功率DMOS器件加固技術(shù)的工藝設(shè)計

鄭瑩 王浩

（沈陽理工大學 遼寧省沈陽市 110159）

1 引言

隨著空間技術(shù)、核技術(shù)等的快速發(fā)展，越來越多的功率器件DMOS 不可避免要受到各種輻射的作用，導致器件的電性能參數(shù)變化，主要表現(xiàn)為閾值電壓漂移等[1]，嚴重時會使得器件功能失效，從而影響整個半導體電子設(shè)備的正常運作，因此，有必要對功率器件的抗輻射加固技術(shù)進行研究。按照器件損傷機理，抗輻射效應通常分為抗總劑量和抗單粒子兩種[2]，目前報道的加固措施主要有Si3N4/SiO2 疊層柵結(jié)構(gòu)[3]或者多晶硅部分剝離技術(shù)[4]等。本文在常規(guī)器件結(jié)構(gòu)參數(shù)的基礎(chǔ)上，引入厚氧結(jié)構(gòu)，同時在工藝上采用后柵氧工藝，加大高能粒子入射器件難度且避免了高溫過程，大大提高器件抗輻射的能力。在新的器件結(jié)構(gòu)參數(shù)基礎(chǔ)上，利用半導體仿真軟件進行工藝模擬，得到最終的工藝設(shè)計流程。

2 器件原理與結(jié)構(gòu)

圖1 是常規(guī)功率DMOS 器件的單胞結(jié)構(gòu)與原理圖， S、G 和D分別為功率DMOS 器件的源、柵、漏三個電極，外延層采用N 型Si 材料，外延層的厚度為Wepi，在外延層N-中形成了兩個彼此對稱的P 區(qū)和N+區(qū)，結(jié)深分別為hp和hN，為了避免寄生三極管導通，源極S 將N+區(qū)和P 區(qū)短接。在外延層上方分別是柵氧和多晶硅電極，在縱向構(gòu)成MOS 結(jié)構(gòu)，柵氧厚度為dox，多晶硅厚度為dp，經(jīng)重摻雜后的多晶硅形成柵極G。當柵源電壓VGS達到閾值電壓Vth時，p 區(qū)表面形成強反型，形成導電溝道，在正的漏源電壓VDS的作用下形成電流ID，經(jīng)源電極、N+區(qū)、溝道和外延層垂直流向襯底漏電極；當柵源電壓VGS小于閾值電壓Vth時，無法形成導電通路，此時，P 區(qū)與外延層形成的PN 結(jié)反偏，耗盡層主要在外延層一側(cè)，可以維持較高的阻斷電壓[5]。在常規(guī)器件結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，在兩個P 區(qū)之間上方多晶硅下方的氧化層厚度增加，就形成了新的功率DMOS器件結(jié)構(gòu)，如圖2 所示，tOx是厚氧化層的厚度。根據(jù)器件的電性能參數(shù)的要求：BVdss≥500V，Vth:2-4V，前期設(shè)計后得到的厚氧化層tox=400nm。同時，在工藝實現(xiàn)上還將采用后柵氧工藝，即在P區(qū)和N+區(qū)形成后再生長柵氧化層，這樣可以有效避免高溫過程對界面態(tài)等的損壞，進一步提高器件的抗輻射能力。

圖1：常規(guī)DMOS 器件結(jié)構(gòu)與原理示意圖

圖2：抗輻射功率DMOS 器件結(jié)構(gòu)示意圖

3 工藝設(shè)計

依據(jù)現(xiàn)有的工藝線加工水平，利用半導體工藝仿真軟件對功率DMOS 器件加工單步工藝進行了模擬仿真，結(jié)合抗輻射功率DMOS器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，分別對厚氧結(jié)構(gòu)和后柵氧工藝進行的研究。

3.1 厚氧工藝

通過對整個工藝流程的分析，厚氧結(jié)構(gòu)的形成主要通過場氧來實現(xiàn)，而厚氧化層的厚度由場氧的生長條件和柵氧厚度來決定，由于柵氧在場氧后面生成，此時在形成厚氧的位置，已經(jīng)形成了一定厚度的氧化層，隔絕了硅外延層與環(huán)境氣氛的接觸，因此在生長柵氧的過程中，無論是干氧氧化、濕氧氧化或者干濕結(jié)合，厚氧化層的厚度將增長緩慢，也就是說，厚氧的最終厚度并不是場氧厚度和柵氧厚度的幾何相加。通過調(diào)節(jié)場氧的生長時間和溫度，可以得到不同的厚氧化層厚度，如圖3 所示，可以看出，在生長溫度T=1000℃時，場氧生長時間越長，厚氧化層越厚；在生長時間（65min）一定時，場氧生長溫度越高，厚氧化層越厚，結(jié)果表明，在場氧的生長時間為65min，生長溫度T 為1000℃時，測得厚氧化層的厚度為399nm，與結(jié)構(gòu)設(shè)計時要求的厚氧化層厚度基本吻合。

3.2 后柵氧工藝

傳統(tǒng)功率DMOS 器件的工藝流程多采用多晶硅柵極自對準雙擴散工藝，即先生長柵氧化層，再淀積和刻蝕多晶硅，然后利用多晶硅的隔離作用進行離子自對準注入P 區(qū)，之后再對P 區(qū)進行高溫阱推[6]。這種自對準工藝較簡單且要求精度不高，由于自對準技術(shù)的應用，在關(guān)鍵光刻版之間的套刻誤差較小，工藝精度良好，器件的良率和性能更高。但是，在柵氧形成之前，工藝流程中存在的高溫熱過程，不可避免地會給柵氧化層引入較多的界面態(tài)和缺陷[7]，導致功率DMOS 器件在抗輻射方面的能力下降，嚴重影響器件的抗輻射性能。因此為了避免這個高溫過程，調(diào)整工藝流程，將柵氧工藝安排在P 區(qū)注入、高溫阱推及N+注入之后，即后柵氧工藝，如圖5 所示。相對于自對準工藝，后柵氧工藝對生產(chǎn)線光刻工序的要求較高，這與工藝線精度與工藝成熟度緊密相關(guān)。

圖3：場氧生長時間與厚氧厚度的關(guān)系（T=1000℃）

圖4：場氧生長時間與厚氧厚度的關(guān)系（time=65min）

圖5：工藝流程圖

圖6：擊穿電壓曲線

圖7：閾值電壓曲線

3.3 電性能參數(shù)

根據(jù)前期抗輻射功率DMOS 器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，在上述的后柵氧工藝流程中對各個單步工藝進行了設(shè)計和仿真，特別是厚氧結(jié)構(gòu)的工藝設(shè)計，最終得到的器件電性能參數(shù)曲線如圖所示，圖6 是抗輻射功率DMOS 器件的擊穿電壓曲線，圖7 是抗輻射功率DMOS 器件的閾值電壓曲線。可以看出，擊穿電壓達到524V，閾值電壓達到3V，滿足器件設(shè)計要求。

4 結(jié)論

功率DMOS 器件的加固技術(shù)研究對抗輻射性能的提高具有重要的意義，本文在已知器件結(jié)構(gòu)參數(shù)基礎(chǔ)上，利用半導體仿真軟件對器件的各個結(jié)構(gòu)進行了工藝模擬和器件電參數(shù)仿真，滿足了器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及電參數(shù)要求，確定了N 型功率DMOS 器件的整個工藝流程，為器件的工藝流片奠定基礎(chǔ)，也為類似功率DMOS 器件的工藝流程制定提供了參考。