏源電壓V2,臺(tái)面寬度Wn,場(chǎng)氧層厚度Tox,溝槽間漂移區(qū)長(zhǎng)度Ln,以及漂移區(qū)摻雜濃度Nd有關(guān).p 基區(qū)和溝槽底部的電場(chǎng)強(qiáng)度分布主要由摻雜濃度決定,為了簡(jiǎn)化計(jì)算,取p 基區(qū)為常摻雜,即

將y=Dp和y=Dp+Ln代入電場(chǎng)強(qiáng)度表達(dá)式(11)可得:

由(13)—(15)式可得p 基區(qū)和溝槽底部的電場(chǎng)強(qiáng)度表達(dá)式為

由(16)式和(17)式可得p 基區(qū)和溝槽底部的空間電荷區(qū)展度分別為

對(duì)p 基區(qū)和溝槽底部的電場(chǎng)強(qiáng)度積分可得:

將(23)式代入(11)式可得繁雜的溝槽間漂移區(qū)的電場(chǎng)強(qiáng)度表達(dá)式.重復(fù)(13)—(17)式,可得p 基區(qū)和溝槽底部的電場(chǎng)強(qiáng)度表達(dá)式.最終整個(gè)器件的電場(chǎng)強(qiáng)度表達(dá)式為

將表2 中具體參數(shù)值代入表達(dá)式(24),可得SGT-MOSFET 在不同電壓下電場(chǎng)強(qiáng)度分布的解析結(jié)果如圖9 所示,并與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比.可以看出,50 V 電壓下解析結(jié)果和仿真結(jié)果吻合較好,而在113 V 高電壓下,解析模型溝槽底部的電場(chǎng)強(qiáng)度高于仿真結(jié)果,這是由于在高電壓下器件內(nèi)部已產(chǎn)生雪崩電流,雪崩產(chǎn)生的電子在正向漏源電壓下向漏極移動(dòng),使溝槽底部電場(chǎng)強(qiáng)度降低,而解析模型并未考慮到雪崩載流子對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度分布的影響.

圖9 不同電壓下電場(chǎng)解析結(jié)果和仿真結(jié)果的對(duì)比Fig.9.Comparison of electric field analysis results and simulation results under different drain-source voltages.

4.2 電場(chǎng)解析模型的修正

考慮上雪崩產(chǎn)生的載流子對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度分布的影響,引入雪崩電流來(lái)對(duì)電場(chǎng)解析模型進(jìn)行修正.器件在113 V 電壓下的漏極電流為1×10—3A,此時(shí)器件空間電荷區(qū)的摻雜濃度為有效摻雜濃度,需要考慮上雪崩產(chǎn)生的電子和空穴[22]:

電子和空穴有關(guān)電場(chǎng)強(qiáng)度的漂移速度表達(dá)式如下[23]:

在空間電荷區(qū)中電子電流連續(xù)性方程如下:

總電流密度J等于:

電子和空穴有關(guān)電場(chǎng)強(qiáng)度的的碰撞電離率為

通過(guò)求解以上非線性方程組,最終可得修正后的電場(chǎng)解析表達(dá)式為

將V=113 V,J=1×10—3A 代入(34)式,得到修正后的電場(chǎng)強(qiáng)度解析模型如圖10 所示,可以看出其與仿真結(jié)果符合得較好.

圖10 修正后的電場(chǎng)解析模型Fig.10.Revised electric field analytical model.

4.3 參數(shù)優(yōu)化

在1.4 μm 臺(tái)面寬度下,器件擊穿電壓隨場(chǎng)氧厚度增加而線性增大,說(shuō)明此時(shí)屏蔽柵能夠較好的輔助耗盡漂移區(qū).因此建立了1.4 μm 臺(tái)面寬度下不同場(chǎng)氧厚度的電場(chǎng)解析模型,如圖11 所示.隨著場(chǎng)氧厚度增大,元胞間漂移區(qū)軸對(duì)稱(chēng)線上的電場(chǎng)強(qiáng)度分布越加均勻,在0.68 μm 場(chǎng)氧厚度下,J1結(jié)和溝槽底部的電場(chǎng)峰值幾乎相等,達(dá)到最優(yōu)電場(chǎng)強(qiáng)度分布.

圖11 不同場(chǎng)氧厚度下的電場(chǎng)解析模型Fig.11.Analytical model of electric field under different field oxygen thicknesses.

通常通過(guò)優(yōu)值參數(shù)來(lái)評(píng)估器件的性能,其中優(yōu)值FOM1是評(píng)估器件靜態(tài)特性的指標(biāo),由(35)式定義.擊穿電壓VBR越高,導(dǎo)通電阻Ron越小,則優(yōu)值FOM1越大,代表器件擊穿電壓和導(dǎo)通電阻折中越好,器件靜態(tài)特性越優(yōu)異.

器件在不同場(chǎng)氧厚度下的Ron、VBR、歸一化優(yōu)值FOM1如圖12 所示.通態(tài)時(shí)屏蔽柵極與源極接零電位,會(huì)使電子電流遠(yuǎn)離靠近屏蔽柵極側(cè)的漂移區(qū).而隨著場(chǎng)氧厚度增大,電子電流導(dǎo)通面積增大,因此器件導(dǎo)通電阻降低.在0.68 μm 場(chǎng)氧厚度下優(yōu)值FOM1最大,表明此時(shí)器件的靜態(tài)特性最佳.

圖12 不同場(chǎng)氧厚度下的Ron、VBR、歸一化優(yōu)值FOM1Fig.12.Ron,VBR,and normalized FOM1 under different.

優(yōu)值FOM2是評(píng)估器件開(kāi)關(guān)特性的指標(biāo),定義為

其中導(dǎo)通電阻Ron越小,柵電荷Qg越少,則優(yōu)值FOM2越小,代表器件開(kāi)關(guān)速度越快,功耗越少,器件動(dòng)態(tài)特性越優(yōu)異.

不同場(chǎng)氧厚度下的柵電荷如圖13 所示,測(cè)試條件為VDD=80 V,VGS=10 V,Ig=6.5 mA,Id=13 A.隨著場(chǎng)氧厚度增大,柵源電容減小,因此柵源電荷降低.雖然不同場(chǎng)氧厚度下器件擊穿電壓不同,但由于屏蔽柵可以充分輔助耗盡n 漂移區(qū),場(chǎng)氧厚度的變化對(duì)空間電荷區(qū)展寬影響很小,因此柵漏電荷幾乎不變.

圖13 不同場(chǎng)氧厚度下的柵電荷Fig.13.Gate charges under different field oxygen thicknesses.

器件在不同場(chǎng)氧厚度下的Ron、柵電荷Qg、優(yōu)值FOM2如圖14 所示.在0.68 μm 場(chǎng)氧厚度下優(yōu)值FOM2最小,表明此時(shí)器件的動(dòng)態(tài)特性最佳.相對(duì)于圖1 中場(chǎng)氧厚度為0.58 μm 的SGTMOSFET產(chǎn)品,在優(yōu)化后的0.68 μm 場(chǎng)氧厚度下FOM1提升了18.9%,FOM2降低了8.5%,因此器件的靜動(dòng)態(tài)特性均得到明顯改善.

圖14 不同場(chǎng)氧厚度下的Ron、Qg、優(yōu)值FOM2Fig.14.Ron,Qg,and FOM2 under different field oxygen thickness.

5 結(jié)論

SGT-MOSFET 場(chǎng)氧厚度和臺(tái)面寬度對(duì)器件擊穿電壓以及電場(chǎng)強(qiáng)度分布的影響不是相互獨(dú)立的,參數(shù)越多其對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度分布影響的關(guān)聯(lián)性越復(fù)雜.本文通過(guò)建立與器件各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)相關(guān)的電場(chǎng)解析模型,為器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù);并引入雪崩載流子對(duì)小電流下的電場(chǎng)解析模型進(jìn)行了修正,使得解析結(jié)果和仿真結(jié)果吻合較好;通過(guò)修正后的電場(chǎng)解析模型提取了最優(yōu)電場(chǎng)下的場(chǎng)氧厚度.與原本0.58 μm 場(chǎng)氧厚度的SGTMOSFET 產(chǎn)品相比,在0.68 μm 最優(yōu)場(chǎng)氧厚度下器件的優(yōu)值參數(shù)FOM1提升了18.9%,FOM2降低了8.5%,使得器件的靜、動(dòng)態(tài)特性均得到明顯改善,從而極大地提升了相應(yīng)產(chǎn)品的性能.