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.     

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.     

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.     

埋层低掺杂漏SOI高压器件的击穿电压

提出一种具有埋层低掺杂漏(BLD)SOI高压器件新结构。其机理是埋层附加电场调制耐压层电场,使漂移区电荷共享效应增强,降低沟道边缘电场,在漂移区中部产生新的电场峰。埋层电中性作用增加漂移区优化掺杂浓度,导通电阻降低;低掺杂漏区在漏极附近形成缓冲层,改善漏极击穿特性。借助二维半导体仿真器MEDICI,研究漂移区浓度和厚度对击穿电压的影响,获得改善击穿电压和导通电阻折中关系的途径。在器件参数优化理论的指导下,成功研制了700V的SOI高压器件。结果表明:BLD SOI结构击穿电压由均匀漂移区器件的204V提高到275V,比导通电阻下降25%。     

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.     

全耗尽型浮空埋层LDMOS的耐压特性

提出了一种新的全耗尽型浮空埋层LDMOS(FB-LDMOS)结构.全耗尽n型埋层在器件的体内产生新的电场,该电场调制了漂移区电场,使得在降低漂移区漏端电场的同时提高了源侧和中部电场REBULF效应.分析了埋层的浓度、厚度、长度等对器件击穿电压的影响.借助二维仿真软件MEDICI,该新结构的击穿电压由传统LDMOS的585.8V提高到886.9V,提高了51.4%.     

全耗尽型浮空埋层LDMOS的耐压特性

提出了一种新的全耗尽型浮空埋层LDMOS(FB-LDMOS)结构.全耗尽n型埋层在器件的体内产生新的电场,该电场调制了漂移区电场,使得在降低漂移区漏端电场的同时提高了源侧和中部电场REBULF效应.分析了埋层的浓度、厚度、长度等对器件击穿电压的影响.借助二维仿真软件MEDICI,该新结构的击穿电压由传统LDMOS的585.8V提高到886.9V,提高了51.4%.     

薄外延阶梯掺杂漂移区RESURF耐压模型

提出薄外延阶梯掺杂漂移区RESURF结构的耐压解析模型。借助求解二维Po isson方程,获得薄外延阶梯掺杂漂移区的二维表面电场和击穿电压的解析表达式。基于此耐压模型研究了不同阶梯漂移区数(n=1、2、3、5)的击穿特性,计算了击穿电压与结构参数的关系,其解析结果与数值结果吻合较好。在相同长度下,阶梯掺杂漂移区结构(n=3)击穿电压由均匀漂移区(n=1)的200 V提高到250 V,增加25%。该模型可用于薄外延阶梯掺杂和线性掺杂漂移区RESURF器件的设计优化。     

TFSOI RESURF功率器件表面电场分布和优化设计的新解析模型

提出了 TFSOI RESURF功率器件的表面电场分布和优化设计的新解析模型 .根据二维泊松方程的求解 ,得到了表面电场和电势分布的相关解析表达式 .在此基础上 ,推出了为获得最大击穿电压的优化条件。讨论了击穿电压和漂移区长度及临界掺杂浓度和场氧化层、埋氧化层的关系 .解析结果与半导体器件数值分析工具 DESSISE-ISE得到的数值分析基本一致 ,证明了新解析模型的适用性 .     

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。     

复合介质层SOI高压器件电场分布解析模型

提出复合介质埋层SOI(compound dielectric buried layer SOI,CDL SOI)高压器件新结构,建立其电场和电势分布的二维解析模型,给出CDL SOI和均匀介质埋层SOI器件的RESURF条件统一判据.CDL SOI结构利用漏端低k(介电常数)介质增强埋层纵向电场,具有不同k值的复合介质埋层调制漂移区电场,二者均使耐压提高.借助解析模型和二维数值仿真对其电场和电势进行分析,二者吻合较好.结果表明,对低k值为2的CDL SOILDMOS,其埋层电场和器件耐压分别比常规SOI结构提高了82%和58%.     

SOI RESURF器件高压互连线效应的二维解析模型

高压互连线效应是影响集成功率器件性能的重要因素之一。首先提出一个高压互连线效应对SOI横向高压器件的漂移区电势和电场分布影响的二维解析模型,进而得到漂移区在不完全耗尽和完全耗尽情况下的器件击穿电压解析表达式,而后利用所建立的模型,研究器件结构参数对击穿特性的影响规律,定量揭示在高压互连线作用下器件击穿多生在阳极PN结的物理本质,指出通过优化场氧厚度可以弱化高压互连线对器件击穿的负面影响,并给出用于指导设计的理论公式。模型的正确性通过半导体二维器件仿真软件MEDICI进行了验证。     

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.     

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.     

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.     

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.     

An analytical model for minimum drift region length of SOI RESURFdiodes

An analytical model for calculating the minimum drift region length of SOI RESURF diodes is presented with an expression for the maximum breakdown voltage of the device. The minimum drift region length is determined from the condition that the maximum breakdown voltage due to the one-dimensional field along the vertical path equals that of the lateral electric field along the surface. Analytical results agree well with the simulations using PISCES II, and qualitatively with the experimental results     

SOI基双级RESURF二维解析模型

提出了SOI基双级RESURF二维解析模型．基于二维Poisson方程，获得了表面电势和电场分布解析表达式，给出了SOI的双级和单级RESURF条件统一判据，得到RESURF浓度优化区(DOR，doping optimal region）,研究表明该判据和DOR还可用于其他单层或双层漂移区结构．根据此模型，对双级RESURF结构的降场机理和击穿特性进行了研究，并利用二维器件仿真器MEDICI进行了数值仿真．以此为指导成功研制了耐压为560V和720V的双级RESURF高压SOI LDMOS．解析解、数值解和实验结果吻合得较好．