具有高K介质槽的功率MOS研究

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基于对常规VDMOS、超结Super Junction和高K材料的研究,研究了新型的高K介质槽功率MOSFET,旨在优化VDMOS的击穿电压与比导通电阻等性能,本文研究了四种具有高K介质槽的新型功率VDMOS器件。(1)具有高K介质槽的超结VDMOS(HK SJ VDMOS),该结构在常规的槽栅超结VDMOS的槽栅下方做了高K介质延伸槽。栅极、高K介质和漂移区形成了一个MIS电容,起到了辅助耗尽漂移区,提高了漂移区的掺杂浓度从而降低了比导通电阻,优化漂移区电场分布的作用,并且缓解了超结结构对电荷非平衡的敏感性的问题。仿真得到了击穿电压BV=180V,比常规SJ VDMOS结构提高12%,比导通电阻Ron,sp=1.58mΩ·cm2,比常规SJ VDMOS结构减小50%。然后提出了一种采用小角度注入形成超结的可行的工艺方案。(2)具有高K介质槽的槽栅VDMOS(HK TG VDMOS),与HK SJ VDMOS结构相比,避免了电荷非平衡的问题,可以做到更小元胞尺寸。仿真得到了BV=172V的击穿电压,比常规TG VDMOS提高15%,得到了Ron,sp=0.85m Ω·cm2的比导通电阻,比常规TG VDMOS减小了67%。(3)具有半高K介质槽的VDMOS(Semi-HK VDMOS),高K介质槽两边的漂移区由高掺杂的窄N柱区和低掺杂N型漂移区构成,N+漏区上方有N-buffer层作为漂移区的一部分,其厚度兼顾击穿电压和工艺难度。高K介质槽仍起到辅助耗尽和优化漂移区电场分布的作用,但无需考虑超结的电荷非平衡的问题。仿真得到了击穿电压BV=620V,比常规Semi-SJ结构提高了33%,得到了比导通电阻Ron,sp=10.8m Ω·cm2,比常规的Semi-SJ结构降低了12%。(4)具有高K介质槽和N/N-柱的低阻VDMOS(HK N/N-VDMOS),由于高K介质的引入会增大栅漏电容,因而会影响器件的动态特性。针对这个问题,这里介绍一种具有高K介质槽的低阻N/N-柱区的VDMOS结构,N/N-位于槽栅下方,高K介质槽在漂移区两侧对称分布。得到了击穿电压BV=176V,比常规的SJVDMOS提高了20%,仿真得到了比导通电阻Ron,sp=1.16m·cm2,比常规的SJVDMOS减小了58%。最后给出这种结构的可行的工艺步骤。
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