SOI横向功率器件侧向耐压技术及新结构研究

摘要

绝缘体上硅(SOI,Silicon on Insulator)技术因其隔离性能好，速度快，漏电流小，抗辐射能力强等优点，使得SOI功率集成电路在电力电子、自动控制、通信等领域极具广泛的应用前景。SOI横向功率器件作为SOI功率集成电路的基石，一直是国内外半导体器件工作者关注和研究的热点。如何突破SOI功率器件600V耐压的瓶颈来满足千伏级的功率集成电路的需求是一个重要的核心问题。在横向功率器件的设计过程中，击穿电压的提高会导致导通电阻的迅速增加，如何解决击穿电压和导通电阻间的矛盾关系是从事半导体器件设计的学者和工程师们长期以来追求的目标。 本文针对SOI横向功率器件的耐压问题，从三维的角度出发，在器件结构和耐压模型方面开展创新研究。将高k介质技术，横向漂移区杂质密度线性化技术以及场板技术由二维推广到三维，从而用更简单的制造工艺获得更佳的器件性能。分别设计研究了以下几类新型的SOI横向功率器件，并对相应或已有的器件结构建立了耐压模型，给出了可行的制备工艺方案。 1.侧壁高k介质SOI横向功率器件新结构及其耐压模型。该新型器件是采用高k介质柱与硅柱交替的结构作为漂移区，利用侧壁高k介质调制漂移区的势场分布，可以有效的提高漂移区中部电场，使得漂移区电场分布更均匀，显著的提高的了器件的击穿电压。同时，高k介质的引入使得漂移区内掺杂浓度增加，降低了导通电阻。通过三维泊松方程的降维和泰勒展开，利用高k介质与硅区界面处的势场连续性条件，建立了侧壁高k介质SOI横向功率器件的三维表面势场分布模型，并利用击穿条件获得了击穿电压模型及最优漂移区浓度模型。借助三维器件仿真软件Davinci对器件进行了数值仿真，解析模型和仿真结果能够较好的吻合，证明了解析模型的正确性。结果表明，侧壁高k介质SOI横向功率器件的击穿电压是常规器的1.32倍，导通电阻可降低43%，品质因子FOM（Figure of Merit）是常规结构的3.1倍。给出了一种制备侧壁高k介质SOI横向功率器件的可行的制备方案，该方案无需复杂的制备工艺，仅用光刻，淀积等基础工艺即可完成高k介质区的制备，随后结合CMOS工艺完成器件的全部设计，因此工艺简单。 2.局部侧壁氧化层SOI横向功率器件。该新型器件是利用介质隔离技术在漂移区内部引入局部的侧壁氧化层区域，使得漂移区宽度在介质区边界处形成突变，从而形成新的电场峰值来优化势场分布，提高击穿电压。通过分段求解三维泊松方程，建立了局部侧壁氧化层SOI横向功率器件的势场分布模型及击穿电压模型，模型结果能与数值仿真结果较好的吻合，证明了模型的正确性。将三维场板运用于局部侧壁氧化层SOI横向功率器件，可以进一步提高器件的耐压性能。通过研究侧壁氧化层的宽度和长度，场板的长度与宽度等主要参数对器件性能的影响，获得的三维场板侧壁氧化层SOI横向功率器件能够使得击穿电压相对于常规器件提高40%，导通电阻降低65%，FOM是常规器件的5.5倍。 3.横向变宽度SOI横向功率器件。横向变宽度技术是实现漂移区电荷密度的线性分布一种全新的技术，能够有效的优化表面电场分布，达到较高的击穿电压。根据横向变宽度技术提出了线性变宽度SOI横向功率器件和阶梯变宽度SOI横向功率器件。线性变宽度SOI横向功率器件是通过在漂移区内引入宽度线性变化的介质区域来改变漂移区宽度，可以优化表面电场分布，使之达到最佳分布，达到提高击穿电压的效果。采用高k介质可进一步降低导通电阻。侧壁高k介质线性变宽度SOI横向功率器件的击穿电压可以达到600V以上，而且导通电阻相比常规器件可降低50%，其FOM值可达常规器件的11倍。阶梯变宽度SOI横向功率器件是通过在漂移区内引入宽度阶梯变化的介质区域使得漂移区宽度呈阶梯形变化，其本质是通过三维的角度在漂移区内引入多个电场峰值来优化势场分布，提高击穿电压。采用高k介质材料同样能够进一步的提高器件的性能。建立了横向变宽度器件的表面势场分布模型，用以研究器件的耐压机理。 4.横向变厚度SOI横向功率器件耐压模型。横向变厚度技术是已有的一种实现移区内的势场分布均匀化的技术。虽然针对横向变厚度技术已经有了大量的数值仿真，但是并没有任何解析模型被提出用于解释其物理机理。通过求解泊松方程，分别获得了表面势场模型，击穿电压模型和RESURF判据，为具有横向变厚度结构的LDMOS器件的结构参数优化设计提供指导作用。

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