两级非平衡超结SOILDMOS高压器件

针对SOI功率集成电路,提出一种具有两级非平衡超结的SOI LDMOS高压器件。新结构通过调节超结的掺杂浓度,在漂移区形成两级超结结构。在器件反向耐压时,源端的超结n区被快速耗尽,过剩的p型电荷可以降低源端的峰值电场,同时提高漂移区中部的电场;而漏端的超结p区被快速耗尽,过剩的n区与n型外延层共同提供补偿电荷,这种阶梯分布的电荷补偿进一步优化了横向电场分布。这种两级非平衡超结结构缓解了横向超结器件中的衬底辅助耗尽效应,可提高器件的耐压。三维器件仿真结果表明,在漂移区长度为15μm时,该器件的耐压达到300V,较常规的超结器件和具有缓冲层的超结器件分别提高122%和23%。     

两级非平衡超结SOI LDMOS高压器件

针对SOI功率集成电路,提出一种具有两级非平衡超结的SOI LDMOS高压器件。新结构通过调节超结的掺杂浓度,在漂移区形成两级超结结构。在器件反向耐压时,源端的超结n区被快速耗尽,过剩的p型电荷可以降低源端的峰值电场,同时提高漂移区中部的电场;而漏端的超结p区被快速耗尽,过剩的n区与n型外延层共同提供补偿电荷,这种阶梯分布的电荷补偿进一步优化了横向电场分布。这种两级非平衡超结结构缓解了横向超结器件中的衬底辅助耗尽效应,可提高器件的耐压。三维器件仿真结果表明,在漂移区长度为15 μm时,该器件的耐压达到300 V,较常规的超结器件和具有缓冲层的超结器件分别提高122%和23%。     

基于BCD工艺的局部电荷补偿超结LDMOS

针对功率集成电路中的高压器件应用,提出一种局部电荷补偿超结横向双扩散金属氧化物半导体(LDMOS)器件结构。利用常规LDMOS工艺,通过调整n阱的版图尺寸,在漏区形成局部的电荷补偿,可以缓解横向超结器件中存在的衬底辅助耗尽效应,促进超结的电荷平衡。n型电荷补偿区与p型衬底在超结下方形成pn结,可以同时优化横向和纵向电场分布,提高超结器件的耐压。此器件结构可以通过BCD工艺实现,适用于功率集成电路。三维器件仿真结果表明,新结构的器件耐压达到490 V,较常规的电荷补偿超结器件提高了53%。     

具有增强介质层电场的SJ-LDMOS

横向超结功率器件遭受衬底辅助耗尽效应,这破坏了超结的电荷平衡,降低了器件的耐压。本文研究了一种基于增强介质层电场的解决方法,以提高横向超结器件（SJ-LDMOS）的耐压。通过高密度的界面电荷增强埋氧层（BOX）的电场从而提高埋氧层的耐压,这可以削弱纵向电场对超结的影响,消除衬底辅助耗尽效应,促进超结电荷平衡。为了获得理想的线性电场增强效果,一种具有槽形埋氧层的超结器件（TBOX SJ-LDMOS）被提出。槽形埋氧层能根据纵向电场的大小自适应地收集空穴,在埋氧层表面形成近似线性的电荷分布,这促进了超结的电荷平衡,提高了SJ-LDMOS器件的耐压,并使其接近理想超结的耐压值。     

基于介质电场增强理论的SOI横向高压器件与耐压模型

SOI(Silicon On Insulator)高压集成电路(High Voltage Integrated Circuit,HVIC)因其具有高速、低功耗、抗辐照以及易于隔离等优点而得以广泛应用。作为SOIHVIC的核心器件,SOI横向高压器件较低的纵向击穿电压,限制了其在高压功率集成电路中的应用。为此,国内外众多学者提出了一系列新结构以提高SOI横向高压器件的纵向耐压。但迄今为止,SOI横向高压器件均采用SiO2作为埋层,且实用SOI器件击穿电压不超过600V;同时,就SOI横向器件的电场分布和耐压解析模型而言,现有的模型仅针对具有均匀厚度埋氧层和均匀厚度漂移区的SOI器件建立,而且没有一个统一的理论来指导SOI横向高压器件的纵向耐压设计。笔者围绕SOI横向高压器件的耐压问题,从耐压理论、器件结构和耐压解析模型几方面进行了研究。基于SOI器件介质层电场临界化的思想,提出介质电场增强ENDIF(Enhanced Dielectric LayerField)理论。在ENDIF理论指导下,提出三类SOI横向高压器件新结构,建立相应的耐压解析模型,并进行实验。(1)ENDIF理论对现有典型横向SOI高压器件的纵向耐压机理统一化ENDIF理论的思想是通过增强埋层电场而提高SOI横向器件的纵向耐压。ENDIF理论给出了增强埋层电场的三种途径:采用低εr(相对介电常数)介质埋层、薄SOI层和在漂移区/埋层界面引入电荷,并获得了一维近似下埋层电场和器件耐压的解析式。ENDIF理论可对现有典型SOI横向高压器件的纵向耐压机理统一化,它突破了传统SOI横向器件纵向耐压的理论极限,是优化设计SOI横向高压器件纵向耐压的普适理论。(2)基于ENDIF理论,提出以下三类SOI横向高压器件新结构,并进行理论和实验研究①首次提出低εr型介质埋层SOI高压器件新型结构及其耐压解析模型低εr型介质埋层SOI高压器件包括低εr介质埋层SOI高压器件、变εr介质埋层SOI高压器件和低εr介质埋层PSOI(PartialSOI)高压器件。该类器件首次将低介电系数且高临界击穿电场的介质引入埋层或部分埋层,利用低εr介质增强埋层电场、变εr介质调制埋层和漂移区电场而提高器件耐压。通过求解二维Poisson方程,并考虑变εr介质对埋层和漂移区电场的调制作用,建立了变εr介质埋层SOI器件的耐压模型,由此获得RESURF判据。此模型和RESURF判据适用于变厚度埋层SOI器件和均匀介质埋层SOI器件,是变介质埋层SOI器件(包括变εr和变厚度介质埋层SOI器件)和均匀介质埋层SOI器件的统一耐压模型。借助解析模型和二维器件仿真软件MEDICI研究了器件电场分布和击穿电压与结构参数之间的关系。结果表明,变εr介质埋层SOI高压器件的埋层电场和器件耐压可比常规SOI器件分别提高一倍和83%,当源端埋层为高热导率的Si3N4而不是SiO2时,埋层电场和器件耐压分别提高73%和58%,且器件最高温度降低51%。解析结果和仿真结果吻合较好。②提出并成功研制电荷型介质场增强SOI高压器件笔者提出的电荷型介质场增强SOI高压器件包括:(a)双面电荷槽SOI高压器件和电荷槽PSOI高压器件,其在埋氧层的一侧或两侧形成介质槽。根据ENDIF理论,槽内束缚的电荷将增强埋层电场,进而提高器件耐压。电荷槽PSOI高压器件在提高耐压的基础上还能降低自热效应;(b)复合埋层SOI高压器件,其埋层由两层氧化物及其间多晶硅构成。该器件不仅利用两层埋氧承受耐压,而且多晶硅下界面的电荷增强第二埋氧层的电场,因而器件耐压提高。开发了基于SDB(Silicon Direct Bonding)技术的非平面埋氧层SOI材料的制备工艺,并研制出730V的双面电荷槽SOILDMOS和760V的复合埋层SOI器件,前者埋层电场从常规结构的低于120V/μm提高到300V/μm,后者第二埋氧层电场增至400V/μm以上。③提出薄硅层阶梯漂移区SOI高压器件新结构并建立其耐压解析模型该器件的漂移区厚度从源到漏阶梯增加。其原理是:在阶梯处引入新的电场峰,新电场峰调制漂移区电场并增强埋层电场,从而提高器件耐压。通过求解Poisson方程,建立阶梯漂移区SOI器件耐压解析模型。借助解析模型和数值仿真,研究了器件结构参数对电场分布和击穿电压的影响。结果表明:对tI=3μm,tS=0.5μm的2阶梯SOI器件,耐压比常规SOI结构提高一倍,且保持较低的导通电阻。仿真结果证实了解析模型的正确性。     

基于薄埋氧层及三顶层硅的SOI高压LDMOS研究

详细研究了一种基于薄埋氧层及三层顶层硅衬底(Triple-Layer Top Silicon,TLTS)的SOI高压LDMOS器件。该结构在SOI介质层上界面的顶层硅内引入一高浓度n+层,当器件处于反向阻断状态时,高浓度n+区部分耗尽,漏端界面处已耗尽n+层内的高浓度电离施主正电荷可增强介质层电场,所产生的附加电场将调制漂移区内的电场,防止器件在漏端界面处被提前击穿,从而可在较薄的埋氧层(BOX)上获得较高耐压。在0.4μm BOX上获得了624V的耐压。与几种SOI器件相比,所提出的TLTS LDMOS器件具有较高优值(FOM)。     

嵌入式非平衡超结LDMOST

提出一种嵌入式非平衡超结器件结构,在n型外延层上通过高能注入间隔的p型埋层,形成嵌入式的超结结构。n型电荷与p区在四周形成电荷耗尽,相对于常规的超结更利于提高漂移区浓度,改善导通电阻;同时,器件的表面是完整的n型区,缓解了场氧工艺中吸硼排磷效应对超结的影响,有利于控制超结的电荷平衡。三维器件仿真结果表明,在漂移区长度为10μm时,新结构下的器件耐压达到220V,而导通电阻为常规超结LDMOST的76%。     

Super-High Breakdown Voltage (>1200V) SOI LDMOS with A Buried P-type Layer and A Thin BOX

为探索在薄埋氧层SOI衬底上实现超高耐压LDMOS的途径,提出了一种具有P埋层（BPL）的薄埋氧层SOI LDMOS结构,耐压1200V以上。该BPL SOI LDMOS在传统SOI LDMOS的埋氧层和N型漂移区之间引入了一个P型埋层。当器件正向截止时,N型漂移区与P埋层之间的反偏PN结将承担器件的绝大部分纵向压降。采用2维数值仿真工具Silvaco TCAD对BPL SOI LDMOS进行虚拟制造和器件仿真,结果表明该结构采用适当的参数既能实现1280V的耐压,将BOX层减薄到几百纳米以下又可以改善其热特性。     

具有超高耐压(>1200V)的薄埋氧层BPL SOI LDMOS(英文)

为了在薄埋氧层SOI衬底上实现超高耐压LDMOS铺平道路,提出了一种具有P埋层(BPL)的薄埋氧层SOI LDMOS 结构,耐压1200V以上.该BPL SOI LDMOS在传统SOI LDMOS的埋氧层和N型漂移区之间引入了一个P型埋层.当器件正向截止时,N型漂移区与P埋层之间的反偏PN结将承担器件的绝大部分纵向压降.采用2维数值仿真工具Silvaco TCAD对BPL SOI LDMOS进行虚拟制造和器件仿真,结果表明该结构采用适当的参数既能实现1 280 V的耐压,将BOL减薄到几百纳米以下又可以改善其热特性.     

一种部分厚膜SOI UVLD LIGBT

本文提出了一种漂移区掺杂为均匀与线性变掺杂相结合的部分厚膜SOI LIGBT结构,它的衬底被选择性刻蚀以移除埋氧层下电荷,从而使电势线能够通过衬底（衬底参与耐压）,提高器件击穿电压。更重要的是与薄膜SOI相比,厚膜SOI使得器件具有更大的电流流通面积、热扩散面积、更强的电流能力和更低的结温。仿真结果表明,所提出的厚膜SOI LIGBT其电流能力增强了16%（VAnode=6V, VGate=15V）,最大结温降低了30K（功率密度为1mW/μm）。     

具有补偿埋层的槽型埋氧层SOI高压器件新结构

A new silicon-on-insulator(SOI) high-voltage MOSFET structure with a compensation layer on the trenched buried oxide layer(CL T-LDMOS) is proposed.The high density inverse interface charges at the top surface of the buried oxide layer(BOX) enhance the electric field in the BOX and a uniform surface electric field profile is obtained,which results in the enhancement of the breakdown voltage(BV).The compensation layer can provide additional P-type charges,and the optimal drift region concentration is increased in order to satisfy the reduced surface electric field(RESURF) condition.The numerical simulation results indicate that the vertical electric field in the BOX increases to 6 MV/cm and the B V of the proposed device increases by 300%in comparison to a conventional SOI LDMOS,while maintaining low on-resistance.     

High-Voltage SOI SJ-LDMOS With a Nondepletion Compensation Layer

A new superjunction LDMOS on silicon-on-insulator (SOI) with a nondepletion compensation layer (NDCL) is proposed. The NDCL can be self-adaptive to provide additional charges for compensating the charge imbalance while eliminating the substrate-assisted depletion effect. In addition, the high-density oxide interface charges at the top surface of the buried oxide layer (BOX) enhance the electric field in the BOX and improve the vertical breakdown voltage (BV). Numerical simulation results indicate that a uniform surface electric field profile is obtained and that the vertical electric field in BOX is increased to $hbox{6} times hbox{10}^{6} hbox{V/cm}$, which results in a high BV of 300 V for the proposed device with the BOX thickness of 0.5 $muhbox{m}$ and drift length of 15 $muhbox{m}$ on a thin SOI substrate.      

具有部分n埋层的高压SJ-LDMOS器件新结构

针对衬底辅助耗尽效应降低常规super junction LDMOS(SJ-LDMOS)击穿电压的不足,提出了一种新的具有部分n埋层的高压SJ-LDMOS器件结构.通过该部分n埋层,不仅补偿了由于衬底辅助效应所致的电荷不平衡现象,实现了高的击穿电压,而且该埋层在器件正向导通时为电流提供了辅助通道,减小了器件导通电阻.分析了器件结构参数和参杂对器件击穿电压和导通电阻的影响,结果表明文中所提出的新结构具有高的击穿电压、低的导通电阻以及较好的工艺容差等特性.此外,该结构与智能功率集成技术兼容.     

具有部分n埋层的高压SJ-LDMOS器件新结构

针对衬底辅助耗尽效应降低常规super junction LDMOS(SJ-LDMOS)击穿电压的不足,提出了一种新的具有部分n埋层的高压SJ-LDMOS器件结构.通过该部分n埋层,不仅补偿了由于衬底辅助效应所致的电荷不平衡现象,实现了高的击穿电压,而且该埋层在器件正向导通时为电流提供了辅助通道,减小了器件导通电阻.分析了器件结构参数和参杂对器件击穿电压和导通电阻的影响,结果表明文中所提出的新结构具有高的击穿电压、低的导通电阻以及较好的工艺容差等特性.此外,该结构与智能功率集成技术兼容.     

Super junction LDMOS with enhanced dielectric layer electric field for high breakdown voltage

The lateral super junction(SJ) power devices suffer the substrate-assisted depletion(SAD) effect,which breaks the charge balance of SJ resulting in the low breakdown voltage(BV).A solution based on enhancing the electric field of the dielectric buried layer is investigated for improving the BV of super junction LDMOSFET (SJ-LDMOS).High density interface charges enhance the electric field in the buried oxide(BOX) layer to increase the block voltage of BOX,which suppresses the SAD effect to achieve the charge balance of SJ.In order to obtain the linear enhancement of electric field,SOI SJ-LDMOS with trenched BOX is presented.Because the trenched BOX self-adaptively collects holes according to the variable electric field strength,the approximate linear charge distribution is formed on the surface of the BOX to enhance the electric field according to the need.As a result,the charge balance between N and P pillars of SJ is achieved,which improves the BV of SJ-LDMOS to close that of the idea SJ structure.     

一种RESURF效应增强的高压低阻槽型SOI LDMOS

本文提出一种RESURF效应增强（Enhanced RESURF Effect）的高压低阻SOI LDMOS（ER-LDMOS）新结构,并研究其工作机理。ER-LDMOS的主要特征是：漂移区中具有氧化物槽;氧化物槽靠近体区一侧具有P条;氧化物槽下方的N型漂移区中具有埋P层。首先,从体区延伸到氧化物槽底部的P条,不仅起到纵向结终端扩展的作用,而且具有纵向RESURF效果,此二者都优化体内电场分布且提高漂移区掺杂浓度;其次,埋P层在漂移区中形成triple RESURF效果,能够进一步优化体内电场并降低导通电阻;第三,漂移区中的氧化物槽沿纵向折叠漂移区,减小了器件元胞尺寸,进一步降低比导通电阻;第四,P条、埋P层、氧化物槽和埋氧层对N型漂移区形成多维耗尽作用,实现增强的RESURF效应,可达到提高漂移区掺杂浓度与优化电场分布的目的,从而降低导通电阻且提高器件耐压。仿真结果表明,在相同的器件尺寸参数下,与常规槽型SOI LDMOS相比,ER-LDMOS击穿电压提高67%,比导通电阻降低91%。     

New High-Voltage ( $>$ 1200 V) MOSFET With the Charge Trenches on Partial SOI

A novel silicon-on-insulator (SOI) high-voltage MOSFET structure and its breakdown mechanism are presented in this paper. The structure is characterized by oxide trenches on the top interface of the buried oxide layer on partial SOI (TPSOI). Inversion charges located in the trenches enhance the electric field of the buried layer in the high-voltage blocking state, and a silicon window makes the depletion region spread into the substrate. Both of them modulate the electric field in the drift region; therefore, the breakdown voltage (BV) for a TPSOI LDMOS is greatly enhanced. Moreover, the Si window alleviates the self-heating effect. The influences of the structure parameters on device characteristics are analyzed for the proposed device structure. The TPSOI LDMOS with BV > 1200 V and the buried-layer electric field of E_I > 700 V/ mum is obtained by the simulation on a 2-mum-thick SOI layer over 2-mum-thick buried oxide layer, and its maximal temperature reduces by 19 and 8.7 K in comparison with the conventional SOI and partial SOI devices.     

A novel partial-SOI LDMOSFET (>800 V) with n-type floating buried layer in substrate

In this paper, a novel high voltage lateral double diffused metal–oxide–semiconductor (LDMOS) field effect transistor based on partial silicon-on-insulator (PSOI) technology is proposed and investigated based on the numerical simulations. The structure is characterized by an n-type floating buried layer (NFBL) in the substrate under the silicon window near the drain. The buried layer in the substrate modulates the lateral and vertical electric field, which results in the electric field of the drift region distributed uniformly. Therefore, the breakdown voltage (BV) of the device is significantly improved. The influences of the key parameters on device performance of the proposed structure are discussed. Moreover, the self-heating effect (SHE) is greatly alleviated duo to the silicon window helps thermal conduction to the substrate, which improved the reliability of device application.