A new structure and its analytical breakdown model of high voltage SOI device with Step Unmovable Surface Charges of buried oxide layer

A new SOI （Silicon On Insulator） high voltage device with Step Unmovable Surface Charges （SUSC） of buried oxide layer and its analytical breakdown model are proposed in the paper. The unmovable charges are implemented into the upper surface of buried oxide layer to increase the vertical electric field and uniform the lateral one. The 2-D Poisson＇s equation is solved to demonstrate the modulation effect of the immobile interface charges and analyze the electric field and breakdown voltage with the various geometric parameters and step numbers. A new RESURF （REduce SURface Field） condition of the SOl device considering the interface charges and buried oxide is derived to maximize breakdown voltage. The analytical results are in good agreement with the numerical analysis obtained by the 2-D semiconductor devices simulator MEDICI. As a result, an 1200V breakdown voltage is firstly obtained in 3pro-thick top Si layer, 2pro-thick buried oxide layer and 70pro-length drift region using a linear doping profile of unmovable buried oxide charges.     

漂移区纵向线性掺杂的SOI高压器件研究

随着SOI层厚度的变化,当SOI层的厚度为2μm时,SOI LDMOS器件具有一个最佳的击穿电压.如果漂移区纵向的杂质浓度为线性分布,那么它的纵向电场就会为一个常数,击穿电压会达到最大值,而这种杂质浓度线性分布的漂移区可以通过热扩散得到.采用这种方法制得的SOI LDMOS的纵向击穿电压提高了43%,导通电阻降低了24%,这是因为它的表面浓度更高.     

高k介质阶梯变宽度SOI LDMOS

本文提出了一种具有高k介质阶梯变宽度结构的新型的SOI LDMOS器件,该器件通过在漂移区内引入介质区域使得漂移区的宽度呈阶梯变化.借助三维器件仿真软件DAVINCI对其势场分布及耐压特性进行了深入分析.首先,阶梯变宽度结构能够在漂移区内引入新的电场峰值来优化势场分布,提高击穿电压.其次,采用高k材料作为侧壁介质区域可以进一步优化漂移区内势场分布,并提高漂移区浓度来降低导通电阻.结果表明,与常规结构相比,新器件的击穿电压可提高42%,导通电阻可降低37.5%,其FOM优值是常规器件的3.2倍.     

具有倾斜表面漂移区的SOI LDMOS的工艺设计

对一种具有倾斜表面漂移区SOI LDMOS的制造方法进行了研究,提出采用多窗口LOCOS法形成倾斜表面漂移区的新技术;建立了倾斜表面轮廓函数的数学模型,并开发了用于优化窗口尺寸和位置的计算机程序。TCAD 2-D工艺仿真验证了该技术的可行性。设计了漂移区长度约为15μm的SOI LDMOS。数值仿真结果表明,与RESURF结构器件相比较,其漂移区电场近似为理想的常数分布,并且击穿电压提高约8%,漂移区浓度提高约127%。由此可见,VLT是一种理想的横向耐压技术。     

Unified Breakdown Model of SOI RESURF Device with Uniform/Step/Linear Doping Profile

A unified breakdown model of SOI RESURF device with uniform,step，or linear drift region doping profile is firstly proposed.By the model,the electric field distribution and breakdown voltage are researched in detail for the step numbers from 0 to infinity.The critic electric field as the function of the geometry parameters and doping profile is derived.For the thick film device,linear doping profile can be replaced by a single or two steps doping profile in the drift region due to a considerable uniformly lateral electric field,almost ideal breakdown voltage,and simplified design and fabrication.The availability of the proposed model is verified by the good accordance among the analytical results,numerical simulations,and reported experiments.     

均匀、阶梯和线性掺杂漂移区SOI RESURF器件的统一击穿模型

提出了一个均匀、阶梯和线性掺杂漂移区SOI高压器件的统一击穿模型.基于分区求解二维Poisson方程,得到了不同漂移区杂质分布的横向电场和击穿电压的统一解析表达式.借此模型并对阶梯数从0到无穷时器件结构参数对临界电场和击穿电压的影响进行了深入研究.从理论上揭示了在厚膜SOI器件中用阶梯掺杂取代线性漂移区,不但可以保持较高的耐压,而且降低了设计和工艺难度.解析结果、MEDICI仿真结果和实验结果符合良好.     

Analysis of hot-carrier degradation in a SOI LDMOS transistor with a steep retrograde drift doping profile

This paper reports the electrical performances of a RF SOI power LDMOS transistor with a retrograde doping profile in the entire drift region. A comparison between retrograde and conventional uniformly doped drift SOI power LDMOS transistors is provide by means of a numerical simulation analysis. The proposed structures exhibit better performances in terms of trapped electron distribution and transconductance degradation with no modification of the breakdown voltage capability. Simulation results show that, at a given bias conditions, the reduction of lateral electric field peak at the silicon surface due to the implementation of the retrograde doping profile accounts for the observed reduction of the hot carrier degradation effect.     

阶梯掺杂漂移区SOI高压器件浓度分布优化模型

基于分区求解二维泊松方程,提出了阶梯掺杂漂移区SOI高压器件的浓度分布优化模型.借助此模型,对阶梯数从0到无穷时SOI RESURF结构的临界电场和击穿电压进行了研究.结果表明,对于所研究的结构,一阶或二阶掺杂可以在不提高工艺难度的情况下获得足够高的击穿电压,因而可以作为线性漂移区的理想近似.解析结果、MEDICI仿真结果和实验结果非常吻合,证明了模型的正确性.     

Analytical Model for the Piecewise Linearly Graded Doping Drift Region in LDMOS

提出了体硅LDMOS漂移区杂质浓度分布的一种二维理论模型,根据该模型,如果要使带有场极板的LDMOS得到最佳的性能,那么LDMOS漂移区的杂质浓度必须呈分段线性分布.用半导体专业软件Tsuprem-4和Medici模拟证明了该模型十分有效,根据该模型优化得到的新型LDMOS的击穿电压和导通电阻分别比常规LDMOS增加58.8%和降低87.4%.     

非均匀厚度漂移区SOI高压器件及其优化设计

提出非均匀厚度漂移区SOI高压器件新结构及其优化设计方法. 非均匀厚度漂移区调制SOI层的电场并增强埋层电场,从而提高器件击穿电压. 考虑到这种调制效应,提出解析模型用以优化设计该新器件的结构参数. 借助解析模型,研究了电场分布和器件击穿电压与结构参数的关系. 数值仿真证实了解析模型的正确性. 具有3阶梯的非均匀厚度漂移区SOI器件耐压为常规结构SOI器件的2倍,且保持较低的导通电阻.     

体硅LDMOS漂移区杂质分段线性注入模型研究

提出了体硅LDMOS漂移区杂质浓度分布的一种二维理论模型,根据该模型,如果要使带有场极板的LDMOS得到最佳的性能,那么LDMOS漂移区的杂质浓度必须呈分段线性分布.用半导体专业软件Tsuprem-4和Medici模拟证明了该模型十分有效,根据该模型优化得到的新型LDMOS的击穿电压和导通电阻分别比常规LDMOS增加58.8%和降低87.4%.     

阶梯掺杂薄漂移区RESURF LDMOS耐压模型

提出硅基阶梯掺杂薄漂移区RESURF LDMOS耐压解析模型.通过分区求解二维Poisson方程,获得阶梯掺杂薄漂移区的二维表面电场和击穿电压的解析表达式.借助此模型研究击穿电压与器件结构参数的关系,其解析与数值结果吻合较好.结果表明:在导通电阻相近情况下,阶梯掺杂漂移区LDMOS较均匀漂移区的击穿电压提高约20%,改善了击穿电压和导通电阻的折衷关系.     

薄膜SOI上大于600 V LDMOS器件的研制

针对600 V以上SOI高压器件的研制需要,分析了SOI高压器件在纵向和横向上的耐压原理。通过比较提出薄膜SOI上实现高击穿电压方案,并通过仿真预言其可行性。在埋氧层为3μm,顶层硅为1.5μm的注氧键合(Simbond)SOI衬底上开发了与CMOS工艺兼容的制备流程。为实现均一的横向电场,设计了具有线性渐变掺杂60μm漂移区的LDMOS结构。为提高纵向耐压,利用场氧技术对硅膜进行了进一步减薄。流片实验的测试结果表明,器件关态击穿电压可达600 V以上(实测832 V),开态特性正常,阈值电压提取为1.9 V,计算开态电阻为50Ω.mm2。     

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。     

漂移区为线性掺杂的高压薄膜SOI器件的研制

给出了漂移区为线性掺杂的高压薄膜SOI器件的设计原理和方法.在Si膜厚度为0.15μm、隐埋氧化层厚度为2μm的SOI硅片上进行了LDMOS晶体管的制作.首次对薄膜SOI功率器件的击穿电压与线性掺杂漂移区的杂质浓度梯度的关系进行了实验研究.通过对漂移区掺杂剂量的优化,所制成的漂移区长度为50μm的LDMOS晶体管呈现了高达612V的击穿电压.     

非均匀厚度漂移区SOI高压器件及其优化设计

提出非均匀厚度漂移区SOl高压器件新结构及其优化设计方法.非均匀厚度漂移区调制SOI层的电场并增强埋层电场,从而 提高器件击穿电压.考虑到这种调制效应.提出解析模型用以优化设计该新器件的结构参数.借助解析模型,研究了电场分布和器件击穿电压与结构参数的关系.数值仿真'证实了解析模型的正确性.具有3阶梯的非均匀厚度漂移区SOl器件耐压为常规结构SOl器件的2倍,且保持较低的导通电阻.     

基于RIE技术的倾斜表面SOI功率器件制备技术

对一种具有倾斜表面漂移区SOI LDMOS的制造方法进行了研究,提出了多窗口反应离子刻蚀法来形成倾斜表面漂移区的新技术,建立了倾斜表面轮廓函数的数学模型,TCAD工具的2D工艺仿真证实了该技术的可行性,最终优化设计出了倾斜表面漂移区长度为15μm的SOI LDMOS.数值仿真结果表明,其最优结构的击穿电压可达350 V...     

LDMOS in SOI technology with very-thin silicon film

In this paper, we extensively investigate, by two-dimensional simulations, the output characteristics accuracy and breakdown voltage performance for very-thin film (80 nm) SOI lateral double-diffused MOS (LDMOS) transistor as a function of the drift doping, drift length and field plate length. Trade-offs are discussed to optimize the off-state breakdown voltage versus the occurrence of kink effect and quasi-saturation in on-state. The conclusions are supported by experimental results.     

具有法拉第屏蔽罩的射频LDMOS功率晶体管漏源击穿电压模型

本文基于静电势的抛物线近似,通过求解p-外延层和n-漂移区的二维泊松方程,建立了具有法拉第屏蔽罩的射频LDMOS功率晶体管漏源击穿电压解析模型。分析了器件参数对击穿电压的影响。与已发表模型相比,本文模型增加了p-外延层掺杂浓度对击穿电压的影响。通过模型计算结果与数值仿真以及测试结果的比较,验证了模型的有效性。并根据所得模型分析了怎样合理选择器件参数以同时优化器件性能指标,如击穿电压、导通电阻和反馈电容。     

有n缓冲层SOI RESURF结构的电场分布解析模型

提出了有n缓冲层SOI RESURF结构的电场分布解析模型,采用MEDICI数值仿真,验证了上述模型的正确性。基于所建立的解析模型,获得了缓冲层的最优杂质浓度分布,提出了提高SOI RESURF结构耐压的缓冲层分段变掺杂新结构。