橫向高壓器件電場調制效應及新器件研究.pdf

1、高壓LDMOS(Lateral Double-diffused MOSFET)是高壓集成電路HVIC(HighVoltage Integrated Circuit)和功率集成電路PIC(Power Integrated Circuit)的關鍵技術。為了與低壓電路在工藝上更好地兼容，設計具有薄外延層且能滿足一定耐壓的新型LDMOS是目前功率半導體技術的一個重要發(fā)展方向。SOI Silicon-On-Insulator)集成技術由于具有隔離

2、性能好、漏電流小、速度快、功耗低和抗輻照等優(yōu)點，被譽為二十一世紀的集成技術，并被廣泛應用于高性能HVIC和PIC中。高壓器件中擊穿電壓與比導通電阻之間嚴重的矛盾關系，一直是眾多學者研究的熱點。對于應用于薄外延硅層和SOI基的LDMOS，縱向耐壓低是這類器件應用的主要問題。將具有高耐壓、低導通電阻的超結SJ(Super Junction)直接應用于LDMOS時具有的襯底輔助耗盡效應，限制了這類器件的發(fā)展。 本論文主要思想是利用電場

3、調制及電荷屏蔽效應，通過對影響橫向高壓器件特性的襯底改造，達到優(yōu)化體內電場和表面電場的目的。本論文首次提出了一種不同于傳統(tǒng)設計中通過優(yōu)化器件表面電場以提高器件耐壓的結終端技術，并稱之為襯底終端技術，其核心是襯底的體電場調制效應。為了在超薄外延層上實現具有一定擊穿電壓的LDMOS，首次提出了REBULF(REduced BULk Field)技術。為了突破傳統(tǒng)SOILDMOS結構中因受自由面電荷為零高斯定理、縱向耐壓受限，提出通過增加介質

4、中電場的ENDIF技術。 基于電場調制效應的襯底終端技術，本論文設計并研究了以下幾種新型器件。 (1)單面階梯埋氧SOI(SBOSOI)。此結構利用了階梯埋層的電場調制效應，而非傳統(tǒng)設計中通過漂移區(qū)分區(qū)或線性摻雜技術優(yōu)化表面電場。分析結果表明：漂移區(qū)較薄且I層厚度為0.2～0.8μm時，SBOSOI結構較一般SO1結構可使比導通電阻降低40~50％，耐壓提高30~50％；在I層較薄、漂移區(qū)厚度小于1μm時，此結構可使耐壓

5、提高10～50％，比導通電阻降低10～50％。 (2)雙面階梯埋氧SOI(D-SBOSOI)。此結構基于ENDIF技術而提出，具有增強電場調制效應、引入電荷層的電場屏蔽效應和形成的階梯硅層有利于與低壓部分隔離等優(yōu)點。分析結果表明：表面電場在優(yōu)化條件下近似達到理想的均勻分布；積累的空穴層屏蔽了局域埋氧層中高電場對SOI層的影響，I層中的電場強度突破了一般結構中受自由面電荷為零高斯定理的限制關系，可高達200V/μm。 (3

6、)埋空隙部分SOI結構(APSOI)。此結構應用低介電系數埋層提高器件縱向耐壓和優(yōu)化表面電場。分析結果表明：空隙低的介電常數使器件在縱向突破了傳統(tǒng)SiO<,2>埋層的耐壓關系，在一定擊穿電壓下APSOI結構所需的埋層厚度為一般PSOI的1/4；當漂移區(qū)厚度為2μm，埋層厚度為1μm時可獲得400V以上的耐壓；漂移區(qū)厚度為2μm，埋層厚度為2μm時可獲得600V以上的耐壓。 (4)具有P型埋層的部分SOI結構(BPSOI)。此結構

7、應用P型埋層對N型漂移區(qū)電荷的充分補償，使器件擊穿電壓提高的同時，比導通電阻減小。形成的P型低阻埋層也有利于緩解器件的自熱效應。分析結果表明：表面電場出現新的峰而較一般PSOI結構更趨于均勻；增加的漂移區(qū)濃度使比導通電阻降低；新結構較一般PSOI結構在漂移區(qū)較薄(<2μm)的情況下，擊穿電壓提高了52～58％，比導通電阻降低45～48％。 (5)具有N<'+>浮空層的REBULFLDMOS結構。此結構通過浮空的N<'+>層將器件

8、體內的電場重新分配，漏端電場降低而源端電場提高。REBULF技術的特點是繼國際上提出降低器件表面電場RESURF(Reduce Surface Electric Field)技術之后，針對提高器件縱向耐壓而提出，為提高器件耐壓開辟了一條新路。分析結果表明：在優(yōu)化的情況下，滿足REBULF的條件為N<'+>層的位置與襯底濃度的乘積不大于1×10<'12>cm<'-2>；在保證低的比導通電阻條件下，REBIJLF L,DMOS的擊穿電壓比一

9、般RESURF LDMOS結構提高60％以上。 (6)具有N<'+>浮空層的SJ LDMOS。此結構是將REBULF技術與SJ技術相結合，即達到了降低體內高電場，提高縱向耐壓的目的，而且也消除了襯底輔助耗盡效應。將SJ在橫向器件中的應用進一步拓展到了高壓區(qū)。 (7)具有折疊硅表面的LDMOS結構。此結構通過刻蝕技術，將一般結構的硅表面刻蝕成矩型狀，并用柵電極覆蓋器件的漂移區(qū)表面。這種結構包括滿足低耐壓的FSOI-LDMO