功率半导体器件物理与工艺研究课件

功率半导体器件、物理与工艺研究/项目负责人：张海鹏，项目负责人：张海鹏，项目负责人：张海鹏，项目负责人：张海鹏，起止年月：起止年月：起止年月：起止年月：19981998年年年年0101月至今月至今月至今月至今功率半导体器件、物理与工艺研究/1 1获得知识产权授权发明专利授权实用新型专利软件著作权获得知识产权授权发明专利2 2授权发明专利授权发明专利3 3授权发明专利授权发明专利4 4授权发明专利授权发明专利5 5授权发明专利授权发明专利6 6授权发明专利授权发明专利7 7授权发明专利授权发明专利8 8授权发明专利授权发明专利9 9授权实用新型专利授权实用新型专利1010授权实用新型专利授权实用新型专利1111授权实用新型专利授权实用新型专利1212软件著作权软件著作权1313获奖获奖1414SOI LDMOS/LIGBT研究项目经历项目经历国基重点项目：高温微电子器件与电路（）国基面上项目：新结构SOI LIGBT器件的基础研究（）863计划：深海磁力仪关键技术研究863计划：深海长距离大功率能源与图像信息混合传输技术研究省基面上项目“SOI LIGBT减薄漂移区表面微结构的双极载流子复合寿命(y104599)浙江省科技计划面上工业项目：集成抗ESD RF SOI LIGBT研制(2009C31004)等等SOI LDMOS/LIGBT研究项目经历国基重点项目1515主要内容DRT-MC TFSOI LIGBT器件SOI LDMOS/LIGBT with A TGFPTDESD Robustness of a Novel Anti-ESD TGFPTD SOI LDMOS 抗抗ESD SOI LIGBTESD SOI LIGBT器件的研究器件的研究United Gauss-Pearson-IV DistributionBPL SOI LDMOS新结构及其正向阻断特性BPL SOI材料制备方法初探 VG RF SOI LIGBT闩锁效应建模与仿真验证 RF SOI LDMOS电路建模超高压FR主要内容DRT-MC TFSOI LIGBT器件1616DRT-MC TFSOI LIGBT器件器件版图截面图DRT-MC TFSOI LIGBT器件版图截面图1717DRT-MC TFSOI LIGBT器件器件截止态器件内静电压的高温特性曲线截止态泄漏电流高温特性DRT-MC TFSOI LIGBT器件截止态器件内静电压的1818SOI LDMOS/LIGBT with A TGFPTDVertical gate and field plateField stop Lateral breakdownMiddle sourceHangzhou Dianzi University,Email:Hangzhou Dianzi University,Email:SOI LDMOS/LIGBT with A TGFPTDV1919Conventional SOI LDMOS Lateral ChannelCurrent flow crowdVertical breakdownShort channelHangzhou Dianzi University,Email:Hangzhou Dianzi University,Email:Conventional SOI LDMOS Lateral2020Process simulation with Silvaco TCADSOI waferDoping for n-buffer regionFormation of trench gateP-As implantation into drain regionp-well implantationp+contact implantationAs implantation into n+source region metal deposition and back-etchingHangzhou Dianzi University,Email:Hangzhou Dianzi University,Email:Process simulation with Silvac2121SOI waferHangzhou Dianzi University,Email:Hangzhou Dianzi University,Email:SOI waferHangzhou Dianzi Unive2222Doping for n-buffer regionSTITEOS spin-coatingEtchingPhosphorus ions implantationAnnealingHangzhou Dianzi University,Email:Hangzhou Dianzi University,Email:Doping for n-buffer regionSTIH2323Formation of trench gateDTIOxidation-etchingGate oxidationPoly-Si depositionCMPOxide depositionLithography P ions implantationHangzhou Dianzi University,Email:Hangzhou Dianzi University,Email:Formation of trench gateDTIHan2424P-As implantation into n+drain regionP implantationAnnealingAs implantationAnnealingHangzhou Dianzi University,Email:Hangzhou Dianzi University,Email:P-As implantation into n+drai2525P-well implantationLithographyB implantationStrip photoresist15keV20keVHangzhou Dianzi University,Email:Hangzhou Dianzi University,Email:P-well implantationLithography2626p+contact implantationLithographyB implantationStrip photoresist1e17,40,RTA5e15,50,Hangzhou Dianzi University,Email:Hangzhou Dianzi University,Email:p+contact implantationLithogr2727As implantation into n+source regionLithographyAs implantationStrip photoresist40 keV120 keVHangzhou Dianzi University,Email:Hangzhou Dianzi University,Email:As implantation into n+source2828Metal deposition and back-etchingOxide depositionLithographyTi depositionAl depositionBack-etching of Al and TiHangzhou Dianzi University,Email:Hangzhou Dianzi University,Email:Metal deposition and back-etch2929Former IFormer Id d-V-Vd d curves curvesFormer static resistor curvesFormer static resistor curvesHangzhou Dianzi University,Email:Hangzhou Dianzi University,Email:Former Id-Vd curvesFormer stat3030Process simulation with Silvaco TCAD for SOI LIGBT with TGFPTDSOI waferDoping for n-buffer regionFormation of trench gateFormation of trench drain with STIB implantation into anode regionP-As implantation into shorted anode regionp-well implantationp+contact implantationAs implantation into n+source region metal deposition and back-etchingHangzhou Dianzi University,Email:Hangzhou Dianzi University,Email:Process simulation with Silvac3131SOI waferHangzhou Dianzi University,Email:Hangzhou Dianzi University,Email:SOI waferHangzhou Dianzi Unive3232Doping for n-buffer regionLithographyP ions 5e13，160keVStriping&rinsingAnnealingEtching oxideHangzhou Dianzi University,Email:Hangzhou Dianzi University,Email:Doping for n-buffer regionLith3333LithographyDTI（SSRIE）Striping&rinsingWet OxidationEtchingRinsingFormation of trench gateHangzhou Dianzi University,Email:Hangzhou Dianzi University,Email:LithographyFormation of trench3434Gate dry oxidationtOX=40nmRedistributionContinuedHangzhou Dianzi University,Email:Hangzhou Dianzi University,Email:Gate dry oxidationContinuedHa3535Poly-Si depositionStep by step etchingCMPContinuedHangzhou Dianzi University,Email:Hangzhou Dianzi University,Email:Poly-Si depositionContinuedHa3636Field oxide depositionLithographyP ions implantation1.0e16,100kStriping photo-resistAnnealing30min,950ContinuedHangzhou Dianzi University,Email:Hangzhou Dianzi University,Email:Field oxide depositionContinue3737B implantation into anode regionLithographyTwice B ions implantation1e14/5e16cm-2,30/50keVStriping photo-resistSTI（SSRIE）Hangzhou Dianzi University,Email:Hangzhou Dianzi University,Email:B implantation into anode regi3838P-As implantation into n+drain regionlithographyP implantationAnnealingAs implantationStriping photo-resistAnnealingHangzhou Dianzi University,Email:Hangzhou Dianzi University,Email:P-As implantation into n+drai3939P-well implantationLithographyB implantation1e14cm-230keVStrip photo-resistHangzhou Dianzi University,Email:Hangzhou Dianzi University,Email:P-well implantationLithography4040p+contact implantationLithographyB implantation5e16cm-2,50keVStrip photo-resistRTAHangzhou Dianzi University,Email:Hangzhou Dianzi University,Email:p+contact implantationLithogr4141As implantation into n+source regionLithographyAs implantation1e16cm-2120 keVStrip photoresistRTA950Hangzhou Dianzi University,Email:Hangzhou Dianzi University,Email:As implantation into n+source4242SOI LIGBT with A TGFPTDSOI LIGBT with A TGFPTD4343Transfer characteristicTransfer characteristic4444ESD Robustness of a Novel Anti-ESD TGFPTD SOI LDMOSESD Robustness of a Novel Ant4545HBM circuitHBM circuit4646Possitive ESD CharacteristicPossitive ESD Characteristic47472D total current distribution of anti-ESD 2D total current distribution of anti-ESD TGFPTD SOI LDMOS at a positive ESV TGFPTD SOI LDMOS at a positive ESV stimulus at 2nsstimulus at 2ns2D total current distribution of anti-ESD TGFPTD SOI LDMOS at a positive ESV stimulus at 20ns2D total current distribution 48482D total current distribution of anti-ESD 2D total current distribution of anti-ESD TGFPTD SOI LDMOS at a positive ESV TGFPTD SOI LDMOS at a positive ESV stimulus at 300nsstimulus at 300ns2D total current distribution of anti-ESD TGFPTD SOI LDMOS at a positive ESV stimulus at 0.8s2D total current distribution 49492D total current distribution of anti-ESD TGFPTD SOI 2D total current distribution of anti-ESD TGFPTD SOI LDMOS at a positive ESV stimulus at 1.0LDMOS at a positive ESV stimulus at 1.0 s.s.2D total current distribution 5050Negative ESD CharacteristicNegative ESD Characteristic51512D hole ESD current distribution of the 2D hole ESD current distribution of the proposed anti-ESD proposed anti-ESD TGFPTD TGFPTD SOI LDMOS SOI LDMOS at time of 10nsat time of 10ns2D electron ESD current distribution of the proposed anti-ESD TGFPTD SOI LDMOS at time of 10ns2D hole ESD current distributi52522D hole ESD current distribution of the 2D hole ESD current distribution of the proposed anti-ESD TGFPTD SOI LDMOS proposed anti-ESD TGFPTD SOI LDMOS at time of 500nsat time of 500ns2D hole ESD current distribution of the proposed anti-ESD TGFPTD SOI LDMOS at time of 500ns2D hole ESD current distributi53532D total ESD current distribution of the proposed 2D total ESD current distribution of the proposed anti-ESD TGFPTD SOI LDMOS at time of 1.0usanti-ESD TGFPTD SOI LDMOS at time of 1.0us2D total ESD current distribut5454抗ESD SOI LIGBT器件的研究抗ESD SOI LIGBT器件的研究5555伏安特性伏安特性5656击穿特性击穿特性5757闩锁特性 断态通态闩锁特性 断态通态5858改进结构之一改进结构之一5959工艺设计、虚拟制造与器件仿真工艺仿真工具 工艺流程设计及仿真 仿真结果分析 工艺设计、虚拟制造与器件仿真工艺仿真工具 6060工艺流程设计及仿真顶层硅膜BOX硅衬底 SOI材料结构初始化 膜厚1.4m浓度埋氧层1.25 m工艺流程设计及仿真顶层硅膜BOX硅衬底 SOI材料结构初始化6161 STI STI形成硅岛形成硅岛(a)氧化、氮化、旋涂光刻胶(b)曝光、RIE刻蚀(c)去除光刻胶，热氧化(d)HDPCVD二氧化硅(e)CMP 900，10nmLPCVD,80nm110010nm STI形成硅岛(a)氧化、氮化、旋涂光刻胶(b)曝光6262缓冲区初始掺杂 缓冲区浓度分布 涂胶1.5m、光刻注磷:剂量 能量120keV 去胶、去氮化层、去表面氧化层退火：1100 氮气气氛 40min缓冲区初始掺杂 缓冲区浓度分布 涂胶1.5m、光刻6363P-well掺杂涂胶、光刻注硼：剂量 能量120keV去胶退火：1000 25min P-Well掺杂分布 P-well掺杂涂胶、光刻 P-Well掺杂分布 6464P+阳极区和P-Well欧姆接触区掺杂 涂胶、光刻注硼：剂量 能量40keV去胶RTA P+阳极区和P-Well欧姆接触区掺杂分布 P+阳极区和P-Well欧姆接触区掺杂 涂胶、光刻 P+阳极6565场氧形成 去氧化层淀积氧化层涂胶光刻刻蚀裸漏氧化层去胶 场氧形成 场氧形成 去氧化层 场氧形成 6666栅氧的形成与阈值电压调整注入 1000干氧氧化载3%HCl，40nm注硼：剂量 能量20keV 斜角7o 栅氧的形成与阈值电压调整注入 栅氧的形成与阈值电压调整注入 1000干氧氧化 栅氧的形6767多晶硅淀积 LPCVD0.2m涂胶光刻刻蚀氧化层 多晶硅淀积 多晶硅淀积 LPCVD 多晶硅淀积 6868N+阴极区和多晶硅掺杂涂胶光刻注砷：剂量 能量50keVRTA N N+阴极区和多晶硅掺杂阴极区和多晶硅掺杂N+阴极区和多晶硅掺杂涂胶 N+阴极区和多晶硅掺杂6969形成接触孔 涂胶光刻刻蚀多晶硅去胶淀积氧化硅涂胶光刻刻蚀氧化硅去胶 形成接触孔形成接触孔形成接触孔 涂胶 形成接触孔7070金属淀积与反刻 淀积钛，50nm钛硅化：600，1min腐蚀钛淀积铝，500nm涂胶光刻刻蚀铝 金属淀积与反刻金属淀积与反刻金属淀积与反刻 淀积钛，50nm 金属淀积与反刻7171仿真结果分析 图53 器件表面横向净掺杂浓度分布 横坐标为1.8m处的纵向掺杂分布 电学参数目标值仿真值阈值电压1.02.0V1.5V击穿电压100V122.4V通态电流密度90A/cm6200A/cm抗ESD钳位电压1020V11.05V通态压降5V2V通态闩锁电压(栅压 3.0V)20V57V表3 SOI LIGBT电学参数仿真结果 仿真结果分析 图53 器件表面横向净掺杂浓度分布 横坐标为7272集成抗ESD SOI LIGBT版图设计方法 器件单元版图设计 布局布线 版图优化 版图后仿真 集成抗ESD SOI LIGBT版图设计方法 器件单元版图设7373器件单元版图设计0.5m BCD工艺版图设计规则版图层次定义版图设计方法设定版图设计环境参照预仿真的器件结构，遵循上述版图设计规则，依次设计不同层次和区域的版图ekj SOI LIGBT器件单元版图总图 器件单元版图设计0.5m BCD工艺版图设计规则ekj S7474布局布线 管芯整体布局布线图 器件单元的个数为1221个通态电流可达2.56A 改进后1188个2.5A个 布局布线 管芯整体布局布线图 器件单元的个数为1221个个 7575版图优化 SOI LIGBT器件单元梯形版图 梯形器件单元版图的整体布局 版图优化 SOI LIGBT器件单元梯形版图 梯形器件单7676版图后仿真 前仿真与后仿真输出特性对比 闩锁曲线对比图 关断特性对比 版图后仿真 前仿真与后仿真输出特性对比 闩锁曲线对比图 7777United Gauss-Pearson-IV DistributionUnited Gauss-Pearson-IV Distri7878功率半导体器件物理与工艺研究课件7979United Gauss-Pearson-IV Distribution ModelUnited Gauss-Pearson-IV Distri8080United Gauss-Pearson-IV DistributionUnited Gauss-Pearson-IV Distri8181 Related parameters Related parameters8282功率半导体器件物理与工艺研究课件8383BPL SOI LDMOSBPL SOI LDMOS8484BPL SOI LDMOS新结构及其正向阻断特性图62 BPL SOI LDMOS器件截面结构思想 图63 工艺仿真BPL SOI LDMOS器件截面结构 图64 工艺仿真常规SOI LDMOS器件截面结构 图65 正向阻断特性曲线仿真结果 BPL SOI LDMOS新结构及其正向阻断特性图62 BP8585常规SOI LDMOS器件击穿态二维电场分布 BPL SOI LDMOS器件击穿态二维电场分布 高压版本常规SOI LDMOS器件击穿态二维电场分布 BPL SO8686一种新型低通态电阻的双槽栅一种新型低通态电阻的双槽栅SOI LDMOS 一种新型低通态电阻的双槽栅SOI LDMOS 8787电场分布横向纵向温度场分布漏极电流与热特性比较电场分布横向纵向温度场分布漏极电流与热特性比较8888 BPL SOI LIGBT新结构及其正向阻断特性 击穿状态二维电场分布与击穿电流矢量分布 击穿特性TCAD仿真结果 器件截面结构TCAD工艺仿真结果 集成抗ESD BPL SOI LIGBT器件思想 BPL SOI LIGBT新结构及其正向阻断特性 击穿状态8989BPL SOI材料制备方法初探 对于SOI横向高压功率器件，为了提高器件的耐压水平和浪涌能力，通常需要形成具有阶梯型或缓变形逆向杂质浓度分布的隐埋p型层(BPL)。利用硼的固溶度较大，铝的扩散系数较大，镓扩散系数和固溶度居中的特点，可在硅的表面形成高浓度的硼掺杂区，体内形成镓铝杂质的相对平滑的缓变杂质浓度分布区，最终形成缓变型的浓度分布。这种杂质浓度分布结构可以用硼镓铝在硅晶圆中长时间的高温扩散来完成。然后去除热扩散掺杂过程中形成的硅晶圆表面氧化层，接着将其(称为A片)与另一片未经P型掺杂的初始硅晶圆(称为B片)进行高温热氧化，在硅晶圆正表面制备一薄层高质量的热氧化层。之后，将A片翻转过来与B片基底键合，最后经过磨片与抛光制作成所需要的BPL SOI晶圆。BPL SOI材料制备方法初探 对于SOI横向高压功率器件，9090研究了硼镓铝在高温长时间扩散下的杂质浓度分布规律，建立了浓度分布模型：1100硼铝镓高温扩散的杂质浓度分布总图 研究了硼镓铝在高温长时间扩散下的杂质浓度分布规律，建立了浓度9191VG RF SOI LIGBT闩锁效应建模与仿真验证 VG RF SOI LIGBT器件结构的TCAD工艺仿真结果 式(8.7)-(8.13)为所建立的闩锁电流模型VG RF SOI LIGBT闩锁效应建模与仿真验证 VG 9292(a)完整伏安特性曲线 (b)snap-back局部放大零栅源电压下VG SOI LIGBT伏安特性的TCAD仿真结果(a)完整伏安特性曲线 9393近临界闩锁态闩锁电流密度二维分布 近临界闩锁态被触发导通 近临界闩锁态闩锁电流密度二维分布 9494The proposed BPL SOI LIGBTBuried P LayerForward block characteristics improvedAnti-ESD designAlleviate the effect of self-heatingThe proposed BPL SOI LIGBTBuri9595BPL SOI LIGBTBPL SOI LIGBT96962D distribution of impact ionization rate in forward breakdown stateEllipse regionImpact ionization center2D distribution of impact ioni97972D distributions of electric field and breakdown current in forward breakdown stateEllipse regionelectric peak positionThe yellow ellipse region the critical breakdown electric field is the lowest2D distributions of electric f98982D potential distribution in forward breakdown state2D potential distribution in f9999Lateral potential distribution at different vertical position in forward breakdown stateVertical potential distribution at different lateral position in forward breakdown stateLateral potential distribution100100Thermal Simulation ResultsInfluence of Si thickness on thermal resistance Thermal Simulation ResultsInfl101101Influence of BOX thickness on thermal resistance Influence of BOX thickness on 102102RF SOI LDMOS电路建模SOI LDMOS基于物理的分支紧凑电路模型 RF SOI LDMOS电路建模SOI LDMOS基于物理103103SOI LDMOS甲乙类功放电路设计SOI LDMOS甲乙类功放电路设计104104功率半导体器件物理与工艺研究课件105105超高压FR超高压FR106106W1W2S1S2Vr101096101132510613851111450 极大116139512113201011111420106111136015109610613801111450 极大1161400121132020109610613801111455 极大1161410121134020159610613801111455 极大11614121211350W1W2S1S2Vr10109610113251061385107107击穿电压击穿电压108108通态特性通态特性109109关断特性关断特性110110谢谢！111111