薄层SOI高压LDMOS背栅调制模型与特性研究

摘要

SOI(Silicon On Insulator，绝缘体上硅)高压 LDMOS(Lateral Double-diffused Metal Oxide Semicondutor，横向双扩散金属氧化物半导体)器件因其低功耗、高频率、高集成度等特点，广泛用于汽车电子、医疗电子、智能家电和航空航天等智能功率集成电路。相比厚层SOI结构，薄层SOI LDMOS具有良好的工艺兼容性和较少的寄生效应，在功率集成电路，特别是功率开关和驱动集成电路中有着良好的应用前景。但是由于背栅效应，薄层SOI LDMOS器件性能和可靠性受到严重影响，尤其是p沟道LDMOS。目前背栅效应研究主要集中于对器件击穿电压的影响，对比导通电阻、甚至可靠性的影响鲜有报道。负偏置温度不稳定性(Negative Bias Temperature Instability，简称NBTI)是p沟道MOS器件最重要的可靠性问题之一，SOI高压器件埋氧层长期受到背栅偏置影响，其背栅NBTI效应会对器件特性产生影响。然而目前NBTI研究主要针对栅氧化层，对于SOI器件埋氧层研究未见报道。
　　本论文围绕背栅效应，基于场荷调制理论，研究了薄层SOI高压场p沟道LDMOS比导通电阻、击穿电压特性和陷阱电荷诱致退化效应。提出背栅场调制耐压模型，揭示了背栅对击穿电压和比导通电阻影响机理。体内电场受到背栅电压调制，引起体内电荷分布变化，形成双导电模式，极大改善了击穿电压与比导通电阻关系。提出陷阱电荷电导调制模型，揭示了器件背栅NBTI和热载流子退化机理。背栅NBTI和热载流子效应产生的场致陷阱电荷引起体内电荷分布变化，从而导致器件特性发生退化。
　　主要创新点如下：
　　1.提出背栅场调制耐压模型
　　基于场荷调制理论，提出背栅场调制耐压模型，揭示了薄层SOI高压场p沟道LDMOS背栅电压对击穿电压和比导通电阻影响机理，给出了背栅电压与表面击穿电压、比导通电阻之间关系。体内电场受到背栅电压调制，导致表面击穿电压与背栅电压呈线性关系：BVs=0.98×VBG–198.4。同时调制体内场引起体内电荷分布变化，形成双导电模式，使得器件比导通电阻Ron,sp取决于漂移导电层和积累导电层并联的结果：Ron,sp=1/(1.45×10-13 ts ND–7.07×10-4VBG)，极大地改善了击穿电压与比导通电阻的关系。
　　2.提出背栅穿通判据和器件耐压设计准则
　　提出背栅穿通判据，揭示器件背栅穿通机理，可适用于所有SOI p沟道LDMOS器件。提出SOI高压场p沟道LDMOS器件耐压设计准则，即电源电压VHV<|BVs(VBG=VHV)|，|BVb|和|BVp|，同时考虑了漏极电压与背栅电压。实验结果显示，器件击穿电压达到-366V，比导通电阻仅为6.6Ωmm2。基于研究结果，首创目前国际集成场pLDMOS的最薄导电硅层系列SOI高低压兼容工艺，并在国防装备得到应用，取得良好的社会和经济效益。
　　3.提出薄层SOI高压场p沟道LDMOS陷阱电荷电导调制模型
　　提出陷阱电荷电导调制模型，揭示了薄层SOI高压场p沟道LDMOS背栅NBTI和热载流子引起线性电流退化的机理。背栅NBTI和热载流子效应的场致陷阱电荷引起漂移区和沟道电荷发生变化，从而导致线性电流退化。背栅NBTI在埋氧层产生总正的场致陷阱电荷，降低体内积累层电荷密度、击穿点处电场峰值和能带，导致线性电流降低、击穿电压和静态电流增加。两种相反的热载流子效应机理共同决定了线性电流退化：沟道区里的热空穴注入产生正的陷阱电荷，导致阈值增加，线性电流降低；漂移区栅极场板末端的热电子注入产生负的陷阱电荷，导致线性电流增加。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪 论

1.1 SOI高压p沟道LDMOS概述

1.2 SOI高压p沟道LDMOS器件背栅效应

1.3 陷阱电荷诱致退化效应

1.4主要工作和创新点

第二章 薄层SOI高压场p沟道LDMOS背栅场调制耐压模型

2.1 薄层SOI高压场p沟道LDMOS器件

2.2 背栅场调制耐压模型

2.3 双导电模式

2.4纵向击穿机理

2.5 两种耐压特性分析方法

2.6 本章小结

第三章 薄层SOI高压场p沟道LDMOS背栅穿通和耐压设计准则

3.1 薄层SOI高压p沟道LDMOS背栅穿通机理

3.2 p-field工艺分析

3.3 背栅穿通与沟道连续性设计

3.4 SOI高压p沟道LDMOS耐压设计准则

3.5高低压兼容集成技术

3.6 本章小结

第四章 薄层SOI高压场p沟道LDMOS陷阱电荷电导调制模型

4.1陷阱电荷电导调制效应

4.2 背栅NBTI电导调制模型

4.3 背栅NBTI引起的器件特性退化

4.4 热载流子退化研究

4.5减小热载流子效应的新器件结构

4.6本章小结

第五章 全文总结与展望

5.1全文总结

5.2后续工作展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的成果