CN105118862A - 一种具有抗单粒子效应的vdmos器件 - Google Patents

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Abstract

本发明属于功率半导体器件技术领域，具体的说涉及一种具有抗单粒子效应的VDMOS器件。本发明的主要技术方案为采用的技术方案主要为在栅极下方的外延层中设置与源极相连的第二导电类型半导体柱，产生横向电场，改变空穴的流经路径，从而避免发生寄生晶体管开启造成的单粒子烧毁现象以及单粒子栅穿现象，提高VDMOS器件的抗单粒子能力。本发明的有益效果为，极大地提高了VDMOS的抗单粒子烧毁能力，同时抗单粒子栅穿能力也能得到很好地改善；此外，本发明提出的抗单粒子辐照的VDMOS器件在保证击穿电压的前提下，有效降低了器件的导通电阻；同时由于采减小了栅电极的覆盖面积，该VDMOS结构的米勒电容大大降低。

Description

一种具有抗单粒子效应的VDMOS器件
技术领域
本发明属于功率半导体器件技术领域，涉及一种具有抗单粒子效应的VDMOS(垂直双扩散金属-氧化物半导体场效应晶体管)器件。
背景技术
随着电力电子技术向高频大功率应用领域的快速发展，VDMOS成为电力电子领域中的不可替代的重要器件之一，使用VDMOS的电力电子电路日益增多。该结构器件通常采用二次扩散或离子注入技术形成，是多元胞器件，易于集成，功率密度大，且多子导电，频率特性好。目前VDMOS是功率MOS的主流器件之一。作为功率开关，VDMOS具有耐压高、开关速度快、低导通电阻、低驱动功率、良好热稳定性、低噪声及简单的制造工艺等优点而广泛的用于开关电源、交流传动、变频电源、计算机设备等各种领域，并取得理想效果。
半导体器件的辐照效应是一个复杂的问题，因为不同类型的辐照，对半导体器件的影响是不同的。主要有四种类型的辐照能够对半导体器件产生辐照效应，它们分别是质子、电子、中子和γ射线。对微电子器件产生重要影响且研究最多的因素主要有γ总剂量辐射、γ剂量率辐射、中子辐射及单粒子效应。
VDMOS的单粒子效应主要分为单粒子栅穿(SEB)和单粒子烧毁(SEGR)。当功率MOS管关断时，会发生SEGR损伤。即当重离子轰击在栅极下侧时，衬底内的径迹附近产生高密度等离子体，在电场作用下，电子空穴对相对漂移，形成栅极下侧的电荷积累，此时，栅极类似具有大量电荷积累的电容，当电容两端压差足够高时，会击穿栅氧结构，从而造成不可恢复的物理损伤。
VDMOS的N+源、p沟道和轻掺杂的n-p漂移区之间，存在着一个寄生晶体管结构，它们分别构成寄生晶体管的发射区、基区和集电区，一般情况下，寄生晶体管的发射极和基极通过源极实现短路，从而对器件的外部特性不产生影响。在辐照环境下，注入粒子在VDMOS器件内产生大量电子空穴对，在漂移场和扩散双重作用下，经扩散和漂移，形成瞬发电流。瞬发电流的横向扩散在基区的电阻上产生压降，当压降增大到一定值时，寄生晶体管导通。当MOS晶体管的漏源电压大于击穿电压时，流过晶体管的电流可以进一步反馈，使得耗尽区的电流密度逐渐上升，造成漏-源间二次击穿，如果结温超过允许值，则引起源-漏结的烧毁。因而减小VDMOS器件N+源区下方的电阻，即增大Pbody区浓度是提高器件抗单粒子烧毁的有效方法。传统结构如图1所示，考虑对器件阈值的影响，Pbody区浓度不能太大，对减小VDMOS器件N+源区下方的电阻无明显作用，传统结构基本不具备抗单粒子烧毁能力。
发明内容
本发明所要解决的，就是针对上述传统VDMOS存在的问题，提出一种具有抗单粒子效应的VDMOS器件。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种具有抗单粒子效应的VDMOS器件，如图2所示，其元胞结构包括第一导电类型半导体衬底9和位于第一导电类型半导体衬底9上层的第一导电类型半导体外延层8；所述第一导电类型半导体衬底9下表面连接有漏极金属电极10；所述第一导电类型半导体外延层8上层两侧具有第二导电类型半导体体区6；所述第二导电类型半导体体区6中具有相互独立的第一导电类型半导体源区5和第二导电类型半导体体接触区7；所述第一导电类型半导体外延层8上表面具有源极金属电极1；所述源极金属电极1中具有氧化层3以及位于氧化层3上表面的多晶硅栅2构成的栅极结构；所述氧化层3下表面与第二导电类型半导体体区6和第一导电类型半导体源区5的上表面连接；所述栅极结构与源极金属电极1之间具有介质层4；其特征在于，所述第一导电类型半导体外延层8中具有第二导电类型半导体柱11；所述第二导电类型半导体柱11的上表面与栅极结构连接，所述源极金属电极1贯穿栅极结构与第二导电类型半导体柱11的上表面连接；所述第二导电类型半导体柱11与第二导电类型半导体体区6之间具有第一导电类型半导体区12。
本发明的有益效果为，极大地提高了VDMOS的抗单粒子烧毁能力，同时抗单粒子栅穿能力也能得到很好地改善；此外，本发明提出的抗单粒子辐照的VDMOS器件在保证击穿电压的前提下，有效降低了器件的导通电阻；同时由于采减小了栅电极的覆盖面积，该VDMOS结构的米勒电容大大降低。
附图说明
图1是常规功率VDMOS的结构示意图；
图2是本发明的一种具有抗单粒子效应的VDMOS器件的结构示意图；
图3是常规功率VDMOS和本发明的一种具有抗单粒子效应的VDMOS在发生单粒子辐射时的电子流向图；
图4是常规功率VDMOS和本发明的一种具有抗单粒子效应的VDMOS在发生单粒子辐射时的空穴流向图；
图5是常规VDMOS结构辐照0.5μs后的温度分布图；
图6是常规VDMOS结构辐照后0.5μs时间段内的电流变化趋势图；
图7是常规VDMOS结构辐照后初始时间的空穴分布图；
图8是常规VDMOS结构辐照0.5μs后的空穴分布图；
图9是具有抗单粒子效应VDMOS器件辐照0.5μs后的温度分布图；
图10是具有抗单粒子效应VDMOS器件辐照后0.5μs时间段内的电流变化趋势图；
图11是具有抗单粒子效应VDMOS器件辐照后初始时间的空穴分布图；
图12是具有抗单粒子效应VDMOS器件辐照0.5μs后的空穴分布图。
具体实施方式
下面结合附图，详细描述本发明的技术方案：
本发明的一种具有抗单粒子效应的VDMOS器件，如图2所示，其元胞结构包括第一导电类型半导体衬底9和位于第一导电类型半导体衬底9上层的第一导电类型半导体外延层8；所述第一导电类型半导体衬底9下表面连接有漏极金属电极10；所述第一导电类型半导体外延层8上层两侧具有第二导电类型半导体体区6；所述第二导电类型半导体体区6中具有相互独立的第一导电类型半导体源区5和第二导电类型半导体体接触区7；所述第一导电类型半导体外延层8上表面具有源极金属电极1；所述源极金属电极1中具有氧化层3以及位于氧化层3上表面的多晶硅栅2构成的栅极结构；所述氧化层3下表面与第二导电类型半导体体区6和第一导电类型半导体源区5的上表面连接；所述栅极结构与源极金属电极1之间具有介质层4；其特征在于，所述第一导电类型半导体外延层8中具有第二导电类型半导体柱11；所述第二导电类型半导体柱11的上表面与栅极结构连接，所述源极金属电极1贯穿栅极结构与第二导电类型半导体柱11的上表面连接；所述第二导电类型半导体柱11与第二导电类型半导体体区6之间具有第一导电类型半导体区12。
接下来以N沟道抗单粒子效应的VDMOS器件为例，说明本发明的工作原理：
如图3所示，当单粒子入射常规VDMOS时，其JFET位置是最敏感区域，高能粒子激发出电子空穴对，其中空穴只能通过n+源区下的pbody区流到源极，因此易造成寄生三极管的开启；另一方面，积累在JFET区表面的载流子也会引起栅氧两侧的电压差增加，产生栅穿。如图4所示，本发明提出的具有抗单粒子效应的VDMOS器件，由于与源极相连接的p型柱11的引入，在p型柱与漂移区8之间形成的一个横向电场，高能粒子激发产生电子-空穴对后，电子被漏极接收，空穴在横向电场的作用下向p柱区11不移动，直接被源极接收；由于p柱区11内不存在n型结构，因此不存在寄生晶体管，从而有效避免了寄生晶体管的导通。此外，单粒子栅穿主要发生在JFET区上表面部分的栅氧化层部分，本结构将栅结构做成分立的，多晶硅栅2之间是源极金属，大大改善了单粒子栅穿效应。并且由于采用分离栅结构，降低了米勒电容。本发明存在的缺点是JFET区面积减小造成导通电阻的增加，但是由于p型柱11的引入而产生的横向电场的作用，在保证击穿电压的基础上，可以通过适当提高漂移区8与JFET区12的浓度，降低器件的导通电阻。
为了验证本发明的有益效果，利用MEDICI软件对图1所示的常规VDMOS、图2所示本发明提出的具有抗单粒子效应的VDMOS器件进行仿真比较，仿真的主要参数为：元胞大小20μm，漂移区厚度23μm，温度为300K，传统结构漂移区浓度为1e15cm-3，本发明提出的结构漂移区浓度为1.5e15cm-3，本发明提出的结构p型柱深15μm，宽4μm，浓度为7.5e15cm-3。仿真得到，传统结构的击穿电压247V，比导通电阻1.92Ω·cm2,米勒电容4.48pf/mm2，高能粒子辐照时，漏-源电压加到130V就已经发生单粒子烧毁；本发明提出的具有抗单粒子效应的VDMOS器件，仿真得到其击穿电压292V，比导通电阻1.61Ω·cm2,米勒电容0.70pf/mm2，同等高能粒子辐照时，漏-源电压可以加到160V而不发生单粒子烧毁。如图5～图12所示，传统VDMOS结构与本发明提出的具有抗单粒子效应的VDMOS器件漏-源两端加160V电压，分别进行辐照仿真，辐照结束0.5μs时间段内，传统结构电流维持升高趋势，空穴浓度由最初的1e15cm-3的数量级上升至1e19cm-3的数量级，温度由300K上升至600K以上，发生单粒子烧毁；本发明提出的具有抗单粒子效应的VDMOS器件电流上升一段时间后开始下降至0，空穴浓度最初为1e15cm-3的数量级，0.5μs后恢复到1e15cm-3的数量级，温度也由300K恢复至300K，未发生单粒子烧毁。
可以看到，本发明提出的具有抗单粒子效应的VDMOS器件，在相同的仿真参数下，击穿电压提高18.2％，导通电阻下降16.1％，米勒电容降低84.4％，高能粒子辐照下，漏-源电压可以提高23.1％。由此可见，本发明提出的具有抗单粒子效应的VDMOS器件在提高击穿电压的同时还能降低导通电阻，并且由于米勒电容降低，开关速度得到改善，最重要的是，抗单粒子效应得到很大的提升。

Claims (1)

1.一种具有抗单粒子效应的VDMOS器件，其元胞结构包括第一导电类型半导体衬底(9)和位于第一导电类型半导体衬底(9)上层的第一导电类型半导体外延层(8)；所述第一导电类型半导体衬底(9)下表面连接有漏极金属电极(10)；所述第一导电类型半导体外延层(8)上层两侧具有第二导电类型半导体体区(6)；所述第二导电类型半导体体区(6)中具有相互独立的第一导电类型半导体源区(5)和第二导电类型半导体体接触区(7)；所述第一导电类型半导体外延层(8)上表面具有源极金属电极(1)；所述源极金属电极(1)中具有氧化层(3)以及位于氧化层(3)上表面的多晶硅栅(2)构成的栅极结构；所述氧化层(3)下表面与第二导电类型半导体体区(6)和第一导电类型半导体源区(5)的上表面连接；所述栅极结构与源极金属电极(1)之间具有介质层(4)；其特征在于，所述第一导电类型半导体外延层(8)中具有第二导电类型半导体柱(11)；所述第二导电类型半导体柱(11)的上表面与栅极结构连接，所述源极金属电极(1)贯穿栅极结构与第二导电类型半导体柱(11)的上表面连接；所述第二导电类型半导体柱(11)与第二导电类型半导体体区(6)之间具有第一导电类型半导体区(12)。
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