斜埋氧SOI LDMOS高压器件新结构

为了提高基于绝缘体上的硅(SOI)技术实现的横向扩散金属氧化物半导体器件(SOI LDMOS)的击穿电压,提出了斜埋氧SOI LDMOS(S SOI LDMOS)耐压新结构。当器件关断时,倾斜的埋氧层束缚了大量的空穴,在埋氧层上界面引入了高密度的正电荷,大大增强了埋氧层中的电场,从而提高了纵向耐压。另外,埋氧层的倾斜使器件漂移区厚度从源到漏线性增加,这就等效于漂移区采用了线性变掺杂,通过优化埋氧层倾斜度,可获得一个理想的表面电场分布,提高了器件的横向耐压。对器件耐压机理进行了理论分析与数值仿真,结果表明新结构在埋氧层厚度为1μm、漂移区长度为40μm时,即可获得600 V以上的击穿电压,其耐压比常规结构提高了3倍多。     

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。     

屏蔽槽SOI高压器件新结构和耐压机理

提出具有屏蔽槽的SOI高压器件新结构和自适应界面电荷耐压模型.该结构在屏蔽槽内产生跟随漏极电压变化的界面电荷,此电荷使埋层介质的纵向电场增加,同时使顶层硅的纵向电场降低,并对表面电场进行调制,因此屏蔽了高电场对顶层硅的影响.借助二维器件仿真研究器件耐压和电场分布与结构参数的关系.结果表明,该结构使埋氧层的电场从传统的3Es升高到近600V/μm,突破了传统SOI器件埋氧层的耐压值,大大提高了SOI器件的击穿电压.     

屏蔽槽SOI高压器件新结构和耐压机理

提出具有屏蔽槽的SOI高压器件新结构和自适应界面电荷耐压模型.该结构在屏蔽槽内产生跟随漏极电压变化的界面电荷,此电荷使埋层介质的纵向电场增加,同时使顶层硅的纵向电场降低,并对表面电场进行调制,因此屏蔽了高电场对顶层硅的影响.借助二维器件仿真研究器件耐压和电场分布与结构参数的关系.结果表明,该结构使埋氧层的电场从传统的3Es升高到近600V/μm,突破了传统SOI器件埋氧层的耐压值,大大提高了SOI器件的击穿电压.     

阶梯分布埋氧层固定电荷SOI高压器件新结构和耐压模型

提出了具有阶梯分布埋氧层固定电荷(SBOC)SOI新型高压器件,并借助求解多区二维泊松方程建立其击穿电压模型,对阶梯数n从0到∞时的器件击穿特性进行了研究.结果表明,该结构突破常规SOI结构纵向耐压极限,使埋氧层电场从常规75V/μm提高到500V/μm以上;同时得到均匀的表面电场分布,缓解了器件尺寸和击穿电压之间的矛盾,因此SBOC结构是一种改善SOI耐压的良好结构.     

阶梯分布埋氧层固定电荷SOI高压器件新结构和耐压模型

提出了具有阶梯分布埋氧层固定电荷(SBOC)SOI新型高压器件,并借助求解多区二维泊松方程建立其击穿电压模型,对阶梯数 n 从0到∞时的器件击穿特性进行了研究.结果表明,该结构突破常规SOI结构纵向耐压极限,使埋氧层电场从常规75V/μm提高到500V/μm以上;同时得到均匀的表面电场分布,缓解了器件尺寸和击穿电压之间的矛盾,因此SBOC结构是一种改善SOI耐压的良好结构.     

部分局域电荷槽SOI高压器件新结构

提出了部分局域电荷槽SOI(partial locating charge trench SOI,PTSOI)高压器件新结构.该结构在槽内产生随漏极电压变化的界面电荷,此电荷使埋氧层纵向电场从传统的3Esi,C升高到接近SiO2的临界击穿电场Esio2,c;另外,硅窗口将耗尽层引入衬底,因而提高了器件的击穿电压.同时,硅窗口的存在大大缓解了自热效应.借助二维器件仿真研究了器件的击穿特性和热特性.结果表明,漂移区厚2μm,埋氧层厚1μm的PTSOI耐压可达700V以上;对埋氧层厚1μm和3μm的PTSOI,其器件的最高温度分别比TSOI低6K和25K.     

部分局域电荷槽SOI高压器件新结构

提出了部分局域电荷槽SOI(partial locating charge trench SOI,PTSOI)高压器件新结构.该结构在槽内产生随漏极电压变化的界面电荷,此电荷使埋氧层纵向电场从传统的3Esi,C升高到接近SiO2的临界击穿电场Esio2,c;另外,硅窗口将耗尽层引入衬底,因而提高了器件的击穿电压.同时,硅窗口的存在大大缓解了自热效应.借助二维器件仿真研究了器件的击穿特性和热特性.结果表明,漂移区厚2μm,埋氧层厚1μm的PTSOI耐压可达700V以上;对埋氧层厚1μm和3μm的PTSOI,其器件的最高温度分别比TSOI低6K和25K.     

薄硅层阶梯埋氧PSOI高压器件新结构

基于介质电场增强ENDIF理论,提出了一种薄硅层阶梯埋氧型部分SOI(SBPSOI)高压器件结构。埋氧层阶梯处所引入的电荷不仅增强了埋层介质电场,而且对有源层中的电场进行调制,使电场优化分布,两者均提高器件的击穿电压。详细分析器件耐压与相关结构参数的关系,在埋氧层为2μm,耐压层为0.5μm时,其埋氧层电场提高到常规结构的1.5倍,击穿电压提高53.5%。同时,由于源极下硅窗口缓解SOI器件自热效应,使得在栅电压15V,漏电压30V时器件表面最高温度较常规SOI降低了34.76K。     

200V高压SOI PLDMOS研究

提出了一种200V高压SOI PLDMOS器件结构,重点研究了SOI LDMOS的击穿电压、导通电阻等电参数与漂移区注入剂量、漏端缓冲层、Nbody注入剂量及场极板长度等之间的关系。经过专业半导体仿真软件TSUPREM-4和MEDICI模拟仿真,在0.8μm埋氧层、10μmSOI层材料上设计得到了关态耐压248V、开态饱和电流2.5×10-4A/μm、导通电阻2.1（105Ω＊μm的SOI PLDMOS,该器件可以满足PDP扫描驱动芯片等的应用需求。     

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.     

Thin layer oxide in the drift region of Laterally double-diffused metal oxide semiconductor on silicon-on-insulator: A novel device structure enabling reliable high-temperature power transistors

In this paper a new lateral double diffused metal oxide semiconductor (LDMOS) transistor on silicon-on-insulator (SOI) technology is reported. In the proposed structure a trench oxide in the drift region is reformed to reduce surface temperature. In the LDMOS devices one way for achieving high breakdown voltage is incorporating the trench oxide in the drift region. But, this strategy causes high lattice temperature in the device. So, the middle of the trench oxide in the drift region is etched and filled with the silicon to have higher thermal conductivity material and reduce the lattice temperature in the drift region. The simulation with two-dimensional ATLAS simulator shows that the novel thin trench oxide in the n-drift region of LDMOS transistor (TT-LDMOS) have lower maximum lattice temperature with an acceptable breakdown voltage in respect to the conventional LDMOS (C-LDMOS) structure with the trench oxide in the drift region. So, TT-LDMOS can be a reliable device for power transistors.     

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。     

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.     

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...     

A new analytical model for optimizing SOI LDMOS with step doped drift region

In this paper, a new theoretical breakdown model of SOI RESURF LDMOS with step drift doping profile is proposed. According to this model, the 2-D electric field distributions of drift regions are investigated for both the incompletely and completely depleted cases. The doping profile and step number are optimized to improve the breakdown voltage and reduce fabrication cost. Finally, SOI LDMOS with various step numbers have been made using a 3 μm-thick top silicon layer and a 1.5 μm-thick buried oxide layer. The experiment results indicate that two-step drift doping can enable increase in the breakdown voltage by as much as 40% and decrease in the on-resistance by as much as 16% in comparison to the conventional LDMOS with uniformly doped drift region.     

一种SOI nLDMOS的开态特性设计

介绍了一种用于高压电平位移电路的SOInLDMOS器件结构,对其漂移区、sink区、bufferN场板等结构参数进行器件工艺联合仿真,并分析相关结构参数对开态特性的影响,用于指导高压MOS器件尤其是基于SOI的横向MOS器件的开态特性设计。采用优化的参数,器件关态击穿电压为296V,开态击穿电压为265V,比导通电阻为60．9mΩ·cm^2。     

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.     

SOI LDMOS栅漏电容特性的研究

借助软件,模拟并研究了SOI LDMOS栅漏电容Cgd与栅源电压Vgs和漏源电压Vds的关系;研究了栅氧化层厚度,漂移区注入剂量,P阱注入剂量,SOI厚度,场板长度等五个结构工艺参数对Cgd的影响;提出了减小SOI LDMOS栅漏电容Cgd的各参数调节方法.