0.18微米 BCD 工艺兼容的准垂直功率 DMOS 器件结构参数对 RON,sp 的影响

来源：Influence of Structure Parameters on the RON,sp of Quasi-Vertical Power DMOS Compatible with 0.18μm BCD Process（ISPSD 24年）

摘要

“Lateral double-diffused MOSFET (LDMOS)是应用于功率电子领域最常见的器件之一,得益于其可以实现高集成度的优势。然而,LDMOS的导通特性受到限制,是由于其存在抵抗大电压的横向漂移区域(lateral drift region)。为了进一步降低特定导通电阻(RON,sp),提出了一种新型的集成功率DMOS器件,即准垂直屏蔽栅沟槽结构(SGT-QVDMOS),它与双极型-CMOS-DMOS(BCD)工艺兼容。本文详细研究了关键结构参数对RON,sp的影响。通过优化器件结构,实现了超越硅材料极限的超低RON,sp性能。”

关键词:

Quasi-vertical: 准垂直
LDMOS: 横向双扩散MOSFET
BCD process: 双极型-CMOS-DMOS工艺
RON,sp: 特定导通电阻

文章的研究内容

论文主要研究了一种新型的功率器件——SGT-QVDMOS（Shielded Gate Trench Quasi-Vertical Double-diffused MOSFET），这种器件与传统的LDMOS（Lateral Double-diffused MOSFET）相比，在保持高集成度的同时，旨在降低特定导通电阻（RoN,sp）并提高功率器件的性能。

研究背景：传统的LDMOS由于其横向漂移区的存在，限制了其导电特性。为了提高功率转换系统的功率密度和效率，需要降低LDMOS的RoN,sp。
SGT-QVDMOS结构：提出了一种与0.18μm BCD（Bipolar-CMOS-DMOS）工艺兼容的SGT-QVDMOS结构。这种结构通过引入一个不对称的栅槽和分裂的栅极（SP），将横向长漂移结构折叠成准垂直结构，从而实现更小的单元间距。
性能优化：通过调整关键结构参数，如尺寸和掺杂浓度，来优化SGT-QVDMOS的RoN,sp和阻断电压（BV）。研究了这些参数对RoN,sp和BV的影响，包括栅槽的角度、栅极的厚度、SP的高度、漂移区的掺杂浓度等。
模拟与实验验证：使用TCAD模拟来研究结构参数对RoN,sp和BV的影响，并制造了基于0.18μm BCD工艺的SGT-QVDMOS样品，通过实验验证了模拟结果。
性能比较：将SGT-QVDMOS与传统的LDMOS以及已发表的LDMOS器件进行了性能比较，展示了SGT-QVDMOS在降低RoN,sp方面的潜力。
结论：SGT-QVDMOS通过其新颖的结构设计，在理论上实现了比硅极限低51%的RoN,sp。通过优化关键结构参数，可以在保持高BV的同时，实现低RoN,sp。
参考文献：文档列出了一系列与功率半导体器件相关的参考文献，包括智能功率集成、高电压集成电路技术、功率半导体器件基础等。

文章的研究方法

论文提供了SGT-QVDMOS的详细研究，包括其设计、模拟、制造和性能测试，以及与传统LDMOS的比较，展示了其在功率电子领域的应用潜力。
根据提供的文档内容，研究方法主要包括以下几个步骤：

理论设计：首先，研究者提出了一种新型的SGT-QVDMOS结构，这种结构与传统的LDMOS不同，通过引入准垂直的漂移区和屏蔽栅槽（SGT）来改进器件的性能。
参数定义：定义了SGT-QVDMOS的关键结构参数，包括单元间距、栅槽宽度、栅极宽度、氧化层厚度、体区域深度和掺杂浓度等，这些参数对器件的性能有直接影响。
TCAD模拟：使用Technology Computer Aided Design（TCAD）软件进行模拟，研究了关键结构参数对SGT-QVDMOS的导通电阻（RoN,sp）和阻断电压（BV）的影响。模拟结果用于预测和优化器件的性能。
制造样品：基于0.18μm BCD工艺，制造了SGT-QVDMOS样品，以验证模拟结果和理论设计的可行性。
实验测试：对制造的SGT-QVDMOS样品进行了电性能测试，包括正向输出特性和阻断特性的测量，以验证模拟结果的准确性。
数据分析：对模拟和实验数据进行了详细分析，以评估SGT-QVDMOS的性能，并与传统LDMOS和已发表的LDMOS器件进行了性能比较。
优化调整：根据模拟和实验结果，对SGT-QVDMOS的结构参数进行了优化调整，以实现更低的RoN,sp和更高的BV。
结果验证：通过比较模拟和实验数据，验证了SGT-QVDMOS的性能，并确认了其在降低RoN,sp方面的潜力。
撰写论文：最后，研究者将研究结果整理成论文，包括研究背景、方法、结果和结论，并提供了参考文献以供进一步研究。

整个研究方法是一个系统性的过程，从理论设计到模拟、样品制造、实验测试，再到数据分析和优化，最终得出结论。这种方法确保了研究结果的可靠性和实用性。

文章的创新点

根据提供的文档内容，SGT-QVDMOS（Shielded Gate Trench Quasi-Vertical Double-diffused MOSFET）的研究具有以下创新点：

新型结构设计：提出了一种新的SGT-QVDMOS结构，这种结构通过引入准垂直的漂移区和屏蔽栅槽（SGT），与传统的LDMOS相比，能够在保持高阻断电压（BV）的同时降低特定导通电阻（RoN,sp）。
兼容现有工艺：SGT-QVDMOS与现有的0.18μm BCD（Bipolar-CMOS-DMOS）工艺兼容，这意味着它可以在现有的制造流程中实现，无需对生产线进行大规模改造。
关键参数优化：研究了影响SGT-QVDMOS性能的关键结构参数，如栅槽角度、栅极厚度、SP（Split Polysilicon）高度、漂移区掺杂浓度等，并通过优化这些参数实现了性能的显著提升。
低RoN,sp实现：通过结构和参数的优化，SGT-QVDMOS在理论上实现了比硅极限低51%的RoN,sp，这是一个显著的性能提升，有助于提高功率转换效率。
高阻断电压保持：在降低RoN,sp的同时，SGT-QVDMOS还能够保持较高的阻断电压，这对于功率器件在高压应用中的可靠性至关重要。
RESURF效应应用：利用SP引入的电荷平衡效应和RESURF（Reduced Surface Field）技术，减少了漂移区的电阻，进一步提高了器件的性能。
实验验证：通过制造样品并进行实验测试，验证了模拟结果的准确性，确保了理论设计到实际应用的可行性。
性能比较：将SGT-QVDMOS与传统LDMOS以及其他已发表的LDMOS器件进行了性能比较，展示了SGT-QVDMOS在降低RoN,sp方面的显著优势。
高集成度：SGT-QVDMOS的设计允许在保持高集成度的同时实现高性能，这对于智能功率集成电路的发展具有重要意义。

这些创新点展示了SGT-QVDMOS在功率电子领域的应用潜力，特别是在需要高效率和高功率密度的场合。通过这些创新，SGT-QVDMOS有望成为未来功率电子设计中的一个有吸引力的选项。

文章的结论

根据提供的文件内容，以下是SGT-QVDMOS研究文章的主要结论：

新型结构优势：SGT-QVDMOS通过引入准垂直的漂移区和屏蔽栅槽（SGT）结构，成功地将传统的横向漂移结构转换为更紧凑的准垂直结构，从而在保持高阻断电压（BV）的同时，显著降低了特定导通电阻（RoN,sp）。
性能提升：通过优化关键结构参数，SGT-QVDMOS在理论上实现了比硅极限低51%的RoN,sp，这一结果通过TCAD模拟和实验测试得到了验证。
工艺兼容性：SGT-QVDMOS的设计兼容0.18μm BCD工艺，这表明它可以在现有的半导体制造流程中实现，有助于快速推广应用。
电性能验证：制造的SGT-QVDMOS样品在实验中显示出了优异的正向导通和阻断特性，与模拟结果一致，证明了设计的可靠性。
性能比较：与已发表的LDMOS器件相比，SGT-QVDMOS在降低RoN,sp方面取得了显著的进步，同时保持了较高的BV，这在功率电子领域是一个重要的突破。
关键参数影响：研究详细分析了关键结构参数对SGT-QVDMOS性能的影响，包括栅槽角度、栅极厚度、SP高度、漂移区掺杂浓度等，为进一步的优化提供了指导。
创新贡献：SGT-QVDMOS的设计和实现为功率MOSFET技术提供了新的发展方向，特别是在提高功率密度和效率方面。
未来应用前景：SGT-QVDMOS的研究成果预示着其在汽车、消费电子、工业和其他领域的智能功率集成电路中的潜在应用，有助于推动相关技术的发展。