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高压SOI器件耐压模型与槽型新结构

胡夏融  
【摘要】:SOI(Silicon On Insulator)高压集成电路因其高速、低漏电、易隔离、抗辐照等优势得到了广泛的应用,并已成为功率集成电路(Power Integrated Circuit, PIC)重要的发展方向。作为SOI高压集成电路中的核心器件,常规SOI LDMOS(LateralDouble-diffused MOSFET)击穿电压和比导通电阻的矛盾关系限制其在大功率领域的应用。RESURF技术是提高耐压并缓解BV~Ron矛盾关系的典型技术,经历了SR(Single RESURF)、DR(Double RESURF)、TR(Triple RESURF)技术的发展历程。然而,已有文献侧重研究器件的表面电场,缺乏对器件纵向电场的理论深入分析。同时,对体硅TR LDMOS的模型也过于简单,并未指出P型埋层的深度、厚度以及掺杂浓度对器件特性的影响,关于SOI TR LDMOS的器件结构以及耐压模型也未见报道。另一方面,国际上提出槽型LDMOS结构以缩短器件的横向尺寸并进一步降低比导通电阻。然而目前缺乏针对该类结构的理论研究,特别是槽区宽度、深度和介电系数对电场分布、耐压特性以及导通电阻的影响亟待研究。 本文围绕SOI LDMOS的耐压问题,从耐压机理、器件结构以及耐压解析模型三个方面展开研究。提出了两类模型和一个新结构,即:提出高压SOI器件TR耐压模型并统一了SOI及体硅RESURF条件;同时,提出槽型SOI LDMOS耐压解析模型,给出了设计槽区深度、宽度以及介电系数的普适方法,并对槽型SOILDMOS进行了实验;提出高压SOI变k介质槽型LDMOS新结构,在常规槽型LDMOS的基础上,进一步优化了击穿电压和比导通电阻的矛盾关系。 1.提出高压SOI器件TR耐压解析模型。 本文提出高压SOI器件TR耐压模型。该模型考虑了P型埋层对器件电场的调制作用,获得了其表面电场以及纵向电场的解析式,并根据优化表面电场条件以及优化纵向电场条件获得了其RESURF判据以及纵向击穿电压表达式。研究了SOI TR LDMOS的P型埋层深度、厚度以及掺杂浓度对器件耐压特性及导通电阻的影响,当P型埋层厚度较薄且位于漂移区中部时更优,由此得到简化的SOI TR条件。相对于SOI SR LDMOS,TR LDMOS可在相同击穿电压下降低50%的比导通电阻。在TR模型的基础上,建立高压SOI器件MR(Multi-RESURF)耐压模型。MR LDMOS可在TR LDMOS基础上进一步降低比导通电阻,但需牺牲一定的击穿电压为代价。基于硅栅自对准CMOS工艺,在顶层硅厚度3.5μm,埋氧层厚度1μm的SOI材料上研制出击穿电压为150V的SOI TR LDMOS器件。 2.统一了SOI及体硅LDMOS的RESURF条件。 对SOI TR耐压模型进行推广,统一了SOI及体硅LDMOS的RESURF条件,进一步完善了RESURF理论。获得了SOI SR、DR、TR LDMOS的表面及纵向电场解析式,并由此得到SOI LDMOS统一的RESURF条件及纵向击穿电压表达式。统一的RESURF条件揭示了体硅及SOI LDMOS的区别和联系,并指导横向高压器件的设计。 3.提出高压SOI槽型LDMOS耐压模型和普适的槽区设计方法。 槽型LDMOS的槽型区域沿纵向折叠漂移区,缩短器件的横向长度,进一步降低比导通电阻。通过求解二维泊松方程以及拉普拉斯方程,获得了槽型SOILDMOS表面电场解析式和RESURF判据。研究了槽型SOI LDMOS槽区宽度、深度、漂移区厚度及埋氧层厚度对器件耐压特性和导通电阻的影响。槽型SOILDMOS的击穿电压取决于三个耐压的最小值,且三者值相等时最优:槽区横向耐压;折叠漂移区耐压;漂移区和埋氧层共同承担的纵向电压。采用SDB工艺制备了SOI材料,并在顶层硅厚度5μm,埋氧层厚度1μm的SOI材料上研制出击穿电压170V~190V的SOI槽型LDMOS。本文还研究了槽型LDMOS槽区介电系数对器件特性的影响,提出普适的介质槽区设计方法,即:深而窄的槽适合用低介电系数材料填充,浅而宽的槽适合用高介电系数材料填充,得到了槽介质k值的优化范围。 4.提出高压SOI变k介质槽型LDMOS新结构。 该结构的槽区介电系数从顶部到底部逐渐增加。利用槽顶部的低k介质增加表面电场强度,并减小器件的横向尺寸;底部高k介质提升槽平均k值,增加优化的漂移区浓度。以上两方面作用提高器件耐压并降低比导通电阻。仿真表明450V级SOI变k介质槽型LDMOS的比导通电阻比常规槽型LDMOS低23%~31%。


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