超級結又稱超結,是制造功率場效應晶體管的一種技術,其名稱最早岀現于1993年。傳統高壓功率MOSFET的擊穿電壓主要由n型外延層和p型體區形成的pn結耗盡區的耐壓決定,又因p型體區摻雜濃度較高,耗盡區承壓主要在外延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晶體管的導通電阻增加,這將導致功率轉換工作時的功率消耗增大,帶來極大的功耗浪費。正因這種矛盾的存在,使得傳統高壓功率MOS管的導通電阻受擊穿電壓限制而存在一個極限值,業內稱之為“硅限“(Silicon Limit)。為了突破這一極限,中國科學院陳星弼院士等在1988年至1995年期間分別提出了3種改善漂移層結構的方法,構成了超級結的基本思想,并申請了相應的專利?;谶@3個專利,1997年Takssuhiko等人對超級結思想進行總結,提出了“超級結理論”的概念。超級結MOSFET的結構有很多種,圖中所示為典型傳統功率MOSFET與超級結MOSFET的比較。
從圖中可以看到,與傳統的功率MOSFET不同,超級結MOSFET 在垂直方向上存在深入外延n-層的p型區,這些p型區的摻雜濃度比原p型體區的摻雜濃度低,可以補償過量的電流導通電荷,并使pn結的耗盡區向p區一 側大大擴展,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MOSFET的n-電壓支持層摻雜濃度可以大幅提高,導通電阻可以大大降低,突破了傳統功率MOSFET的硅限。與傳統的功率 MOSFET相比,超級結MOSFET具有傳導損耗低、電流驅動能力大、柵極電荷低、開啟電壓低、開關速度快、出色的非鉗位感性開關(Unclamped Inductive Switching, UIS)能力、百分之百的雪崩能量擊穿測試等優點。但是超級結結構本身也存在一些問題和缺陷:由于其結構復雜,使得制造工藝難度增大,成本增加;np復合結構也使得器件的反向恢復特性變差等。
從工藝實現來看,超級結功率MOSFET工藝的主要特點是,需要在垂直方向形成多個并行的n型、p型復合注入區,其中n型區和p型區具有高深寬比、 高垂直傾角的特性(一般為85°~89.5°),這些要求使得超級結功率MOSFET的 工藝復雜性大大增加。目前,主流的超級結功率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。在通 過離子注入實現的超級結結構中,實際上僅依靠離子注入往往無法保證超級結n型區和p型區的深度與高深寬比,通常需要多次離子注入與多次外延工藝的結 合。通過深槽工藝實現超級結功率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,從而形成超級結結構。
英飛凌公司是國際上較早實現超級結MOSFET量產的公司。上海華虹宏力半導體制造有限公司可在200mm晶片上提供超級結MOSFET代工服務,采用深 槽工藝,可以支持500-900V不同電壓等級產品的生產。
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原文標題:集成電路中的超級結,超級接面,Super Junction
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