基于增强介质层电场技术的新型SOI高压器件研究

摘要

SOI(Silicon On Insulator)高压器件因为其独特的一些优点在近年来得以快速的发展。随着对其的不断研究与应用，新的问题也随之而来—SOI高压器件的纵向耐压受到了一些限制。众多的科学家对这一问题都进行了深入的研究。
　　目前，增强介质层电场是提高SOI高压器件耐压的十分有效途径，主要有三类技术：采用超薄顶层硅、引入低介电系数新介质层以及引入界面电荷，其中引入界面电荷是最为有效的方式。目前国际上在SOI器件中引入界面电荷有两种方式：重离子界面固定电荷和界面自适应反型电荷。本文提出高浓度电离施主增强SOI高压器件介质层电场新技术，能够提高器件耐压，并且获得了硅层电场、介质层电场与耐压解析模型。基于此，设计系列新器件结构，主要包括界面N+硅岛系列SOI高压器件结构，基于SIMOX埋氧衬底的部分埋N+层SOI高压器件，以及基于薄埋氧层及三层顶层硅衬底的SOI高压LDMOS器件结构。
　　①界面N+硅岛系列SOI高压器件结构。该类器件在界面处注入等高、等宽、等距的N+硅岛。器件阻断状态时，相邻两个界面N+硅岛内将积累大量反型空穴，同时部分耗尽的N+岛内也会积累高浓度电离施主正电荷，这些正电荷将大大增强埋氧层电场，从而有效提高器件耐压。该类器件包括：（1）1200V级薄硅层P沟道SOI LDMOS器件，在2μm埋氧层及1.5μm顶层硅上实现1224V的高耐压，而埋氧层电场达600V/μm，远远高于常规约100 V/μm的水平；（2）INI PSOI LDMOS器件；（3）界面电荷岛PSOI N沟道LDMOS器件。
　　②基于SIMOX埋氧衬底的部分埋N+层SOI高压器件（PBN SOI）。推导界面电场解析模型，表明界面所积累的反型空穴以及界面N+层内部分耗尽的高浓度电离施主正电荷，可有效增强埋氧层电场，从而提高器件耐压。在10μm顶层硅及0.375μm埋氧层厚度上，新结构的埋氧层电场以及击穿电压较相同尺寸的常规结构分别提高了186.5％和45.4%；
　　③基于薄埋氧层及三层顶层硅衬底的SOI高压LDMOS器件（Triple-Layer Top Silicon，TLTS）。该结构在SOI介质层上界面的顶层硅内引入一高浓度N+层，器件处于反向阻断状态时，高浓度N+部分耗尽，漏端界面处已耗尽N+层内的高浓度电离施主正电荷增强介质层电场，所产生的附加电场将调制漂移区内的电场，防止器件在漏端界面处提前击穿，从而可在较薄的介质层上获得较高耐压，在0.375μm介质层上获得624V耐压且具有较高FOM优值。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪论

1.1 SOI高压器件技术概述

1.2 SOI高压器件研究现状

1.3 高压SOI介质场增强技术

1.4 本文的研究内容及创新点

2 界面N+硅岛SOI及部分SOI衬底高压器件

2.1 INI SOI p-LDMOS高压器件

2.2 INI PSOI LDMOS结构及耐压机理

2.3 界面电荷岛PSOI N沟道LDMOS

2.4 本章小结

3 PBN LDMOS高压器件

3.1 PBN SOI高压器件

3.2 PSOI LDMOS结构及机理

3.3 本章小结

4 TLTS SOI LDMOS器件

4.1 器件结构

4.2 耐压机理

4.3 击穿特性研究

4.4 工艺流程

4.5 本章小结

5 结论

致谢

参考文献

附录: 作者在攻读学位期间发表的论文