SOI功率器件的新結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、絕緣體上的硅（Silicon On Insulator，簡稱SOI）高壓集成電路（High Voltage Integrated Circuit，簡稱HVIC）憑借其隔離性能優(yōu)良、集成度高、響應(yīng)速度快和抗輻照等優(yōu)點(diǎn)在智能功率集成電路（Smart Power IC，簡稱SPIC）中得到廣泛的應(yīng)用。SOI功率器件是整個(gè)SOI HVIC的基礎(chǔ)，是近年來研究的熱點(diǎn)。而耐壓與比導(dǎo)通電阻是 SOI功率器件兩個(gè)至關(guān)重要的參數(shù)，在設(shè)計(jì)時(shí)必須給予很好的兼

2、顧。其中， SOI功率器件的耐壓問題主要是由于在器件中引入了介質(zhì)層，使得耗盡區(qū)不能向襯底擴(kuò)散而造成的縱向耐壓限制，引起整個(gè)器件耐壓值偏低。而 SOI功率器件的比導(dǎo)通電阻問題，則是因?yàn)樵谧非笮〉谋葘?dǎo)通電阻時(shí)，常常會(huì)造成器件耐壓值降低，因此在設(shè)計(jì) SOI功率器件時(shí)，必須保證在高耐壓值的前提下，降低器件的比導(dǎo)通電阻。
　　針對上述問題，本文做了大量的研究工作，主要可以概括為以下幾個(gè)方面：
　　第一，結(jié)合介質(zhì)場增強(qiáng)理論與降低體內(nèi)電場

3、（ Reduced BULk Field，簡稱REBULF）理論，提出了非耗盡浮空層（Non-depletion Floating Layer，簡稱NFL）調(diào)制電場機(jī)理。該機(jī)理的主要思想是在傳統(tǒng)的 SOI功率器件中引入了一層高濃度摻雜的埋層，該埋層在器件耐壓時(shí)不會(huì)被耗盡，形成了一層等勢體層，該等勢體層電位較高，并且其中電場為零，此時(shí)該等勢體層可以被看作金屬。因此器件在耐壓時(shí)，該等勢體層對SOI層中的電場進(jìn)行調(diào)制，使得SOI層中的電場得以

4、均勻分布。同時(shí)，該等勢體層向下形成等勢體層（金屬）—埋氧層—襯底（Metal–Insulator–Semiconductor，簡稱 MIS）結(jié)構(gòu)。在等勢體層與埋氧層界面處形成了大量的空穴，埋氧層中的電場因此得到了顯著的增強(qiáng)，器件耐壓得以提高?；诖藱C(jī)理，提出了一種非耗盡浮空層N型溝道SOI LDMOS結(jié)構(gòu)。并且該結(jié)構(gòu)在耐壓時(shí)，等勢體層被鉗制到固定電位，使得埋氧層可以無限減薄，此時(shí)只需考慮SiO2的臨界電場，避免器件在埋氧層中發(fā)生擊穿，因

5、為SiO2的臨界電場遠(yuǎn)高于硅，因此可以把埋氧層減得很薄。這種現(xiàn)象可以很好地緩解 SOI功率器件中的自熱效應(yīng)。在等勢體層與埋氧層界面處形成的大量空穴在器件耐壓時(shí)有效地屏蔽了背柵壓對器件耐壓值的影響，使得器件便于集成到電路中。
　　第二，針對 SOI功率器件縱向耐壓低的問題，提出一種新的耐壓機(jī)理，該機(jī)理在本文中被稱為等效雙倍埋氧層厚度機(jī)理。該機(jī)理的主要思想是把傳統(tǒng) SOI功率器件中的埋氧層一分為二，并在埋氧層的下方引入高濃度摻雜的埋層

6、，作為電勢連續(xù)的載體，使得在不增加埋氧層厚度的情況下，器件的等效埋氧層厚度變?yōu)榱嗽瓉淼膬杀?，因此在理想狀況下，器件的縱向耐壓幾乎可以提高一倍?；谠摍C(jī)理，提出了一種非耗盡電勢嵌位層（Non-depletion Potential Clamped Layer，簡稱NPCL）P型溝道SOI LDMOS結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的耐壓值相比于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)提高了55％，并且比導(dǎo)通也大幅度下降。
　　第三，針對 SOI功率器件比導(dǎo)通電阻的問題，提出了電荷補(bǔ)償

7、的雙介質(zhì)槽與多介質(zhì)槽 N型溝道 SOI LDMOS結(jié)構(gòu)。這兩種結(jié)構(gòu)原理相同，都是在增強(qiáng)的RESURF效應(yīng)下，根據(jù)電荷補(bǔ)償原理引入了復(fù)合緩沖層（Composite Buffer layer，簡稱CB層），增加了漂移區(qū)中的濃度，該器件在保持高耐壓值的同時(shí)，得到了很小的比導(dǎo)通電阻。
　　第四，同樣針對 SOI功率器件比導(dǎo)通電阻的問題，提出了一種超級(jí)高介電常數(shù)（高K）SOI超結(jié)LDMOS結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)將高K材料與超結(jié)結(jié)構(gòu)相結(jié)合，在保持器件高