论文题目: SOI横向高压器件耐压模型和新器件结构研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 微电子学与固体电子学
作者: 郭宇锋
导师: 李肇基
关键词: 击穿电压,模型
文献来源: 电子科技大学
发表年度: 2005
论文摘要: SOI(Silicon On Insulator)高压集成电路因其隔离性能好、漏电流小、速度快、功耗低和抗辐照等优点已成为功率集成电路(Power Integrated Circuit,PIC)重要的发展方向。SOI横向高压器件是SOI高压集成电路的核心和关键,受到了国际上众多学者的研究。但是,由于受到纵向耐压的限制,当前真正进入实用阶段的器件结构,其击穿电压还没有超过600V,从而限制了SOI技术在千伏级高压集成电路中的应用。此外,在设计方面,当前所沿用的设计理论仍然是体硅的RESURF判据,但事实上,SOI器件结构上的特殊性使其RESURF效应和体硅器件有较大差异,这一点在设计中却往往被忽视。 本文围绕SOI高压器件的耐压问题,从理论模型和器件结构两方面展开创新研究。首次提出了两项耐压理论:S-RESURF(Single REduced SURface Field)高压器件全域耐压模型和D-RESURF(Double REduced SURface Field)高压器件统一耐压模型,设计了两种新结构器件:埋氧层固定电荷结构(Step Buried Oxide fixed Charge,SBOC)和局域电荷槽结构(Charge Captured Trenches,CCT),并进行了部分实验。 两项耐压理论是: 1) SOI S-RESURF高压器件全域耐压模型。提出均匀、阶梯和线性漂移区的SOI S-RESURF高压器件全域耐压模型,导出包含耗尽区电荷共享效应与埋氧层电场调制效应的SOI S-RESURF判据。基于电势分解法求解二维Poisson方程,得到了任意漂移区横向杂质分布的SOI S-RESURF器件在全耗尽和不全耗尽情况下的二维电势和电场分布全域解析模型,然后将其应用于均匀、阶梯和线性漂移区结构的分析,给出了最优浓度分布的理论公式和最小阶梯数判据。最后,在此理论指导下,在3μm顶层硅、1.5μm埋氧层的SOI材料上成功研制了耐压为250V,导通电阻为1.6Ωmm~2的二阶掺杂SOI LDMOS,其耐压比相同结构的均匀掺杂漂移区器件提高了57%,而导通电阻下降了11%。 2) SOI D-RESURF高压器件统一耐压模型。提出均匀、阶梯和线性掺杂SOI D-RESURF高压器件二维耐压解析模型,构成了系统的SOI D-RESURF统一耐压理论,并首次给出了普适于所有双层漂移区器件的SOI D-RESURF判据。首先借助P-top结深因子,把D-RESURF器件等效成阶梯S-RESURF器件,进而建立了具有均匀、阶梯和线性掺杂P-top层的SOI D-RESURF器件的二维势场分布模型,然后借助该模型对器件耐压特性进行了深入分析,首次定量研究了D-RESURF器件比S-RESURF器件耐压略微降低的机理,建立了浓度优化区DOR(Doping Optimal Region)。并首次得到了阶梯和线性掺杂P-top层浓度分布的理论优化公式,提出了最优P-top层阶梯数判据,为SOI D-RESURF器件的设计提供理论依
论文目录:
摘要
ABSTRACT
主要符号表
缩略词表
第一章 绪论
1．1 SOI技术概述
1．2 SOI材料制备技术的研究现状与发展
1．2．1 SDB技术
1．2．2 SIMOX技术
1．2．3 Smart Cut技术
1．2．4 ELTRAN技术
1．3 SOI高压器件技术的研究现状与发展
1．3．1 横向耐压技术
1．3．2 纵向耐压技术
1．3．3 待解决的问题
1．4 SOI耐压模型的研究现状与发展
1．4．1 一维模型
1．4．2 二维模型
1．4．3 待解决的问题
1．5 本文的主要工作
第二章 SOI S-RESURF高压器件全域耐压模型
2．1 引言
2．2 任意横向掺杂漂移区二维势场分布模型
2．2．1 漂移区完全耗尽情形
2．2．2 漂移区不完全耗尽情形
2．3 均匀掺杂漂移区全域耐压模型
2．3．1 任意反向偏压下的二维电场分布
2．3．2 临界电场与击穿电压的计算
2．3．3 结构参数对击穿电压的影响
2．4 S-RESURF判据
2．4．1 全耗尽判据
2．4．2 体内击穿判据
2．4．3 最优表面电场判据
2．4．4 RESURF判据
2．5 阶梯掺杂漂移区SOI高压器件耐压模型
2．5．1 二维电场分布模型
2．5．2 击穿特性研究
2．5．3 杂质分布的优化
2．5．4 最优阶梯数判据
2．6 阶梯漂移区SOI LDMOS的研制
2．6．1 SES法制备SOI材料
2．6．2 器件研制
2．6．3 流片、测试与分析
2．7 小结
第三章 SOI D-RESURF高压器件统一耐压模型
3．1 引言
3．2 均匀掺杂SOI D-RESURF高压器件二维耐压模型
3．2．1 二维电势和电场分布
3．2．2 P-top区对击穿电压的影响
3．3 D-RESURF判据
3．3．1 D-RESURF判据
3．3．2 RESURF浓度优化区DOR
3．4 线性掺杂SOI D-RESURF高压器件二维耐压模型
3．4．1 二维电势和电场分布
3．4．2 器件结构的优化设计
3．5 阶梯掺杂SOI D-RESURF高压器件二维耐压模型
3．5．1 二维电势和电场分布
3．5．2 器件结构的优化设计
3．6 小结
第四章 阶梯埋氧层固定电荷新型SOI高压器件
4．1 INBOLF理论
4．1．1 界面电荷技术
4．1．2 超薄SOI技术
4．1．3 低介电系数绝缘层技术
4．2 阶梯埋氧层固定电荷SOI高压器件
4．2．1 器件结构
4．2．2 固定界面电荷的引入
4．2．3 材料制备工艺流程
4．3 击穿电压二维解析模型
4．3．1 二维电场分布模型
4．3．2 纵向电场和纵向耐压
4．3．3 横向电场和横向耐压
4．4 器件结构的优化设计
4．4．1 包含界面电荷调制效应的RESURF判据
4．4．2 器件结构参数对击穿电压的影响
4．4．3 线性埋氧层固定电荷结构
4．5 小结
第五章 局域电荷槽结构SOI新型高压器件
5．1 器件结构及其耐压机理
5．1．1 器件结构
5．1．2 纵向耐压机理
5．1．3 横向耐压机理
5．2 耐压特性分析
5．2．1 基本结构参数的影响
5．2．2 电荷槽形状参数的影响
5．3 双面局域电荷槽结构
5．3．1 器件结构
5．3．2 耐压机理
5．3．3 对位偏差对击穿电压的影响
5．4 埋氧层刻槽图形的设计
5．4．1 图形选择
5．4．2 同心圆图形分析
5．4．3 六边形图形分析
5．5 非平面埋氧层SOI材料的研制
5．5．1 实验方案
5．5．2 实验过程
5．5．3 实验结果与分析
5．6 小结
第六章 结束语
6．1 结论
6．2 下一步工作
致谢
参考文献
附录A：阶梯掺杂漂移区分区边界电势的求解
附录B：阶梯埋氧层固定电荷分区边界电势的求解
附录C：科技查新报告
个人简历、在学期间研究成果及发表学术论文
发布时间: 2005-09-23
参考文献
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