薄漂移區(qū)橫向高壓器件耐壓模型及新結(jié)構(gòu).pdf

1、橫向高壓器件是高壓集成電路的關(guān)鍵器件，受到了眾多學者深入的研究。隨著半導體技術(shù)的快速發(fā)展，功率器件和常規(guī)低壓器件等比例減小。由于漂移區(qū)電場的二維本質(zhì)，一維模型不能深入揭示其物理機理。對于采用終端技術(shù)的高壓器件，由于邊界條件的復雜使二維模型求解困難，因此反映橫向和縱向電場耦合作用的電場和擊穿電壓模型亟待建立。高壓器件中擊穿電壓和導通電阻之間的折衷關(guān)系，是眾多器件設(shè)計者研究的熱點。設(shè)計具有與CMOS工藝兼容的薄漂移區(qū)高壓器件是功率半導體技術(shù)

2、的—個重要發(fā)展方向。 本文研究了薄漂移區(qū)高壓器件的二維耐壓模型和改善擊穿電壓和導通電阻折衷關(guān)系的新結(jié)構(gòu)。首次提出了薄漂移區(qū)D-RESURF器件二維表面電場模型和薄漂移區(qū)階梯摻雜器件耐壓模型。提出三種高壓器件新結(jié)構(gòu)：薄型雙漂移區(qū)高壓器件、P埋層低摻雜漏SOI高壓器件和雙面階梯埋氧層PSOI高壓器件，并進行部分實驗研制。 基于Poisson方程，建立表面注入Pb區(qū)D-RESURF器件二維表面電場模型。隨著漂移區(qū)的減薄，縱向電

3、場對表面電場的調(diào)制作用顯著增強。基于該模型，分析結(jié)構(gòu)參數(shù)對表面電場和縱向電場耦合作用的影響，給出獲得最大擊穿電壓和最小導通電阻的優(yōu)化條件，計算了漂移區(qū)厚度和長度與擊穿電壓的關(guān)系。在理論的指導下，成功研制了900VD-RESURF器件。提出漂移區(qū)不完全耗盡型S-RESURF器件二維耐壓模型，分析器件分別在PbidtNe結(jié)、N+Ne結(jié)和體內(nèi)PN結(jié)發(fā)生擊穿的情況。在滿足最優(yōu)表面電場條件下，導出反映電荷共享效應的二維RESURF判據(jù)。

4、建立薄漂移區(qū)階梯摻雜器件二維耐壓模型。由于橫向電場相互耦合，在不同摻雜區(qū)界面處產(chǎn)生新的電場峰。在縱向電場的耦合作用下，電場峰值降低，漂移區(qū)表面電場趨于均勻。借助此模型，研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)對漂移區(qū)電荷共享效應的影響，給出了器件參數(shù)之間的優(yōu)化關(guān)系。表面階梯摻雜器件正向?qū)娏鞔蟛糠至鹘?jīng)表面，導通電阻降低。階梯摻雜漂移區(qū)器件改善了器件在導通電阻和擊穿電壓之間的折衷關(guān)系，且具有較好的工藝容差。 提出薄型雙漂移區(qū)結(jié)構(gòu)。由于表面注入Nˉ層摻雜濃

5、度較高，漏電流絕大部分流經(jīng)表面，使導通電阻下降。在溝道區(qū)下方采用P離子注入埋層，改善漂移區(qū)電場分布，P埋層電場的調(diào)制作用在表面電場中引入新的電場峰，使表面電場分布均勻。在漂移區(qū)摻雜劑量相同的情況下，隨著表面N層厚度的降低和摻雜濃度的提高，導通電流顯著增大。結(jié)果表明：薄型雙漂移區(qū)器件較常規(guī)器件擊穿電壓提高16％，導通電阻下降24％。 在低摻雜漏SOI器件的N型漂移區(qū)中部注入P埋層形成BLD SOI器件。在埋氧層縱向電場和埋層附加電

6、場的調(diào)制下，溝道邊緣表面電場降低，優(yōu)化漂移區(qū)濃度增大，導通電阻顯著下降。在漏極引入低摻雜漏區(qū)，緩解了漏結(jié)的曲率效應，擊穿電壓增大。結(jié)果表明：埋層低摻雜漏SOI結(jié)構(gòu)較常規(guī)SOI器件擊穿電壓提高29％，導通電阻下降22％。在理論的指導下，實驗研制了超過700V的SOI高壓器件。 提出雙面階梯埋氧層部分SOI高壓器件結(jié)構(gòu)，稱為DSB PSOI。雙面階梯埋氧層的附加電場對表面電場的調(diào)制作用使表面電場達到近似理想的均勻分布；耗盡層通過源極