【摘要】：降低表面場(RESURF,Reduce Surface Field)技術(shù)的提出為橫向功率器件的發(fā)展帶來了革命性的進步。基于RESURF原理的橫向雙擴散MOS(LDMOS,Lateral Double diffusion MOS)以其高耐壓,低導(dǎo)通電阻,低功耗,高集成度等優(yōu)點而作為高壓集成電路(HVIC,High Voltage Integrated Circuit)和智能功率集成電路(SPIC,Smart Power Integrated Circuit)中的基本結(jié)構(gòu)。在對器件性能及成本的雙重要求下,RESURF理論的利用和擴展成為了國內(nèi)外半導(dǎo)體器件研究者一直關(guān)注和研究的熱點。其中,如何獲得導(dǎo)通電阻和擊穿電壓這對矛盾關(guān)系中更好的折衷一直是對橫向功率器件研究的核心問題。然而RESURF技術(shù)蘊含著的二維耦合效應(yīng)其物理本質(zhì)并不明朗。隨著新器件結(jié)構(gòu)愈來愈復(fù)雜,相應(yīng)的解析模型也越來越復(fù)雜。這進一步阻礙了研究者們對器件耐壓效應(yīng)物理本質(zhì)的研究。更重要的是,隨著器件尺寸不斷縮小,由于版圖效應(yīng)的存在,傳統(tǒng)的二維器件耐壓理論和模型已不能滿足當下優(yōu)化需求。本文圍繞最普遍被使用的體硅(BS,Bulk Silicon)和絕緣體上硅(SOI,Silicon On Insulator)橫向功率器件的耐壓問題。利用一維建模視角,在器件耐壓理論上進行創(chuàng)新研究。提出了等效濃度分布(ECP,Effective Concentration Profile)理論,該理論認為漂移區(qū)耐壓技術(shù)的本質(zhì)是對ECP的改變,從而改變了電場分布。即將傳統(tǒng)的二維甚至三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)等效為對漂移區(qū)ECP即電荷共享及分配關(guān)系的影響。從ECP理論出發(fā),本文首先分別推廣研究了兩類BS和SOI RESURF橫向功率器件耐壓理論:S-RESURF(Single-RESURF)橫向功率器件ECP耐壓理論和D/T-RESURF(Double/Triple-RESURF)橫向功率器件ECP耐壓理論。進一步,利用ECP理論研究了實際制造中源漏結(jié)終端效應(yīng)對器件耐壓特性的影響:三維曲率效應(yīng)(3-D Curvature effect)和場板RESURF(FP-RESURF,Field Plate Assistant RESURF)橫向功率器件ECP耐壓理論。并建立了相應(yīng)的耐壓模型。提出的兩項耐壓理論包括:1.S-RESURF橫向功率器件等效濃度耐壓理論及模型。提出了BS/SOI S-RESURF橫向功率器件ECP耐壓理論。利用ECP理論導(dǎo)出了漂移區(qū)等效濃度分布,從而解釋了RESURF器件之特殊電場分布。首次基于求解一維Poisson方程,得到了二維電場、電勢分布模型。進一步給出了S-RESURF橫向功率器件的擊穿電壓模型并利用該理論提出了最優(yōu)濃度分布的理論公式,為BS/SOI RESURF器件的優(yōu)化設(shè)計提供了理論依據(jù)。2.D/T-RESURF橫向功率器件耐壓理論及其模型。將ECP理論擴展至用于分析Double及Triple RESURF技術(shù)。通過將耐壓技術(shù)對二維電場的調(diào)制效應(yīng)等效為對等效濃度分布(ECP)的改變,系統(tǒng)化了ECP耐壓理論,并首次提出了普適的RESURF判據(jù)。首先借助ECP耐壓理論將D/T-RESURF器件等效為S-RESURF器件,從而建立了二維場勢分布模型。在對二維器件的耐壓特性的深入分析下,進一步研究了D/T-RESURF對表面電場分布改變的物理本質(zhì)。從而得到了P-top層,P埋層的優(yōu)化摻雜判據(jù)。研究的兩項源漏結(jié)終端效應(yīng)對器件耐壓特性的影響包括:1.場板效應(yīng)下BS/SOI橫向功率器件等效濃度耐壓理論及其模型。提出場板RESURF器件耐壓新理論。該理論認為:場板技術(shù)利用縱向MIS(Metal-Insulator-Semiconductor)結(jié)構(gòu)對漂移區(qū)表面的電荷調(diào)制作用影響了表面電場的分布,這種影響可以被等效為對ECP和特征厚度t同時的改變。從而建立了BS/SOI FP-RESURF二維場勢模型及擊穿電壓模型。利用該模型,場板技術(shù)的物理本質(zhì)被得到深入研究。從而首次提出了場板幾何設(shè)計優(yōu)化判據(jù),為理解場板效應(yīng),優(yōu)化場板技術(shù)提供了理論基礎(chǔ)。研究結(jié)果表明:同等漂移區(qū)條件下,場板設(shè)計需要在較高的漂移區(qū)優(yōu)化摻雜濃度,較小的工藝容差中尋找折衷。2.版圖效應(yīng)研究下BS/SOI橫向功率器件等效濃度耐壓理論及其模型。利用S-RESURF ECP耐壓理論及模型,針對實際橫向功率器件制造中不可避免且隨器件尺度縮小而不斷惡化的三維版圖曲率效應(yīng)致電場集聚效應(yīng),提出了BS/SOI RESURF三維耐壓理論。利用一維ECP理論,二維近似方法和柱坐標系三維Poisson方程分別建立了相應(yīng)的二維場勢分布及耐壓模型。利用這些模型研究了三維曲率效應(yīng)下表面電場的重塑效應(yīng),并研究了該重塑效應(yīng)對器件結(jié)構(gòu)參數(shù)的敏感性。首次從物理的角度解釋了曲率效應(yīng)致耐壓退化過程,并首次對曲率效應(yīng)致電場集聚效應(yīng)同時進行了定量和定性的分析。通過比較發(fā)現(xiàn):一維ECP模型在不顯著降低二維場勢模型及耐壓模型精度的前提下,得到了簡單明確的物理意義。所得出的優(yōu)化判據(jù)對抑制三維曲率效應(yīng)的不良影響,優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)參數(shù)提供了有效、便捷的工具。通過提出并使用等效濃度分布理論,傳統(tǒng)模型無法解釋的表面電場峰谷交替的現(xiàn)象得到了定性和定量的解釋。所建立的二維場勢模型和耐壓模型簡單、準確。通過等效濃度分布理論,D/T-和FP-RESRUF技術(shù)的物理機理得到解釋,3-D曲率效應(yīng)的物理本質(zhì)也得到研究。
【圖文】：

彼時 J.A.Appels 等人的研究是針對體硅結(jié)構(gòu)年代，由于 SOI 技術(shù)的興起，Y.S. Huang 和 B. J. B引入到了 SOI 橫向功率器件的設(shè)計當中[8]。與體硅獲得優(yōu)化的表面耐壓，從而在 Y.S. Huang 和 B. J. 條件下高達 600V 的器件耐壓。dNN PappVGNDSubstrateSVN Source GateDrainSV(a) 圖 1.3 具有 RESURF 結(jié)構(gòu)的(a).體硅Source GateDrain4

Distance(μm)(a) (b)圖 2.1 體硅 LDMOS 和 SOI LDMOS 二維等勢線分布比較SOI S-RESURF 等效濃度分布理論及模型通過上節(jié)可知，對 BS/SOI 的 RESURF 耐壓理論研究有兩個難點：1.模型復(fù)雜度和準確度的矛盾問題； 2. BS/SOI 耐壓理論的統(tǒng)一問題。在這一節(jié)我們將通過提出等效濃度分布理論來解決。ECP 理論認為：耐壓技術(shù)（如 RESURF 技術(shù)）對橫向功率器件擊穿電壓的提升的本質(zhì)是對耐壓結(jié)構(gòu)(漂移區(qū))之二維電荷分布即等效濃度分布(ECP)的重塑。本節(jié)，，考慮到由于BOX 層的存在阻隔了外延和襯底層的電氣連接從而避免了較為復(fù)雜的襯底耦合效應(yīng)。因而，我們將在本節(jié)從 SOISingleRESURF 橫向功率器件出發(fā)，首先提出 ECP 理論并通過數(shù)學推導(dǎo)以介紹其構(gòu)建過程，并深入研究 S-RESURF 效應(yīng)對漂移區(qū) ECP 和二維場勢分布的影響。進一步，建立其擊穿電壓模型并與數(shù)值仿真結(jié)果進行驗證。最后，提出 SOI RESURF 判據(jù)。圖 2-2(a)給出了一個典型的 SOI RESURF LDMOS 結(jié)構(gòu)。在其反向工作狀態(tài)下(Vd=Vapp,
【學位授予單位】：南京郵電大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN40


本文編號：2649966