基于介質電場增強理論的SOI橫向高壓器件與耐壓模型.pdf

1、本文圍繞SOI橫向高壓器件的耐壓問題，從耐壓理論、器件結構和耐壓解析模型幾方面進行研究。基于SOI器件介質層電場臨界化的思想，提出介質場增強ENDIF(ENhancedDIelectriclayerField)理論，在ENDIF理論指導下，提出三類SOI橫向高壓器件新結構，建立相應的耐壓解析模型，并進行實驗。 1、ENDIF理論對現(xiàn)有典型橫向SOI高壓器件的縱向耐壓機理統(tǒng)一化。 ENDIF理論的思想是通過增強埋層電場而提

2、高SOI橫向器件的縱向耐壓。ENDIF理論給出了增強埋層電場的三種途徑：采用低k(相對介電常數(shù))介質埋層、薄SOI層和在漂移區(qū)/埋層界面引入電荷，并獲得了一維近似下埋層電場和器件耐壓的解析式。ENDIF理論可對現(xiàn)有典型SOI橫向高壓器件的縱向耐壓機理統(tǒng)一化，它突破了傳統(tǒng)SOI橫向器件縱向耐壓的理論極限，是優(yōu)化設計SOI橫向高壓器件縱向耐壓的普適理論。 2、基于ENDIF理論，提出以下三類SOI橫向高壓器件新結構，并進行理論和實驗

3、研究。 (1)首次提出低k型介質埋層SOI高壓器件及其耐壓解析模型低k型介質埋層SOI高壓器件包括低k介質埋層SOI高壓器件、變k介質埋層SOI高壓器件和低k介質埋層PSOI(PartialSOI)高壓器件。該類器件首次將低介電系數(shù)且高臨界擊穿電場的介質引入埋層或部分埋層，利用低k介質增強埋層電場、變k介質調制埋層和漂移區(qū)電場而提高器件耐壓。通過求解二維Poisson方程，并考慮變k介質對埋層和漂移區(qū)電場的調制作用，建立了變k介

4、質埋層SOI器件的耐壓模型，由此獲得RESURF判據(jù)。此模型和RESURF判據(jù)適用于變厚度埋層SOI器件和均勻介質埋層SOI器件，是變介質埋層SOI器件(包括變k和變厚度介質埋層SOI器件)和均勻介質埋層SOI器件的統(tǒng)一耐壓模型。借助解析模型和二維器件仿真軟件MEDICI研究了器件電場分布和擊穿電壓與結構參數(shù)之間的關系。結果表明，變k介質埋層SOI高壓器件的埋層電場和器件耐壓可比常規(guī)SOI器件提高1倍和83％，當源端埋層為高熱導率的Si

5、3N4而不是SiO2時，埋層電場和器件耐壓分別提高73％和58％，且器件最高溫度降低51％。解析結果和仿真結果吻合較好。 (2)提出并成功研制電荷型介質場增強SOI高壓器件本文提出的電荷型介質場增強SOI高壓器件包括(a)雙面電荷槽SOI高壓器件和電荷槽PSOI高壓器件，其在埋氧層的一側或兩側形成介質槽。根據(jù)ENDIF理論，槽內束縛的電荷將增強埋層電場，進而提高器件耐壓。電荷槽PSOI高壓器件在提高耐壓的基礎上還能降低自熱效應；

6、(b)復合埋層SOI高壓器件，其埋層由兩層氧化物及其間多晶硅構成。該器件不僅利用兩層埋氧承受耐壓，而且多晶硅下界面的電荷增強第二埋氧層的電場，因而器件耐壓提高。本文開發(fā)了基于SDB(SiliconDirectBonding)技術的非平面埋氧層SOI材料的制備工藝，并研制出730V的雙面電荷槽SOILDMOS和760V的復合埋層SOI器件，前者埋層電場從常規(guī)結構的低于120V/μm提高到300V/μm，后者第二埋氧層電場增至400V/μm

7、以上。 (3)提出薄硅層階梯漂移區(qū)SOI高壓器件并建立其耐壓解析模型。 該器件的漂移區(qū)厚度從源到漏階梯增加。其原理是：在階梯處引入新的電場峰，新電場峰調制漂移區(qū)電場并增強埋層電場，從而提高器件耐壓。通過求解Poisson方程，建立階梯漂移區(qū)SOI器件耐壓解析模型。借助解析模型和數(shù)值仿真，研究了器件結構參數(shù)對電場分布和擊穿電壓的影響。結果表明，對tI=3μm，tS=0.5μm的2階梯SOI器件，耐壓比常規(guī)SOI結構提高1倍