有n埋层结构的1200V横向变掺杂双RESURF LDMOS研制

提出有n埋层的横向变掺杂双RESURF 新结构高压LDMOS器件.该结构器件与常规LDMOS相比,采用了相对较薄的外延层,使之与标准CMOS工艺的兼容性得到了改善.基于二维器件仿真软件MEDICI分析了n埋层的浓度、长度和p-降场层的杂质浓度分布对器件耐压的影响,并进行了器件和工艺的优化设计.在国内工艺生产线成功地研制出1200V高压LDMOS,并已用于1200V功率集成电路中.     

有n埋层结构的1200V横向变掺杂双RESURF LDMOS研制

提出有n埋层的横向变掺杂双RESURF 新结构高压LDMOS器件.该结构器件与常规LDMOS相比,采用了相对较薄的外延层,使之与标准CMOS工艺的兼容性得到了改善.基于二维器件仿真软件MEDICI分析了n埋层的浓度、长度和p－降场层的杂质浓度分布对器件耐压的影响,并进行了器件和工艺的优化设计.在国内工艺生产线成功地研制出1200V高压LDMOS,并已用于1200V功率集成电路中.     

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。     

注F~+加固CMOS/SOI材料的抗辐射研究

向SIMOX材料的SiO2埋层或Si/SiO2界面注入170 keV F+,进而制成CMOS/SOI材料,采用60Co g 辐射器辐照并测量材料的I-V特性。结果表明:向CMOS/SOI材料埋层注入F+离子,能提高CMOS/SOI材料的抗电离辐照性能。而且,注入F+的剂量为11015cm2时,材料的抗辐照能力较强。这对制作应用于电离辐射环境的COMS/SOI器件极其有益。     

高性能双极／CMOS工艺—CIT2

已经研究了一种新型的双极/CMOS工艺集电极注入技术2(CIT2),其光刻条宽为1.5μm。用标准双极工艺制造的LSI芯片,通常包括埋层、外延和隔离扩散等高温工艺,其成品率比MOS电路低,又难以与CMOS器件组合,因而就开发了注入集电极的新工艺。CIT技术既不采用外延,又不采用埋层,可以在双极或MOS生产线上实现。 用这种工艺制作了截止频率高(fT-5GHz)的npn晶体管,又作出了延迟时间为180ps的ECL门。非本征基极的整个表面为PtSi所覆盖,这样,它的电阻被降到20Ω。 n沟和P沟MOS晶体管的性能可与用常规的CMOS工艺制出的性能相媲美。在n阱内形成p沟MOS晶体管。p沟和n沟MOS晶体管的漏和源都直接与多晶硅相接,其最小传输延迟为280ps。     

SOI MOSFET器件X射线总剂量效应研究

研究了以10keV X射线为辐照源对注氧隔离(SIMOX)SOI MOSFET器件进行辐照的总剂量效应.采用ARACOR 10keV X射线对埋氧层加固样品与未加固的对比样品在开态和传输门态两种辐照偏置下进行辐照,分析了器件的特性曲线,并计算了SOI MOS器件前栅与寄生背栅晶体管辐照前后的阈值电压的漂移.实验结果表明,加固样品的抗辐射性能优越,且不同的辐照偏置对SOI MOSFET器件的辐照效应产生不同的影响.     

具有改进的场氧结构和双场板的680V薄膜SOI LDMOS

本文通过仿真和实验研究了一种具有改进的场氧结构和双场板的680V薄膜SOI LDMOS器件。新场氧结构通过“氧化-刻蚀-再氧化”过程形成,该结构所需的总氧化时间较短,且场氧表面与顶层硅几乎平齐。通过在场氧上扩展多晶硅,以及在介质层上形成长的金属场板来达到改善开态电阻的目的。通过设计最优化的漂移区注入掩膜板来实现漂移区线性掺杂分布从而获得均一的横向电场。采用与CMOS工艺兼容的工艺,在具有1.5微米的顶层硅和3微米的埋氧层的注氧键合SOI上成功制备LDMOS器件。测试结果显示,该器件反向击穿电压达680V,开态电阻为8.2ohm.mm2.     

用p埋层CMOS工艺制造横向磁敏晶体管

本文介绍了一种用P埋层CMOS工艺制造的横向磁敏晶体管(LMT)。器件结构是双基极、双集电极npn晶体管。它具有抑制侧向注入效应,即将注入集中于发射区的中部,在中性基区的少数载流子受到双重偏转作用,消除了横向无功电流。在CMOS工艺的基础上加了P埋层,消除了纵向无功电流。器件对磁场有良好的线性响应。     

薄膜厚埋层SOI材料的新制备技术

在结合低剂量注氧隔离(SIMOX)技术和键合技术的基础上,研究了制备薄膜(薄顶层硅膜)厚埋层SOI材料的新技术--注氧键合技术.采用该新技术成功制备出薄膜厚埋层SOI材料,顶层硅厚度130nm,埋氧层厚度lμm,顶层硅厚度均匀性±2%.并分别采用原子力显微镜(AFM)和剖面透射电镜(XTEM)对其表面形貌和结构进行了表征.研究结果表明,SIMOX材料顶层硅通过键合技术转移后仍能够保持其厚度均匀性,且埋氧层和顶层硅之间具有原子级陡峭的分界面,因此注氧键合技术将会是一项有广阔应用前景的SOI制备技术.     

短沟道薄硅膜CMOS/SIMOX电路的研究

通过大剂量氧离子注入(150key,2×10~(18)O~+/cm~2)及高温退火(1100℃,8h)便可形成质量较好的SIMOX结构。本文报道了制备在硅膜厚度为160nm的SIMOX结构上的短沟道CMOS/SIMOX电路特性。实验结果表明:薄硅膜器件有抑制短沟道效应(如阈值电压下降)、改善电路的速度性能等优点,因而薄硅膜SIMOX技术更适合亚微米CMOS IC的发展。     

可变低k介质层SOI LDMOS高压器件的耐压特性

提出了一种可变低κ（相对介电常数）介质层（variable low κ dielectric layer，VLkD）SOI高压器件新结构，该结构的埋层由可变κ的不同介质组成。基于电位移连续性原理，利用低κ提高埋层纵向电场和器件纵向耐压，并在此基础上提出SOI的介质场增强原理，基于不同κ的埋层对表面电场的调制作用，使器件横向耐压提高，并给出VLkD SOI的RESURF判据，借助2D器件仿真研究了击穿特性与VLkD SOI器件结构参数之间的关系，结果表明，对κμ=2，κIH=3．9，漂移区厚2μm，埋层厚1μm的VLkD器件，埋层电场和器件耐压分别达248V／μm和295V，比相同厚度的常规SOI器件的埋层电场和耐压分别提高了93％和64％。     

薄膜厚埋层SOI材料的新制备技术

在结合低剂量注氧隔离(SIMOX)技术和键合技术的基础上,研究了制备薄膜(薄顶层硅膜)厚埋层SOI材料的新技术--注氧键合技术.采用该新技术成功制备出薄膜厚埋层SOI材料,顶层硅厚度130nm,埋氧层厚度lμm,顶层硅厚度均匀性±2%.并分别采用原子力显微镜(AFM)和剖面透射电镜(XTEM)对其表面形貌和结构进行了表征.研究结果表明,SIMOX材料顶层硅通过键合技术转移后仍能够保持其厚度均匀性,且埋氧层和顶层硅之间具有原子级陡峭的分界面,因此注氧键合技术将会是一项有广阔应用前景的SOI制备技术.     

可变低k介质层SOI LDMOS高压器件的耐压特性

提出了一种可变低k(相对介电常数)介质层(variable low k dielectric layer,VLkD)SOI高压器件新结构,该结构的埋层由可变k的不同介质组成.基于电位移连续性原理,利用低k提高埋层纵向电场和器件纵向耐压,并在此基础上提出SOI的介质场增强原理.基于不同k的埋层对表面电场的调制作用,使器件横向耐压提高,并给出VLkD SOI的RESURF判据.借助2D器件仿真研究了击穿特性与VLkD SOI器件结构参数之间的关系.结果表明,对kIL=2,kIH=3.9,漂移区厚2μm,埋层厚1μm的VLkD器件,埋层电场和器件耐压分别达248V/μm和295V,比相同厚度的常规SOI器件的埋层电场和耐压分别提高了93%和64%.     

可变低k介质层SOI LDMOS高压器件的耐压特性

提出了一种可变低k(相对介电常数)介质层(variable low k dielectric layer,VLkD)SOI高压器件新结构,该结构的埋层由可变k的不同介质组成.基于电位移连续性原理,利用低k提高埋层纵向电场和器件纵向耐压,并在此基础上提出SOI的介质场增强原理.基于不同k的埋层对表面电场的调制作用,使器件横向耐压提高,并给出VLkD SOI的RESURF判据.借助2D器件仿真研究了击穿特性与VLkD SOI器件结构参数之间的关系.结果表明,对kIL=2,kIH=3.9,漂移区厚2μm,埋层厚1μm的VLkD器件,埋层电场和器件耐压分别达248V/μm和295V,比相同厚度的常规SOI器件的埋层电场和耐压分别提高了93%和64%.     

抗辐射能力为兆拉德(硅)的CMOS/SIMOX器件

采用SIMOX和新研制的横向隔离结构作出了抗核辐射的CMOS/SIMOX器件,这些器件经2兆拉德(硅)γ射线辐射后,仍具有充分的工作性能。     

一种新的基于E-SIMOX衬底的SOI高压器件

本文提出一种新的基于E-SIMOX衬底的n+电荷岛结构的SOI高压器件（NI SOI）。该结构在SOI器件介质层上界面注入形成一系列等距的高浓度n+区。纵向电场（EV）所形成的反型电荷将被来自横向电场（EL）的电场力和未耗尽n+区内高浓度电离施主杂质的库仑力综合作用下固定于界面两个n+之间,从而能有效的提高介质场（EI）,增强器件的击穿电压（VB）。提出的NI SOI的纵向解析模型与二维仿真结果相吻合。对0.375μm的介质层,2μm顶层硅的NI SOI 器件,EI =568V/μm和VB =230V。该器件在工艺上通过注入砷形成高浓度n+区,使用外延技术得到2μm的顶层硅(即E-SIMOX技术),它除了增加一张掩模版以外,和常规的CMOS工艺完全兼容。     

Al栅BESOI／CMOS器件的辐照特性

在表层硅厚度约６μｍＢＥＳＯＩ材料上，制备了Ａｌ栅ＣＭＯＳ器件。实验样品消除了纵向寄生结构和困扰ＳＯＩ薄膜器件的背沟效应、边缘效应、Ｋｉｎｋ效应。样品未作抗辐照工艺加固，γ累积辐辐照剂量已达３×１０５ｒａｄ（Ｓｉ）。实验表明，该结构埋层ＳｉＯ２的存在对器件的辐照性能影响不明显。     

1200V MR D-RESURF LDMOS与BCD兼容工艺研究

提出具有p埋层的1200V多区双RESURF(MR D-RESURF) LDMOS, 在单RESURF(S-RESURF)结构的n漂移区表面引入多个p掺杂区,并在源区下引入p埋层,二者的附加场调制器件原来的场,以改善其场分布;同时由于电荷补偿,提高了漂移区n型杂质的浓度,降低了导通电阻.开发1200V高压BCD(BJT,CMOS,DMOS)兼容工艺,在标准CMOS工艺的基础上增加pn结对通隔离,用于形成DMOS器件D-RESURF的p-top注入两步工序,实现了BJT,CMOS与高压DMOS器件的单片集成.应用此工艺研制出一种BCD单片集成的功率半桥驱动电路,其中LDMOS,nMOS,pMOS,npn的耐压分别为1210,43.8,-27和76V.结果表明,此兼容工艺适用于高压领域的电路设计中.     

采用氧化多孔硅埋层的SOI工艺

在n/n~+/n结构的高浓度掺杂层上形成了多孔硅。多孔硅完全氧化以后,在隔离的单晶硅岛上制作CMOS器件。经测量,迁移率与体硅差不多,而且,硅的漏电很小。     

采用CoSi_2SALICIDE结构CMOS/SOI器件辐照特性的实验研究

讨论了CoSi2SALICIDE结构对CMOS/SOI器件和电路抗γ射线总剂量辐照特性的影响.通过与多晶硅栅器件对比进行的大量辐照实验表明,CoSi2SALICIDE结构不仅可以降低CMOS/SOI电路的源漏寄生串联电阻和局域互连电阻,而且对SOI器件的抗辐照特性也有明显的改进作用.与多晶硅栅器件相比,采用CoSi2SALICIDE结构的器件经过辐照以后,器件的阈值电压特性、亚阈值斜率、泄漏电流、环振的门延迟时间等均有明显改善.由此可见,CoSi2SALICIDE技术是抗辐照加固集成电路工艺的理想技术之一.