SOI横向高压低通态电阻MOS型器件研究

摘要

随着SOI技术不断发展成熟，SOI高压集成电路因其隔离性能好、漏电流小、速度快、高温性能好和抗辐照等优点已成为功率集成电路的重要发展方向。MOS型功率器件由于良好的栅控能力和驱动电路简单等优点，逐渐取代双极型功率器件成为功率器件的主导产品。SOI横向高压功率器件是SOI高压集成电路的核心器件，受到研究人员的广泛关注。耐压能力和通态电阻一直是衡量SOI横向功率器件的重要指标。如何获得具有高耐压性能及低通态电阻的SOI横向MOS型功率器件，对功率集成电路的发展具有十分重要的意义。
　　概述了近几年来国内外SOI横向功率器件耐压技术的研究和进展，总结了SOI横向功率器件的设计原理和设计方法基础上，对SOI LDMOS/LIGBT的通态电阻进行了建模分析。然后采用SILVACO TCAD软件对SOI LDMOS/LIGBT的截止态耐压性能、通态特性进行海量变参数仿真，优化后获得良好的器件性能。
　　在器件的原理分析和仿真验证时发现了两个问题：CMOS工艺的迅速发展，良好深槽加工技术使得纵向沟道横向高压MOS型器件成为可能。但在SOI LDMOS由于槽栅的引入，使得器件在通态时在电路通路上增加了一个高阻的JFET区域。器件的耐压性能取决于其横向耐压和纵向耐压的较小者。由于SOI技术中衬底不参与耐压，纵向耐压成为耐压性能提高的瓶颈，使得传统SOI技术很难实现800V以上的耐压。
　　针对槽栅SOI LDMOS通态电阻高的特点，提出了双槽栅(Double Trench Gate，DTG)SOILDMOS结构。该结构是在槽栅SOI LDMOS的P阱区与漂移区之间增加另外一个槽栅结构，使得器件形成两条纵向的导电沟道。利用SILVACO TCAD软件对器件的结构参数进行设计与仿真验证，结果表明DTG SOI LDMOS有效地降低了槽栅SOI LDMOS的通态电阻，并且截止态耐压和饱和区跨导等性能得到改善。同时，还研究了采用标准CMOS工艺制造DTG SOILDMOS的可行性。
　　针对器件的纵向耐压瓶颈，提出了具有P埋层(Buried P-type Layer，BPL)的SOI横向高压器件结构。该结构是在传统SOI横向高压器件SOI层与埋氧层之间插入一个P型埋层。器件处于截止态时，SOI层与BPL层之间形成的反向PN结将承担大部分纵向耐压，摆脱了传统的SOI横向高压器件靠厚埋氧层承受纵向耐压的束缚。采用SILVACO TCAD分别对BPL SOILDMOS和BPL SOI LIGBT的截止态耐压性能和通态特性进行辅助优化设计与仿真验证，结果表明两种结构不仅容易获得超过1400V的击穿电压，而且由于它们的埋氧层能降到几百纳米甚至更薄，它们的热学特性也能得到明显改善。BPL SOI LIGBT在通态时有部分电流从BPL中通过，增大了器件通态电流的横截面，降低了器件的导通功率损耗。最后根据期望器件性能指标要求对BPL SOI基衬底材料进行了设计，为BPL SOI横向高压器件的实现提供了衬底平台。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 SOI技术概述

1.2 SOI材料的制备技术

1.2.1 SDB技术

1.2.2 SIMOX技术

1.2.3 Smart-cut技术

1.3 SOI横向功率器件

1.3.1 SOI LDMOS

1.3.2 SOI LIGBT

1.4 SOI横向功率器件技术的发展

1.4.1 横向耐压技术的发展

1.4.2 纵向耐压技术的发展

1.5 本论文的主要研究工作和章节安排

第2章 SOI功率器件的设计原理

2.1 SOI功率器件耐压机理分析

2.1.1 横向表面耐压

2.1.2 纵向体内耐压

2.2 场终端技术

2.2.1 场板技术

2.2.2 RESURF原理

2.2.3 横向变掺杂技术

2.3 SOI功率器件的通态电阻分析

2.3.1 SOI LDMOS的通态电阻

2.3.2 SOI LIGBT的通态电阻

2.4 纵向沟道SOI横向功率器件

2.5 本章小结

第3章 高压SOI LDMOS/LIGBT器件设计

3.1 仿真设计工具

3.1.1 TCAD ATHENA简介

3.1.2 TCAD ATLAS简介

3.2 SOILDMOS耐压特性

3.2.1 初始结构耐压分析

3.2.2 漂移区浓度优化

3.2.3 埋氧层厚度优化

3.2.4 漂移区长度优化

3.3 SOI LDMOS通态特性

3.3.1 阈值电压

3.3.2 输出特性

3.3.3 线性区通态电阻

3.4 SOI LIGBT耐压特性

3.4.1 初始结构耐压分析

3.4.2 缓冲区参数优化

3.5 SOI LAGBT通态特性

3.5.1 闩锁效应

3.5.2 输出特性

3.6 本章小节

第4章 双槽栅SOILDMOS器件新结构

4.1 DTG SOILDMOS器件结构与基本工作原理

4.2 主要电学性能分析

4.2.1 截止态击穿电压

4.2.2 线性区通态电阻

4.2.3 饱和区跨导

4.3 DTG SOI LDMOS器件设计与优化

4.3.1 结构的定义

4.3.2 电学性能仿真与优化

4.4 制造方法及工艺仿真

4.4.1 工艺流程

4.4.2 工艺仿真及其结果的电学模拟

4.5 本章小结

第5章 含P埋层SOI LDMOS/LIGBT器件新结构

5.1 BPL SOI LDMOS/LIGBT器件结构及原理

5.2 BPL SOI LDMOS器件的设计与优化

5.2.1 初始结构的定义

5.2.2 耐压特性的优化

5.2.3 通态特性的分析

5.3 BPL SOI LIGBT器件的设计与优化

5.3.1 截止态耐压特性的分析

5.3.2 通态特性的分析

5.4 BPL SOI材料设计

5.4.1 硼原子在硅中的扩散

5.4.2 镓原子在硅中的扩散

5.4.3 铝原子在硅中的扩散

5.5 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

附录