（微电子学与固体电子学专业论文）pdp扫描驱动芯片用高压器件研究.pdf

摘要 摘要 s o i ( s i l i c o n o n i n s u l a t o r ) 高压l d m o s ( l a t e r a ld o u b l e d i f f u s e dm o s f e t ) 器件具有寄 生电容和隔离面积较小，与体硅工艺兼容以及完全介质隔离等优点，由其组成的高压驱动电 路可以将前级低压控制信号转换为高压驱动信号，形成维持发光的点火高压和所需的维持脉 冲以实现p d p ( p l a s m ad i s p l a yp a n e l ) 显示器的图像显示。 本文设计应用丁p d p 行扫描驱动芯片的s o i 高压l d m o s 器件和隔离结构。借助i ：艺 模拟软件t s u p r e m - 4 和器件特性模拟软件m e d i c i ，模拟优化设计高压器件和隔离结构的 主要工艺结构参数，作为后续测试流片的依据和参考。 本文提出的高压器件和隔离结构经过软件t s u p r e m - 4 和m e d i c i 模拟仿真后，得剑主 要参数如卜j ：s o ln l d m o s 关态耐压2 5 2 v ，阂值电压1 1 v ，开态饱和电流9 2 1 0 巧a g m ； s o ip l d m o s 关态耐压2 4 8 v ，阈值电压2 5 v ，开态饱和电流2 5 1 0 1 v g r n ；s o i 槽隔离结 构耐压2 2 0 v 。以上各参数满足p d p 行扫描驱动芯片设计指标要求。 此外，本文还设计开发了一套适用于p d p 行扫描驱动芯片的s o ic d m o s 高低压兼容工 艺流程，满足所设计高压器件和隔离结构的：r 艺要求。 关键词：p d p 、高压功率集成电路、高压s o ll d m o s 、槽隔离结构、s o ic d m o st 艺 a b s t r a c t a b s t r a c t b e c a u s eo fi t sa d v a n t a g e ss u c ha ss m a l lp a r a s i t i cc a p a c i t a n c ea n di s o l a t i o na r e a ，e x c e l l e n t c o m p a t i b i l i t yw i t l lb u l k - s i l i c o np r o c e s sa n dc o m p l e t em a t e r i a li s o l a t i o n ，s o i ( s i l i c o n - o n i n s u l a t o r ) h i g h v o l t a g el d m o s ( l a t e r a ld o u b l e d i f f u s e dm o s f e t ) ，c a l lc o n s t i t u t et h eh i g h - v o l t a g ed r i v e r i cw h i c hc a nc o n v e r tt h eo r i g i n a ll o w - v o l t a g ec o n t r o ls i g n a l si n t ot h eh i g l l v o l t a g ed r i v e rs i g n a l s a n dr e a l i z et h ei m a g ed i s p l a yo fp d p ( p l a s m ad i s p l a yp a n e l ) t h e s o ih v 二l d m o sa n di s o l a t i o ns t r u c t u r eu s e di np d ps c a nd r i v e ri c a r ep r o p o s e di nt h i s t h e s i s w i t ht h ea s s i s t a n c eo fp r o c e s ss i m u l a t i o ns o f t w a r et s u p r e m - 4a n dd e v i c ec h a r a c t e r i s t i c s i m u l a t i o ns o f t w a r em e d i c i t h ep r o c e s sa n ds t r u c t u r ep a r a m e t e r so fl d m o sa n di s o l a t i o n s t r u c t u r ea r eo p t i m i z e d f i n a l l y , t h eo p t i m u mp a r a m e t e r so fd e v i c e sa n di s o l a t i o ns t r u c t u r ea r e o b t a i n e d ，w h i c ha r et h ef o u n d a t i o na n dr e f e r e n c eo ft h ef o l l o w i n gt a p e - o u t a f t e rt h es i m u l a t i o no ft h eh v 二l d m o sa n di s o l a t i o ns t r u c t u r eb yt s u p r e m - 4a n dm e d i c i i nt h i st h e s i s t h ep a r a m e t e r sa r eo b t a i n e da sf o l l o w s ：s o in l d m o s ：b r e a k d o w nv o l t a g ei s2 5 2 v , t h r e s h o l dv o l t a g ei s1 i v , a n do n s t a t es a t u r a t i o nc u r r e n ti s9 2xl0 。a p m ；s o ip l d m o s ： b r e a k d o w nv o l t a g ei s2 4 8 vt h r e s h o l dv o l t a g ei s 2 5 va n do n s t a t es a t u r a t i o nc u r r e n ti s2 5 1 0 1 a g m ；s o it r e n c hi s o l a t i o ns t r u c t u r e ：b r e a k d o w nv o l t a g ei s2 2 0 v t h ep a r a m e t e r sa b o v ea r ev e r y s a t i s f y i n ga n ds u i t a b l ef o rt h ed e s i g no fm ep d ps c a nd r i v e ri c t h es o ic d m o sp r o c e s sf l o ws u i t a b l ef o rt h ep d ps c a nd r i v e ri ci sa l s od e s i g n e da n dp u t f o r w a r d w h i c hs a t i s f i e st h ep r o c e s sd e m a n do ft h ed e v i c e sa n di s o l a t i o ns t r u c t u r e k e yw o r d s ：p d p , h v i c ，h i g h v o l t a g es o il d m o s ，t r e n c hi s o l a t i o n ，s o ic d m o sp r o c e s s i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所旱交的学位论文是我个人在导师指导f 进行的研究t 作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同- t 作的同忐对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电 子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：导师签名：邈日期：盟：业 第一章绪论 第一章绪论 本章主要对p d p 显示器和高压功率集成电路的应用发展背景、现状以及s o i 高压功率 集成电路和s o i 高压功率器件进行了介绍，最后详细说明了本文的主要t 作和论文结构。 1 1p d p 显示器的应用与发展 p d p 显示器作为平板显示器中的重要一员，具有平板化、高清晰度、火屏幕显示尺寸、 超薄壁挂节省空间、高画质色彩鲜艳、宽视角和寿命长等优点。冈此，p d p 显示器已成为 未来大尺寸多媒体家电的最有力竞争者之一【l 棚。 p d p 显示器除了具有上述优点外，与目前两种主流显示器l c d 和c r t 相比，还具有以 下一些特点：响应速度快，可以实现即时显示和大型显示，并且制造工艺相对简单( 与l c d 相比) ；工作电压低，轻型化即薄型化，不受磁场影响，无辐射( 与c r t 相比) 。冈此，p d p 显示器除了可以连接d v d 、录像机和摄影机等传统视听设备外，还可以直接和个人电脑、 电子游戏机连接，通过外置的机顶盒和调谐器还可以连接剑有线电视、卫星电视和高清晰度 电视等不断发展的多媒体显示终端。作为个人电脑和消费性电子产品之间的桥梁，p d p 显 示器的具体应用十分，“泛，主要应用领域有：交通设施、娱乐及市政服务、医疗、金融和家 用掣7 - 8 1 。 由于p d p 显示器具有以上特点以及，“泛的应用领域，所以它必将成为未来具有竞争力的 新一代显示器。p d p 驱动芯片作为p d p 显示器的重要组成部分，其作用是施加定时和周期 性的脉冲电压和电流，使p d p 显示器能够正常发光显示，因此p d p 驱动芯片对于p d p 显示 器的正常t 作至关重要。此外，目前p d p 显示器的制造成本太高，直接导致其销售价格高 于普通家庭的购买力。而在整个p d p 显示器成本当中，p d p 驱动芯片的设计制造成本约占 3 5 左右，冈此，对y - p d p 驱动芯片的研究对降低p d p 显示器成本也有着十分重要的意义。 综上所述，为了保证p d p 显示器正常工作，同时降低其价格成本，必须提高p d p 驱动芯片 的性能和可靠性。 1 2 高压功率集成电路的发展 高压功率集成电路( h v i c ) 是指将高压功率器件、控制电路和信号处理电路等集成在 同一芯片上的特殊集成电路。在过玄近二十年中，高压功率集成电路得到了极人的发展，其 应用领域也在迅速发展扩大，目前已经广泛应用于马达驱动、电源管理、汽车电子和平板显 示驱动等领域当中。 h v i c 最早出现于上世纪七十年代后期。1 9 8 0 年，c c i n i 等人就实现了具有过温，短路 和过载等保护功能的功率集成电路，主要用于电源管理电路和汽车电子一j ，从而开启了功率 集成电路发展的篇章。不过由于当时的集成功率器件人多采用双极型器件，因此需要很大的 驱动电流，冈此其应用领域受到很大的限制。 八十年代，功率m o s f e t ，i g b t 等新型器件相继问世，不仅克服了双极犁器件存在的 缺点，而且具有输入阻抗高、栅控制特性好和驱动简单等优点，这给h v i c 带来了快速发展 的机遇，但是由于受当时工艺水平和成本的限制，h v i c 主要还是应用丁高成本高性能的军 事和通讯领域当中，其民用市场也主要集中于汽车电子、计算机和电源管理等高端领域。进 入九十年代后，随着工艺水平和设计能力的不断提高，h v i c 在性能提高的同时成本得到进 一步降低，各式各样的h v i c 产品不断涌现，其应用范围也不断扩大，成为功率半导体行业 发展最为迅速的方向之一。 进入- 二十一世纪后，随着人们生活水平的不断提高，电子产品对于体积，性能，可靠性 和成本等方面不断提出新的要求。在这种形势f ，以s o i 为代表的一系列新技术开始普遍 东南大学硕士学位论文 应用于h v i c 的开发设计中，从而使得半导体产业依然按照m o o r e 定律的走势继续前进。 1 3s o l 高压功率集成电路简介 1 3 1s o l 基本结构 s o i 指的是绝缘体上硅，它是一种具有独特的“硅绝缘层硅”三层结构的新型硅基半 导体材料，其中绝缘层一般采用二氧化硅( s i 0 2 ) 介质，s o i 基本结构如图1 1 所示。近年 来，s o i 新技术的研究得剑了j 泛关注：美国国防部专门制定了s o i 材料在集成电路中的应 用计划；日本把s o i 技术的研究作为1 2 项基础技术开发课题之一；s o l 技术在国际上普遍 被认为是“_ 二十一世纪的硅基础集成电路技术之一”。 s i 雕薹鬻| ；鬻斌：! ii i i i ii i ! ii ! ii ! t ! ! s i s u b s t r a t e 图1 1s o i 基本结构剖面图 s o i 和体硅c m o s 器件的结构如图1 2 ( a ) 、( b ) 所示，二者的不同之处在于：体硅结 构中，器件和衬底直接连接，各个器件之间的隔离一般通过反偏p n 结隔离实现；s o i 结构 则可以实现有源层和衬底之间，各高低压器件单元之间的完全介质隔离，同时隔离面积相对 反偏p n 结隔离大大减小。 ( a ) ( b ) 图1 2c m o s 器件结构示意图：( a ) s o i ；( b ) 体硅 1 3 2s o i 材料制备 s o i 技术已经有三十多年的历史，其雏形是六十年代的蓝宝石上外延硅( s o s ： 2 第一章绪论 s i l i c o n - o n s a p p h i r e ) ，晟初的研究主要集中于军用和航天等高科技领域。但是由于蓝宝石的 高额成本和顶层硅的缺陷密度相对丁二体硅更高，限制了s o s 最小尺寸的加r = 而不适合复杂 结构的器件应用。采用硅衬底代替蓝宝石开发的绝缘体上硅技术，可有效的代替s o s ，用 于低功耗、低压、抗辐射、耐高温电路和传感器以及小尺寸高性能的c m o s 丁艺超薄器件。 研究表明，s o i 电路的抗辐射强度比体硅电路提高了1 0 0 倍。 s o i 技术的发展是根据其衬底技术来划分的，可以分为三个阶段：首先是在六十年代， s o i 技术第一次在s o s 结构上实现，用丁设计开发微处理器电路；第二阶段是在八十年代 初期，出现在硅衬底上实现s o i 结构的新型技术，即注氧隔离技术；第二阶段是在八十年 代中期，键合等新犁技术开始应用于s o i 圆片制造当中。现在，s o i 技术的应用领域已经逐 渐从军用、航天和：j ：业扩展剑数据处理、通信和消费电子领域。 s o i 技术的j 泛应用很大程度上取决ts o i 圆片制备技术的不断发展。目前，随着注氧 隔离，硅片直接键合和注氢键合等s o l 圆片制备技术的日益成熟【1o 】，s o i 材料的制备成本 不断降低。 ( 1 ) 注氧隔离技术 注氧隔离技术是发展最早的s o i 圆片制备技术之一，此技术是在普通硅材料圆片的层间 注入氧离子，经超过1 3 0 0 高温退火j 罱形成隔离埋氧层。注氧隔离技术有两个关键步骤： 高温氧离子注入和后续超高温退火。在注入过程中，氧离子被注入到硅圆片中，形成硅的氧 化物沉淀。然而离子注入对圆片造成相当大的损伤，而二氧化硅沉淀物的均匀性也不是很好。 随后的超高温退火t 艺能帮助修复圆片的损伤区域，并使得一二氧化硅沉淀物形成界面陡峭均 匀的二氧化硅绝缘层，即埋氧层。注氧隔离技术的简要：i = 艺流程如图1 3 所示。 注氧隔离技术的缺点在丁长时间大剂量的氧离子注入，以及后续的k 时间超高温退火工 艺，导致s o i 圆片材料质量及其稳定性和成本方面难以得到有效的突破，这是目前注氧隔离 技术难以得到产业界完全接受和大规模应用的根本原冈。注氧隔离的技术难点在于颗粒控 制、埋氧层特别是低剂量埋氧层的完整性、金属沾污、界面粗糙度以及表层硅中的缺陷等， 特别是圆片质量的稳定性很难保证。 s i 蘸篓薹趣蓑黧 s i 图1 3 注氧隔离技术t 艺流程图 ( 2 ) 硅片直接键合技术 通过在硅和二氧化硅或者二氧化硅和二氧化硅之间使用键合技术，两个圆片能够紧密的 键合在一起，并且在中间形成二氧化硅层充当绝缘层。s o i 圆片在此键合圆片的一侧削薄至 所要求的厚度后制成。硅片直接键合技术工艺过程分为三个步骤来完成：第一步是在室温的 环境下使得一热氧化圆片在另一非氧化圆片上键合；第二步是经过退火增强两个圆片的键合 力度；第二步是通过研磨、抛光和腐蚀等t 艺来减薄其中一个圆片，实现所要求的s 0 1 项层 硅厚度。硅片直接键合技术的简要上艺流程如图1 4 所示。 3 东南大学硕卜学位论文 研磨 抛光 图1 4 硅片直接键合技术丁艺流程图 硅片直接键合技术的核心问题是s o i 顶层硅厚度的均匀性控制问题，这是限制键合技术 广泛推广的根本原因，目前技术水平一般可以达至0 + - 0 5 9 m 。除此之外，键合技术的边缘控 制、界面缺陷、翘曲度控制、滑移线控制和颗粒控制等问题也是限制产业化制备键合s o i 圆 片的关键技术难点。 ( 3 ) 注氢键合技术 1 9 9 5 年，m b r u e l 利用键合和离子注入技术的优点提出注氢键合，即智能剥离技术。它 是利用氢离子注入到硅片中，在其中形成气泡层，再将注氢硅片与支撑硅片键合，经过适当 的热处理使注氢硅片从气泡层位置完全裂开，从而形成s o i 结构，简要上艺流程如图1 5 所 示。 注氢键合技术的核心在于利用氢离子注入特性结合常规键合技术，利用氢离子注入引起 的剥离性提高了顶层硅的均匀性，其它方面的上艺控制同常规键合技术类似。 氢离子注入 起泡层 s i 黔：矗琏：譬1 ：_ ! ：琴! f ：委 缓：。：q i 、o 蠢一l s i 图1 5 注氢键合技术t 艺流程图 1 3 3s o ih v l c 简介 近年来，随着s o i 材料制备技术的成熟，s o l 集成电路也得到了迅速发展。世界上第一 个真正意义上的s o i 集成电路是i b m 公司于1 9 9 9 年研制的p o w e r4 微处理器。它是在硅膜 厚度为o 1 5 p m 的s o i 材料上采用0 2 2 p r oc m o s 工艺制成。和相同条件f 的体硅c m o s 电 路相比，其速度提高了2 5 3 5 ，而功耗下降了2 3 。2 0 0 4 年，a m d 公司推出的a t h l o n6 4 位微处理器采用铜互联技术9 0 n ms o i 上艺，集成管芯数目超过亿颗，主频高达2 g h z ，代 表了s o i 技术市场化的最高水平。研究表明，随着双栅、f i n f e t 和环栅等技术的日益成熟， 栅长小于1 0 n m ，沟道厚度小于5 n m 的s o ic m o s 结构仍然可以保持良好的开关性能，这对 于解决超大规模集成电路的功耗问题有着重要意义。 4 第一章绪论 除了应用丁通用和专用低压逻辑电路领域外，s 0 1 技术因其优越的性能也在高压功率集 成电路中得剑广泛的应用。s 0 1h v i c 通过绝缘蜱层( 一般为二氧化硅) 和槽隔离结构实现 了器件之间的的全介质隔离，在器件性能上具有以下优点【l u j ： ( 1 ) 减小了寄生电容，提高了运行速度，与体硅材料相比，s 0 1 器件的运行速度提高了 2 0 一3 5 ： ( 2 ) 具有更低的功耗，由丁减小了寄生电容，降低了漏电，与体硅材料相比，s o l 器件的 功耗可以减少3 5 7 0 ； ( 3 ) s o l 隔离结构的面积相比丁体硅隔离结构大人减小，降低了集成电路芯片的成本； ( 4 ) 从根本上消除了器件之间的闩锁效应和串扰现象； ( 5 ) 与现有体硅外延j 二艺兼容，可以减少1 3 2 0 的工序。 根据顶层硅的厚度，s o lh v i c 一般分为两种：一是顶层硅厚度只有几个微米或更小的 薄膜s 0 1h v i c ；另一种是顶层硅厚度为几十微米的厚膜s o lh v i c 。较厚的项层硅有利于 实现耐压较高，电流较大的高压功率器件，但是必须使用深槽隔离工艺技术实现隔离，增大 了隔离f ：艺难度。薄膜s o lh v i c 由于顶层硅只有几个微米，甚至更小，使用干法刻蚀沟槽 工艺，甚至局部氧化t 艺( l o c o s ：l o c a l i z e do x i d a t i o no fs i l i c o n ) 就可以很方便的实现器 件的横向隔离，并且隔离区面积较小。此外，较薄的顶层硅也更容易集成逻辑控制电路。 目前，s o lh v i c 在整个集成电路产业中，已经开始扮演越来越重要的角色，而s o l 高 压横向器件更是p d p 高压驱动芯片的最佳选择【1 1 。1 3 】。2 0 0 7 年，在i s p s d ( i n t e r n a t i o n a l s y m p o s i u mo np o w e rs e m i c o n d u c t o rd e v i c e s & i c s ) 年会上，f u j i 公司推出了其最新设计研 发的第六代p d p 扫描驱动用s o lh v i c 芯片及其中的横向高压器件l l 引，耐压达到2 5 0 v ，并 使用了l i g b t 器件提高芯片的电流能力。 1 4s o l 高压功率器件的研究发展现状 随着s o lh v i c 的不断发展，基于s o l 材料的高压功率器件逐渐成为研究开发的重点。 由于横向高压功率器什在h v i c 中所起到的重要作用，包括s o ll d m o s ，s 0 1l i g b t 在内 的各种s o l 横向高压功率器件，更是重要的研究对象。研究内容主要包括耐压结构研究， 以及与其相对应的器什特性研究。 ( 1 ) s o i 二极管 s 0 1 二极管分为横向肖特基二极管、横向p i n 二极管以及横向肖特基与p i n 混合二极管， 其基本耐压结构均为r e s u r f 结构。图1 6 是横向肖特基与p i n 混合二极管的结构示意图， 与横向p i n 二极管相比，它具有更好的反向恢复特性，并且其正向压降较高。 c a t h o d e 厂j l a n o i ii -ll i in + p + p + i 一 p + n d r i f t 雕i 。：j j l 五叠i 塞薹i 薹美囊登霹嚣薹薹i 薹；篡i ：琏强譬l ；譬强 l 点l 曼囊l 蠢0 凌 p s u b e 图1 6 横向肖特基与p i n 混合二极管的结构示意图 5 东南大学硕：t 学位论文 ( 2 ) s o il d m o s 与s o ll i g b t 由于s o i 材料的众多优点，目前体硅l d m o s 器件结构已经成功移植到s o i 材料上， l d m o s 制造在埋氧层上，可以消除体硅l d m o s 器件中的p n 结漏电流，减小寄生结电容， 提高器件的速度和增箍【l5 | 。厚膜s o ll d m o s 用于高压功率集成电路中，可以承受7 0 0 v 以 上的j ：作电压：薄膜s o ll d m o s 也已经广泛应用丁二功率集成电路和射频集成电路1 1 6 1 。 s o il i g b t 与s o il d m o s 在结构上的不同之处在于将l d m o s 中的漏极n + 改为p + ，这 - - d , d , 的改变却使得l i g b t 器件特性发生质变。当l i g b t 正向导通时，人量空穴从p 十注入 到n - 漂移区，利用电导调制效应使得器件的导通电阻氏。人大降低，从而解决了l d m o s 所 固有的器件耐压与导通电阻之间的矛盾。然而值得注意的是，l i g b t 在正向导通期间n 。漂 移区中大量少子的注入，在降低器件导通电阻k 的同时，也造成l i g b t 在关断过程中明 显的电荷存贮效应，从而导致关断时间的延长。s o ll d m o s 和s o il i g b t 的结构如图1 7 所示。 孽謦侧哆：军害i ；：= ：一飞曩 趟出 1 氍矗t i i i 王! i 0 0 0 1 i ! ：0 0 王j j 川nj p b o d y n e p i ! ：! ：麟誓露露譬鬻露量臻 篓：；：二：二：二：； p s u b ( a ) ( b ) 图1 7s o l 器件结构示意图：( a ) s o il d m o s ；( b ) s o il i g b t ( 3 ) 其它s o l 高压功率器件 目前j “泛应用于s o ih v i c 中的高压功率器件还包括：横向绝缘栅p i n 晶体管1 7 】，横向 双极模式场效应管等等。 1 5 本文的主要工作和论文结构 本文的主要工作是设计适用于p d p 行扫描驱动芯片的高压功率器件以及高低压隔离结 构，并针对p d p 扫描驱动芯片等2 0 0 vs o i 高压功率集成电路，设计开发2 0 0 vs o lc d m o s 高低压兼容工艺流程。 6 第一章绪论 使用t s u p r e m - 4 软件模拟器件工艺，使用m e d i c i 软件模拟器件电学特性，对器件进 行反复模拟优化，得出器件各个参数的最优值。预期器件设计指标如下： ( 1 ) n l d m o s 击穿电压2 0 0 v 以上，阈值电压l v 左右，开态饱和电流5x l f f 5 a g m 以上： ( 2 ) p l d m o s 击穿电压2 0 0 v 以上，闽值电压小于1 0 v ，开态饱和电流5 1 0 巧a g m 以上； ( 3 ) 高低压隔离结构耐压2 0 0 v 以上。 论文的主要结构如下： 第一章绪论，简要介绍p d p 显示器和高压功率集成电路的发展历史以及新兴的s o i h v i c 和s o l 高压功率器件的发展现状，简要说明了本文的主要上作和论文结构； 第一二章s o i 高压器件及其隔离结构理论分析，首先提出s o i 高压功率器件的j f 作和设计 原理，然后介绍了目前主流的s o i 结构隔离技术及其主要优缺点； 第三章s o i 高压器件模拟优化设计，利用模拟仿真软件t s u p r e m - 4 和m e d i c i ，对高 压s o il d m o s 的具体参数进行模拟优化，达到预期设计指标； 第四章s o i 槽隔离结构模拟仿真，设计实现满足2 0 0 v 耐乐要求的s o i 槽隔离结构； 第五章p d p 行扫描驱动芯片t 艺流程设计，设计开发一套适用于p d p 行扫描驱动芯片 的2 0 0 vs o ic d m o s 高低压兼容j 二艺流程： 第六章总结和展望，在完成研究内容的基础上，对上作中的不足和卜一步的：i = 作进行总 结和展望。 7 东南大学硕：上学位论文 第二章s o i 高压器件及其隔离结构理论分析 本章主要介绍s o il d m o s 以及s 0 1 高低压隔离结构的理论研究设计，本章的理论分析 是后续第三，四章中模拟仿真的前提和基础。 2 1l d m o s 的基本工作原理 高压功率l d m o s 的源、漏和栅均位于芯片表面，易丁通过内部连接与低压c m o s 电路 集成，因而广泛应用于高压功率集成电路中。普通体硅n l d m o s 的结构如图2 1 所示。 图2 1 体硅n l d m o s 结构示意图 当n l d m o s 中栅极和源极短接( v g s = 0 ) 时，器件工作在关态，和普通m o s 结构一样， 由于栅极r 没有形成沟道区，器件处丁截止态；当n l d m o s 中栅极相对源极为正电压 ( v g s - v t l l 0 ) 时，n l d m o s 上作在开态，器件工作特性和普通m o s 类似，开态i v 曲线 如图2 2 所示。 l o s s 5 s 4 s 3 s 2 s l v d s 图2 2l d m o s 开态i v 曲线 l d m o s 与普通低压m o s 管的主要不同之处在于，l d m o s 在漏区和源区之间存在一个 高阻漂移区，在图2 1 中显示为n d r i f t 区。在高压j ：作条件下，该漂移区全部耗尽，l d m o s 耐压水平主要取决于漂移区的设计。由于漂移区是高阻区，v d s 绝大部分落在漂移区上，故 在器件沟道夹断后，基本上没有沟道长度调制效应，在v d s 增大时，输出电阻不会降低，并 且沟道区也不会穿通。所以，l d m o s 击穿电压不会受剑沟道长度和掺杂水平的限制，可以 独立设计漂移区以决定击穿电压。 l d m o s 的闽值电压v t l l 由沟道区掺杂的峰值浓度和衬底浓度决定，所以只要控制好沟 道区注入剂餐，就能获得指定阈值电压的器件，一般工艺流程中会有专门的闽值调整注入工 艺，通过改变器件表面沟道区的注入剂量，就可以得到增强型或耗尽型的器件。 8 第- 二章s o l 高压器件及其隔离结构理论分析 2 2 器件耐压机理分析 半导体器件的击穿主要存在两种机理：雪崩击穿和隧道击穿( 齐纳击穿) 。隧道击穿主 要发生在耐压小丁7 v 的器件中，而对于本文所要设计的高压功率l d m o s 来说，器件的击 穿主要涉及的是雪崩击穿。 s o il d m o s 的耐压是本文研究中的一个关键问题，和体硅器件一样，s o il d m o s 的反 向击穿特性受两个方向耐压的影响：水平方向( 横向) 耐压和垂直方向( 纵向) 耐压。如果 在顶层硅和埋氧层厚度足够的情况f ，那么器件的耐压主要受到横向电场的影响。在s o i 结构中，由于埋氧层- 二氧化硅的击穿电场远远高于硅的击穿电场，击穿主要发生在器件的顶 层硅中。因此，类似体硅高压器件的耐压分析方法，在s o i 器件中也可以利用临界电场e c s i 来研究器件击穿问题。硅临界电场的定义是，当器件中有某个区域的电场达到该电场e c s i 时，就可以认为器件发生击穿【l9 | 。雪崩击穿的表达式如下： 产d， i 口蹴21 旬 ( 2 1 ) 式( 2 1 ) 中的电离率口是电场强度e 的强烈函数，从硅雪崩击穿的表达式中可以看出， 积分项的主要贡献来自电离率仅在最大电场厶及其附近的值，从而限制了厶的变化。因此， 虽然各种器件形式中电场分布不同，但是击穿时的既值却差不多。将该电场定义为l 临界电 场e c s i ，能较好的反映实际情况并大大简化分析过程。 严格来讲如不是一个常数，它是杂质浓度的函剩2 0 1 ，近似经验公式可以表示为： = 4 0 l o 虬8 ( 2 2 ) 对于硅材料，可以近似的将e c s i 定为2 2 x 1 0 5 v c m 3 x 1 0 5 v c m 。 s o i 高压功率器件的击穿电压可以分为横向击穿电压和纵向击穿电压，根据上述临界电 场的概念，可以将其简化为研究分析器件的横向电场分布和纵向电场分布，当其中一个方向 的峰值电场首先达到硅层的临界击穿电场e c s i 时，器件发生击穿。 2 3s o ll d m o s 主要参数设计 在第一章中已经介绍过，s o i 高压功率集成电路可以分为薄膜和厚膜s 0 1h v i c 两种。 厚膜s o ih v i c 适用下集成耐压较高，电流较大的高压功率器件；与厚膜s o ih v i c 相比， 薄膜s o ih v i c 由于隔离槽较浅，具有更简单的隔离上艺和更小的隔离面积，更适于集成逻 辑控制电路。本文中，在实现2 0 0 v 高压器件的前提下，同时需要考虑隔离结构等1 = 艺技术 的难度，因此采用中等膜厚( 5 1 0 9 m ) s o i 材料设计高压功率器件，为以上两者的折衷。 在中等膜厚s o ih v i c 的研究中，如何正确处理设计满足要求的高性能高压功率器件和 尽苗降低：l = 艺技术难度之间的矛盾是研究的重点。在本二节中，以项层硅中等膜厚s o i n l d m o s 为例，介绍器件主要。t j 艺参数和电学指标参数的理论分析方法。 2 3 1r e s u r f 原理及漂移区设计 与体硅或外延横向高压功率器件相似，s o i 横向高压功率器件主要利用r e s u r f 原理来 优化器件的击穿电乐和导通电阻。1 9 7 9 年，j a a p p l e s 等人首先提出外延层上设计横向高压 器件的r e s u r f ( r e d u c e ds u r f a c ef i e l d ) 原理【2 m 羽，利用器件中电场分布的二维效应，通 过调节衬底和外延层的掺杂浓度，可以使器件表面电场强度在达到临界击穿场强之前外延层 就已经全部耗尽，由于外延层耗尽区中的电场与衬底耗尽区中电场的相互作用，使得表面电 场强度降低，击穿点由器件表面转移到体内，器件的击穿电压提高l l 圳，如图2 3 ( a ) 所示。 9 东南人学硕士学位论文 ( a ) 4 8 0 v 3 5 0 v 2 0 0 v 1 2 0 v 0 v 2 0 0 v 15 0 v lo o v 7 0 v 5 0 v ( b ) 图2 3r e s u r f 原理示意图：( a ) 外延结构；( b ) s o i 结构 对于体硅或外延器件而言，当k 极电压升高时，由于衬底掺杂浓度较小，在垂直方向上 耗尽层主要向衬底扩展，即衬底承受了大部分电压；同时由于n e p i 和p w e l l 构成的横向p n 结，其耗尽层向n e p i 区横向扩展。通过优化设计n e p i 区的掺杂浓度和外延厚度，使得n e p i 区的耗尽主要是由丁垂直方向的反向偏置n e p i p s u b 结造成的，而不是由于横向反向偏置的 n 印i p w e l l 结造成的。这样就使得在n 印i p w e l l 反向p n 结附近的峰值电场达到临界击穿 电场之前，整个漂移区( n e p i ) 就已经全部耗尽，从而得到电势分布均匀的表面电场。在这 种情况f ，雪崩击穿不再发生在表面，而是转移到n 印i p s u b 的体内p n 结。这时器件的关 态击穿电压取决于n e p i p - s u b 结的击穿电压【2 3 | ，由式( 2 3 ) 给出： b v e p i s u b 蔫 其中e f 是临界电场，由式( 2 - 4 ) 给山： 臣= 9 5 x 1 0 2 j - i 6 式( 2 - 4 ) 中的n e f f 称为外延衬底结的有效掺杂浓度，它可以表示为： 。t n e 嘛x ns 油 2 蒇 ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) 其中和m 曲分别为n 一印i 和p - s u b 的杂质掺杂浓度。 从式( 2 5 ) 中可以看出，从提高n 一印i p - s u b 体内p n 结击穿电压的角度，外延层n - e p i 杂质浓度越小越好，但是随着的减小，器件的导通电阻就相应增人。通过合理选择参数， 1 0 第二章s o l 高压器件及其隔离结构理论分析 r e s u r f 原理能够实现横向耐压1 5 v g m 。 1 9 9 1 年，y s h u a n g 和b j b a l i g a 将r e s u r f 原理应用于s o l 器彳牛【2 4 】，如图2 3 ( b ) 所 示。n + 区外加正电压时，横向p 十n n + 二极管和纵向底部埋氧层将分别产生两部分耗尽区，一 个位于p + n 结附近，另一个位于底部埋氧层上方，并在其上形成反型层。随着n + 区正向电压 的增大，这两部分耗尽区相连并相互交迭，反型层中的空穴将被强电场扫走而使得反型层逐 步消失。通过调节s o l 顶层硅的厚度和浓度，可以使表面电场强度在达到临界击穿场强之 前s o l 顶层硅就已经全部耗尽。由于这两部分耗尽区中电场的相互作用，使得表面电场降 低，从而使击穿点从器件表面转移剑体内底部的埋氧层界面，提高器件的击穿电压。 对于体硅结构而言，底部耗尽区是由n 型外延区n - e p i 和轻掺杂p 型衬底p - s u b 所形成的 p n 结产生，轻掺杂p 型衬底承受了高反向电压；而在s o i 结构中，底部耗尽区是由埋氧层 和顶层硅n e p i 产生，承受高压的是埋氧层。 2 3 2 沟道区设计 首先对s o ln l d m o s 的沟道区长度和杂质浓度进行理论分析，器件的沟道长度一般取 决于所用l 艺流程的最小线宽。如果沟道长度过小，会在高压- 作下引起器件穿通击穿；如 果沟道长度过长，则会引起n l d m o s 导通电阻的增大，降低器件的开态上作电流。假设沟 道杂质浓度为地，漂移区浓度为n o ，外加电压为，根据缓变结的泊松方程，可以得到 耗尽层在沟道区的展宽距离此为： l 幽x c h = ( 2 6 ) 其中为缓变p n 结的接触电势差。 由于本文中采用的是中等膜厚s 0 1 材料，s o i 器件阈值电压特性和体硅器件类似，并不 受器件埋氧层耗尽区的影响。s 0 1 n l d m o s 的闽值电压由式( 2 7 ) 给出【2 5 】： = 铊办+ 协7 ， 式中，是平带电压，n a 是硅膜中的掺杂浓度，哆是体费米势，矽，= k r l n ( n a n i ) q ， 为嗽= 2 毛p 矽，+ 圪) ( q n , ) 为最大耗尽层宽度，v t , 为加在体硅衬底的电压，c o 是正 面栅氧化层电容。 闽值电压的大小直接决定了高压l d m o s 器件在一定上作电压下的电流大小，冈此要根 据实际需要的一l 作电流对器件沟道进行设计。 2 3 3 顶层硅和埋氧层厚度设计 对于s 0 1l d m o s 器件击穿电压b v ( b r e a k d o w nv o l t a g e ) 的设计，主要足研究横向表 面击穿电压b v 。和纵向s o s 结构击穿电压b v ，。对于中等膜厚的s o ll d m o s 器什，纵向 耐压b v v 可以由泊松方程和高斯定理求得，在硅( s i ) 和埋氧层( s i 0 2 ) 界面上，不考虑界 面电荷的影响，有： 占所e y 嗣= 占靠e y 甜 ( 2 - 8 ) 其中硅的相对介电常数为酽1 1 9 ，二氧化硅的介电常数为e o x = 3 9 ，所以在界面上的纵向电 场分布为： e r “3 e ) ，s i ( 2 9 ) 东南大学硕仁学位论文 器件顶层硅中纵向电场最高点是在硅和二氧化硅界面处，当该点电场强度达剑临界电场 e c s i 时器件发生击穿，冈此纵向击穿电压可由式( 2 1 0 ) 近似给出 2 4 】： b 。一豢“3 e “。 ( 2 1 0 ) 式( 2 1 0 ) 中岛为器件漏端下方顶层硅膜厚度，为埋氧层厚度，盹为顶层硅的杂质 浓度，e c s i 为硅层临界电场，鼬为硅的相对介电常数，d 为真空介电常数。 由式( 2 1 0 ) 可以看出，s o i 器件的纵向击穿电压与硅层厚度和埋氧层厚度密切相关。 埋氧层中的临界击穿电场远高于硅层的临界击穿电场，但是由于高斯定理的限制，埋氧层中 的电场不能太高，所以器件的纵向耐乐难以达剑很高的数值。要提高器件的纵向耐乐可以通 过增大埋氧层中的电场，使人部分外加电压由埋氧层二氧化硅承担来实现。 2 3 4 场板设计 在高压l d m o s 器件中，将栅电极在氧化层上延伸到1 1 一漂移区上方作为场板使用，是普 遍采用的耐压保护技术之一。它对表面电场有较强的抑制作用，同时场板边缘的峰值电场也 是影响击穿电压的一个重要冈素。 如图2 4 所示是一个反向p n 结在有无场板情况卜的耗尽区以及电力线分布图。在图2 4 ( a ) 中由于没有场板，随着p n 结反向电压的增加，耗尽区边界平行向p n 结两边扩展，由 于硅表面耗尽曲率较小以及缺陷等原因，容易发生击穿，因此器件击穿往往发生在表面。图 2 4 ( b ) 为有场板情况下反向p n 结耗尽图，其中场板与n + 区同电位，随着p n 结反向电压 的升高，耗尽区开始向两边扩展，由于场板对正电荷的排斥作用，p 区的耗尽层扩展比没有 场板时要大很多，从而使得电力线分布得到扩展，表面电场强度人大降低，因此p n 结的反 向击穿电压提高。 在实际应用中。场板长度不可能是无穷大的，在有限场板的边缘会存在一个峰值电场。 文献【1 9 】中认为场板边缘有一个峰值电场的理由如下：反向p n 结的场板有电力线从场板向 半导体p 区发出，在硅表面有电力线进入，这等效下硅表面有正电荷，它对电场的影响可以 看作是在无穷大的半导体中间增加了一层电荷，这些正电荷除了产生垂直丁表面的场强外， 也将产生平行于硅表面的场强。每一正电荷在其左边产生向左的电场，在其右边产生向右的 电场。所以在场板下方的多数硅表面区域内，正电荷产生的横向电场是互相削弱的。然而在 有限k 度场板的边缘，所有正电荷产生的横向电场是互相加强的，结果在那里造成一个横向 电场峰值，从而产生引起器件击穿的一个重要因素。 鳓 一嬲；绷国缵嬲嬲 一嬲“# # 。黝器嗣 毛i = ：；= ：。：= ；：s i o 垡批。；