高压SOI LDMOS器件新结构设计及仿真研究

摘要

SOI（Silicon OnInsulator）器件具有低泄漏电流、低寄生电容、速度快、隔离性好等优点，因而被广泛的应用于智能功率集成电路（Smart Power Integrated Circuit，SPIC）和高压功率集成电路（High Voltage Integrated Circuit，HVIC）之中。高压SOI LDMOS（Lateral Double-diffused Metal Oxide Semiconductor）器件的击穿电压由横向耐压和纵向耐压的较小值来决定，增大漂移区的长度可以有效的提高器件的横向耐压，但同时器件的比导通电阻会大幅度提升，使用较厚的埋氧层可以提高器件的纵向耐压，但会给器件带来严重的自加热效应。为了改善器件击穿电压与比导通电阻的关系，横向场板、降低表面电场、超结和沟槽等技术被相继提出。
　　本文从改善SOI LDMOS器件击穿电压与比导通电阻的关系出发，利用TCAD工具SILVACO对所提出的三种新型SOI LDMOS器件进行仿真研究，具体研究内容如下：
　　（1）对分裂栅沟槽SOI LDMOS（Split Gate SOI Trench LDMOS，SGT-LDMOS）器件进行了研究，并且引入了低阻通道去进一步降低器件的比导通电阻（ Specific On-resistance，Ron,sp）。由于更高的漂移区掺杂浓度以及低阻通道的引入，使得具有低阻通道的分裂栅沟槽SOI LDMOS（Split Gate SOI Trench LDMOS With Low-Resistance Channel，SGTL-LDMOS）与传统的沟槽SOI LDMOS（Conventional SOI Trench LDMOS， CT-LDMOS）和SGT-LDMOS相比，具有更低的比导通电阻。另外，分裂栅结构的引入可以有效的降低器件的栅电荷并提高器件的击穿电压。仿真结果表明，SGTL-LDMOS相比于CT-LDMOS，击穿电压从183V提升到227V，比导通电阻从43.4mΩ·cm2下降到9.3mΩ·cm2，栅电荷从47pC下降到30pC。
　　（2）对集成肖特基的多沟槽SOI LDMOS（Multiple TrenchSOILDMOS With Schottky Rectifier，MTS-LDMOS）器件进行了研究，该器件的结构特点是在漂移区中有两个氧化槽，并且在两个氧化槽中间集成了与源极连接的肖特基整流器。每一个氧化槽中都有一个垂直场板去增强漂移区的体耗尽并调制器件的内部电场。经过仿真分析， MTS-LDMOS相比于传统的SOI LDMOS（Conventional SOI LDMOS，C-LDMOS）器件，击穿电压从293V提高到了345V，比导通电阻从261.2mΩ·cm2下降到了120.1mΩ·cm2，栅漏电荷（Gate-drain Charge，Qgd）从18pC下降到了6pC。另外，由于肖特基整流器的引入使得 MTS-LDMOS器件的反向恢复特性有了大幅提升，与 C-LDMOS相比，反向恢复时间下降了60.6％。
　　（3）对埋氧场板SOI LDMOS（SOI LDMOSWithBuried Field Plate，BFP-LDMOS）器件进行了研究，该结构的特点是在埋氧层中引入了两个分别与源、漏电极相连的埋氧场板。漏端的埋氧场板的引入避免了器件过早的在Silicon/BOX层交界面击穿并且增强了漏端下部埋氧层的电场。源端埋氧场板引入了一个新的电场峰值并且调制了器件的横向电场分布，使得器件的横向电场分布更加均匀。除此之外，由于埋氧场板取代了一部分埋氧层介质，所以可以有效的缓解器件的自加热效应（Self-heating Effects，SHE）。仿真结果表明，BFP-LDMOS较之C-LDMOS器件，击穿电压从128V提升到182V，比导通电阻从20.5mΩ·cm2下降到18.5mΩ·cm2。另外，在Vgs=10V，功耗P=1mW/μm的情况下，BFP-LDMOS的最高温度相比于C-LDMOS下降了33.8K。

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第1章 绪论

1.1 研究意义及目的

1.2 国内外发展动态

1.3 本文的主要研究内容

第2章具有低阻通道的分裂栅沟槽SOI LDMOS器件研究

2.1 Trench LDMOS器件基本原理分析

2.2 SGTL-LDMOS器件结构与工作原理

2.3 SGTL-LDMOS结构参数优化

2.4 三种结构的性能比较

2.5 SGTL-LDMOS器件的工艺实现

2.6 本章小结

第3章集成肖特基的多沟槽SOI LDMOS器件研究

3.1 金属半导体接触整流理论

3.2 MTS-LDMOS器件结构与工作原理

3.3 MTS-LDMOS结构参数优化

3.4 MTS-LDMOS器件性能分析

3.5 MTS-LDMOS器件的工艺实现

3.6 本章小结

第4章埋氧场板SOI LDMOS器件研究

4.1 SOI LDMOS器件的RESURF判据

4.2 BFP-LDMOS器件结构

4.3 BFP-LDMOS结构参数优化

4.4 BFP-LDMOS器件性能分析

4.5 BFP-LDMOS器件的工艺实现

4.6 本章小结

结论

参考文献

致谢