SOI横向高压低通态电阻MOS型器件研究

论文摘要

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）SOI LDMOS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 SOI LDMOS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 SOI LDMOS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。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 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 SOI LDMOS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 LIGBT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SOI LDMOS器件新结构
• 4.1 DTG SOI LDMOS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