基于RESURF理论的SOI LDMOS 耐压模型研究

对SOI LDMOS器件的击穿电压进行了研究,建立了适用于该器件的RESURF耐压模型,获得了表面电势和电场分布解析表达式,给出了SOI LDMOS器件漂移区的最优浓度,在此基础上将该模型嵌入半导体工艺模拟以及器件模拟软件(Sentaurus TCAD)中,并对SOI LDMOS器件的表面电场分布、击穿特性和I-V特性...     

功率LDMOS中的场极板设计

本文提出了LDMOS器件漂移区电场分布和电势分布的二维解析模型,并在此基础上得出了LDMOS漂移区电势分布和电场分布的解析表达式。通过表达式的结果,研究了多晶硅场板的长度和位置对于器件表面电场和电势的影响,解析结果与MEDICI结果相符。     

一个连续且解析的SOI LDMOS表面势模型

提出了一个实现全耗尽与部分耗尽自动转换的体接触SOI LDMOS连续解析表面势模型.采用PSP的精确表面势算法求解SOI器件的表面势方程,得到了解析的以栅压和漏压为变量的SOI器件正、背硅/氧化层界面的表面势.修正了全耗尽状态下的反型层电荷和体电荷表达式,结合PSP的模型方程,给出连续解析的体接触SOI LDMOS直流模型.仿真结果与实验数据比较,二者吻合得很好,表明该模型能精确表征SOI LDMOS直流特性.     

一个连续且解析的SOI LDMOS表面势模型

提出了一个实现全耗尽与部分耗尽自动转换的体接触SOI LDMOS连续解析表面势模型.采用PSP的精确表面势算法求解SOI器件的表面势方程,得到了解析的以栅压和漏压为变量的SOI器件正、背硅/氧化层界面的表面势.修正了全耗尽状态下的反型层电荷和体电荷表达式,结合PSP的模型方程,给出连续解析的体接触SOI LDMOS直流模型.仿真结果与实验数据比较,二者吻合得很好,表明该模型能精确表征SOI LDMOS直流特性.     

具有圆形版图的SOI横向功率晶体管三维击穿模型

提出了一个具有圆形版图形状的SOI横向功率晶体管三维解析击穿电压模型,通过在柱状坐标系下求解泊松方程,获得漂移区完全耗尽和不完全耗尽情况下的径向表面电势和表面电场分布,导出N＋N结和P＋N结的击穿电压,并用其研究阴极区曲率半径对击穿特性的影响。最后提出修正的RESURF判据,用于指导在三维空间内对击穿电压和漂移区浓度进行优化。解析结果和MEDICI仿真结果、文献报道的实验结果吻合良好,验证了模型的正确性。     

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.     

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。     

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。     

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%.     

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%。     

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%.     

LDD功率器件表面电场解析模型及优化

提出低掺杂漏(Lightly Doped Drain,LDD)功率器件表面电场和电势解析模型。基于分区求解二维Poisson方程,获得二维表面电场和电势的解析表达式。借助此模型,研究器件结构参数对表面电场和电势的影响;计算漂移区长度与击穿电压的关系,分析了击穿电压随低掺杂漏区掺杂浓度和漂移区厚度的变化,从理论上揭示了获得最大击穿电压的条件。解析结果与数值结果吻合较好,验证了模型的准确性,该模型可用于硅基LDD功率器件的设计优化。     

具有L型栅极场板的双槽双栅绝缘体上硅器件新结构

为了降低绝缘体上硅（SOI）功率器件的比导通电阻,同时提高击穿电压,利用场板（FP）技术,提出了一种具有L型栅极场板的双槽双栅SOI器件新结构.在双槽结构的基础上,在氧化槽中形成第二栅极,并延伸形成L型栅极场板.漂移区引入的氧化槽折叠了漂移区长度,提高了击穿电压;对称的双栅结构形成双导电沟道,加宽了电流纵向传输面积,使比导通电阻显著降低;L型场板对漂移区电场进行重塑,使漂移区浓度大幅度增加,比导通电阻进一步降低.仿真结果表明：在保证最高优值条件下,相比传统SOI结构,器件尺寸相同时,新结构的击穿电压提高了123%,比导通电阻降低了32%;击穿电压相同时,新结构的比导通电阻降低了87.5%;相比双槽SOI结构,器件尺寸相同时,新结构不仅保持了双槽结构的高压特性,而且比导通电阻降低了46%.     

An improved analytical solution of energy balance equation forshort-channel SOI MOSFET's and transverse-field-induced carrier heating

This paper presents a method for solving the one-dimensional (1-D) energy balance equation for fully depleted short-channel SOI MOSFET's. This method takes the exact kinetic energy into account and provides a new analytical solution for the non-saturated drain current region. The carrier temperature for spatially homogeneous case is described as a function of the longitudinal electric field and the carrier concentration deviation. The electron temperature is higher than that predicted by old models, which is examined by the two-dimensional simulation. The experimental data on gate current characteristics in short-channel SOI nMOSFET's can be physically interpreted by the proposed 1-D model     

异质栅全耗尽型应变硅 SOI MOSFET二维解析模型*

本文首次并建立了异质栅全耗尽型应变Si SOI (DMG SSOI) MOSFET的二维表面势沿沟道变化的模型．并对该结构的MOSFET的短沟道效应SCE (short channel effect),热载流子效应HCE(hot carrier effect),漏致势垒降低DIBL (drain induced barrier lowering)和载流子传输效率进行了研究．该模型中考虑以下参数：金属栅长,金属栅的功函数,漏电压和Ge在驰豫SiGe中的摩尔组分．结果表明沟道区的表面势引进了阶梯分布,正是这个阶梯分布的表面势抑制了SCE,HCE和DIBL．同时,应变硅和SOI(silicon-on-insulator)结构都能提高载流子的传输效率,特别是应变硅能提高载流子的传输效率．此外阈值电压模型能者正确表明阈值电压随栅长比率L2/L1减小或应变Si膜中Ge摩尔组分的降低而升高．数值模拟器ISE验证了该模型的正确性．     

Two-dimensional threshold voltage analytical modes of DMG strained-silicon-on-insulator MOSFETs

For the first time, a simple and accurate two-dimensional analytical model for the surface potential variation along the channel in fully depleted dual-material gate strained-Si-on-insulator (DMG SSOI) MOSFETs is developed. We investigate the improved short channel effect (SCE), hot carrier effect (HCE), drain-induced barrier-lowering (DIBL) and carrier transport efficiency for the novel structure MOSFET. The analytical model takes into account the effects of different metal gate lengths, work functions, the drain bias and Ge mole fraction in the relaxed SiGe buffer. The surface potential in the channel region exhibits a step potential, which can suppress SCE, HCE and DIBL. Also, strained-Si and SOI structure can improve the carrier transport efficiency, with strained-Si being particularly effective. Further,the threshold voltage model correctly predicts a "rollup" in threshold voltage with decreasing channel length ratios or Ge mole fraction in the relaxed SiGe buffer. The validity of the two-dimensional analytical model is verified using numerical simulations.     

Compact analytical model for single gate AlInSb/InSb high electron mobility transistors

We have developed a 2D analytical model for the single gate Al In Sb/In Sb HEMT device by solving the Poisson equation using the parabolic approximation method.The developed model analyses the device performance by calculating the parameters such as surface potential,electric field distribution and drain current.The high mobility of the Al In Sb/In Sb quantum makes this HEMT ideal for high frequency,high power applications.The working of the single gate Al In Sb/In Sb HEMT device is studied by considering the variation of gate source voltage,drain source voltage,and channel length under the gate region and temperature.The carrier transport efficiency is improved by uniform electric field along the channel and the peak values near the source and drain regions.The results from the analytical model are compared with that of numerical simulations(TCAD) and a good agreement between them is achieved.     

薄膜全耗尽SOI短沟道MOSFET准二维电流模型

本文在分析薄膜全耗尽SOI器件特殊物理效应的基础上,建立了可细致处理饱和区工作特性的准二维电流模型。该模型包括了场效应载流子迁移率、速度饱和以及短沟道效应等物理效应,可以描述薄膜全耗尽SOI器件所特有的膜厚效应、正背栅耦合(背栅效应)等对器件特性的影响,并且保证了电流、电导及其导数在饱和点的连续性。将模型模拟计算结果与二维器件数值模拟结果进行了对比,在整个工作区域(不考虑载流子碰撞离化的情况下)二者吻合得很好。     

An analytical model for the lateral channel electric field in LDDstructures

An analytical model for the lateral channel electric field in lightly doped drain (LDD) MOSFETs is developed from a pseudo-two-dimensional analysis. The model gives a prediction of the channel field when the lightly doped region is both fully depleted and partially depleted. The normal field mobility degradation and variation of the saturation field E_sat with gate voltage have been taken into account in the model. The boundary conditions for determining the pinch-off point L_sat proposed in the model along with the normal field mobility degradation consideration make possible the prediction of the variation of the pinch-off with the gate bias and the maximum value of the electric field E_max . The differences between this model, existing models, and two-dimensional numerical simulations are discussed