超級結(jié)又稱超結(jié),是制造功率場效應(yīng)晶體管的一種技術(shù),其名稱最早岀現(xiàn)于1993年。傳統(tǒng)高壓功率MOSFET的擊穿電壓主要由n型外延層和p型體區(qū)形成的pn結(jié)耗盡區(qū)的耐壓決定,又因p型體區(qū)摻雜濃度較高,耗盡區(qū)承壓主要在外延n-層。為了提高擊穿電壓,通常外延n-層濃度較低、厚度較大,然而摻雜濃度過低和厚度增加都將使功率MOS晶體管的導(dǎo)通電阻增加,這將導(dǎo)致功率轉(zhuǎn)換工作時的功率消耗增大,帶來極大的功耗浪費(fèi)。正因這種矛盾的存在,使得傳統(tǒng)高壓功率MOS管的導(dǎo)通電阻受擊穿電壓限制而存在一個極限值,業(yè)內(nèi)稱之為“硅限“(Silicon Limit)。為了突破這一極限,中國科學(xué)院陳星弼院士等在1988年至1995年期間分別提出了3種改善漂移層結(jié)構(gòu)的方法,構(gòu)成了超級結(jié)的基本思想,并申請了相應(yīng)的專利。基于這3個專利,1997年Takssuhiko等人對超級結(jié)思想進(jìn)行總結(jié),提出了“超級結(jié)理論”的概念。超級結(jié)MOSFET的結(jié)構(gòu)有很多種,圖中所示為典型傳統(tǒng)功率MOSFET與超級結(jié)MOSFET的比較。
從圖中可以看到,與傳統(tǒng)的功率MOSFET不同,超級結(jié)MOSFET 在垂直方向上存在深入外延n-層的p型區(qū),這些p型區(qū)的摻雜濃度比原p型體區(qū)的摻雜濃度低,可以補(bǔ)償過量的電流導(dǎo)通電荷,并使pn結(jié)的耗盡區(qū)向p區(qū)一 側(cè)大大擴(kuò)展,起到了電壓支持層的作用,降低了擊穿電壓對n-外延層的要求。 在相同擊穿電壓條件下,超級結(jié)MOSFET的n-電壓支持層摻雜濃度可以大幅提高,導(dǎo)通電阻可以大大降低,突破了傳統(tǒng)功率MOSFET的硅限。與傳統(tǒng)的功率 MOSFET相比,超級結(jié)MOSFET具有傳導(dǎo)損耗低、電流驅(qū)動能力大、柵極電荷低、開啟電壓低、開關(guān)速度快、出色的非鉗位感性開關(guān)(Unclamped Inductive Switching, UIS)能力、百分之百的雪崩能量擊穿測試等優(yōu)點(diǎn)。但是超級結(jié)結(jié)構(gòu)本身也存在一些問題和缺陷:由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,使得制造工藝難度增大,成本增加;np復(fù)合結(jié)構(gòu)也使得器件的反向恢復(fù)特性變差等。
從工藝實(shí)現(xiàn)來看,超級結(jié)功率MOSFET工藝的主要特點(diǎn)是,需要在垂直方向形成多個并行的n型、p型復(fù)合注入?yún)^(qū),其中n型區(qū)和p型區(qū)具有高深寬比、 高垂直傾角的特性(一般為85°~89.5°),這些要求使得超級結(jié)功率MOSFET的 工藝復(fù)雜性大大增加。目前,主流的超級結(jié)功率MOSFET工藝主要可以分為兩大類,一類是通過多次離子注入和外延,另一類是深槽刻蝕和填槽技術(shù)。在通 過離子注入實(shí)現(xiàn)的超級結(jié)結(jié)構(gòu)中,實(shí)際上僅依靠離子注入往往無法保證超級結(jié)n型區(qū)和p型區(qū)的深度與高深寬比,通常需要多次離子注入與多次外延工藝的結(jié) 合。通過深槽工藝實(shí)現(xiàn)超級結(jié)功率MOSFET的流程是,首先在n+襯底上外延n- 層,然后刻蝕形成高深度、陡直的硅槽,再外延填充上p型硅,從而形成超級結(jié)結(jié)構(gòu)。
英飛凌公司是國際上較早實(shí)現(xiàn)超級結(jié)MOSFET量產(chǎn)的公司。上海華虹宏力半導(dǎo)體制造有限公司可在200mm晶片上提供超級結(jié)MOSFET代工服務(wù),采用深 槽工藝,可以支持500-900V不同電壓等級產(chǎn)品的生產(chǎn)。
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原文標(biāo)題:集成電路中的超級結(jié),超級接面,Super Junction
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