（微电子学与固体电子学专业论文）soi阶梯掺杂ldmos的设计与实验.pdf

摘要 摘要 s o i ( s i l i c o no ni n s u l a t o r ) 高压集成电路具有无闩锁、漏电流小、抗辐射、 隔离性能好等优点，已成为功率集成电路( p o w e ri n t e 掣a t e dc i r c u i t ) 的重要发展方 向。s o i 高压横向耐压器件是高压集成电路的核心和关键，受到了国际上众多学 者的关注。近二十年来，众多学者提出了很多种器件结构和技术，为s o i 高压器 件的发展做出了贡献，但是s o i 的耐压和导通电阻的折衷问题一直是无法忽略的。 本文研究内容来源于国家自然科学基金重点项目( 项目编号6 0 4 3 6 0 3 0 ) 。围 绕s o i 阶梯掺杂l d m o s 器件的优化问题，本文从器件结构和工艺材料方面出发， 借鉴已有理论，进行了s o is i n 9 1 e i 也s u r fl d m o s 的优化研究以及s o i 阶梯掺 杂漂移区l d m o s 的优化设计及器件制备实验。 s o is i n 9 1 e r e s u i 疆效应研究。研究了s o is i n 西e r e s u r fl d m o s 的器件参 数对击穿电压和导通电阻的影响。采用数值模拟分析方法，深入研究了漂移区长 度、漂移区浓度、埋氧层厚度、顶层硅厚度、氧化层电荷以及衬底偏压对r e s u r f 效应、击穿电压和导通电阻的影响。仿真结果表明，击穿电压与导通电阻存在明 显折衷关系，因此在选择器件结构时要选择埋氧层厚度大，漂移区浓度高，在保 证击穿发生在纵向的情况下，漂移区长度越小越好。 s o i 阶梯掺杂漂移区l d m o s 的优化设计与制备实验。理论分析、数值模拟 和实验结果表明，该结构可以使表面电场变得更加均匀，有效提高器件击穿电压。 该功率器件的版图设计为圆形结构，避免了球面结的形成，有效的降低了曲率效 应造成的电场集中。在器件设计过程中，在源端和漏端都采用了多晶场板技术， 减小了表面p n 结和n n + 处的峰值电场，避免了器件在这两处过早击穿。在工艺设 计过程中，采用工艺模拟仿真方法，设计出与b c d 工艺兼容的工艺流程，而且只 需多两张掩模版也能与c m o s 工艺相兼容。 在进行高压s o iu ) m o s 的实验过程中，开发出一种新的制备厚膜s o i 材料 的制备工艺s i m o x + e p i t a ) 【i a l + s d b ，简称s e s 法。在3 岬顶层硅、1 5 岬埋氧 层的s o i 材料上成功研制了耐压为2 5 0 v ，导通电阻为1 6 f h m 2 的二阶掺杂s 0 i l d m o s ，其耐压比相同结构的均匀掺杂漂移区器件提高了5 7 ，而导通电阻下降 了1 1 。解析值、仿真值和测试值趋势一致，验证了模型的正确性。 关键词：s o il d m 0 s ，阶梯漂移区，击穿电压，导通电阻 垒!塑垡 a b s t r a c t s o ih v i c ( s i l i c o no nk s u l a t o rh i 曲v o l t a g ek t e 昏a t c dc i r 础t ) i sf h e m a i n s 廿e 锄a 1 1 dt r e n do fm ep o w e ri n t e 孕a t e dc i r c u i t ( p i c ) d u et on l ei i l l p m v e dn o 1 a t c h u p ，r e d u c e dl e a l ( a g ec u 嗍1 t ，p e m c ti m d i a t i o nh a r d n e s s ，眦di m p m v e d i n s u l a t i o n a so n eo fm ek e yd e v i c ei ns o ih c ，s 0 i1 a t e r a lh i 曲v o l t a g ed e v i c eh a sb e e nd e e p l y i n v e s t i g a t e d 血t 1 1 i sf i e l d ，h ll a t c l y2 0y e 盯s ，m a l l yn e ws 协l c t i l r e s 肌dt e c h n o l o g i e sh a v e b e e nd e v e l o p e d h o w e v e r ，t h et r a d e o 行o f b r e a 】( d o w nv o l t a g ew i ms p e c i f i co n - r e s i s t a l l c e i sa l w a 筘b e i n gr e s e a r c h e d t h 主st h e s i sw a ss u p p o r t e db y 也ek e yp r o 鲫mo f n a t i o n a ln a t u r a is c i c ef 0 u n d a 6 0 no f c h i n a i nm i sm e s i s ，廿1 e 叩t i m i z a t i o no fs o is t 印d r i f id o p i n gp m 矗l e su ) m o si s a d d r e s s e d t h ew o r ko f 吐1 ea u m o ri n c l u d e dm eo p m i l i z a t i o no fs o is i n 酉e r e s u r f l d m o sa n d ；d e s i 盟a n d 曲p l e m t a t i o no f as t 印d f id o p i n gp r o f i l e ss o iu ) m o s t h er e s e a r c ho f t l l ee f f e c to f s o is - r e s u r fj n c l u d e dt h ei m p a c to f m eg e o m e 时 p a 姗c t e r sa n dd r i f td o p m gc o n c e i l t r a t i o no nb r e a k d o w nv 0 1 t a g ea n do n r e s i s t a n c e a u m o ra 1 1 a l y z e d 血er e l a t i o n s h i pb e t w e e nm el e n 垂ha n dt h ei m p u r i t yc o n c t r a t i o no f 她f tr e g i o na n dt h i d ，m e s so f b 埘e do x i d e1 a y c ra n dt h j c h e s so fs o ia n dt h ec h a r g e so f o x i d el a y e ra 苴1 db i a sv o l t a g eo fb u l ka n db r e a l ( d o w nv o l t a g ea 1 1 do n - r c s i s t a l l c eb y 矾m e r i c a ls i m u l a t i o n t h er e s u l to fn 啪甜c a ls i m u l a t i o ni n d i c a t o dt h e 仃a d e o f ! fo f b r e a l ( d o w nv 0 1 t a g ea 1 1 do n - r e s i s t a n c e t h es d e c t i o no fs 仃u c 眦p r e f e r 也et h i c k e r b 谢e do x i d el a y e ra i l dm et h i c k e rs o i1 a y e ra i l dt h es h o n e r “f i1 g t l lw h e nm e b r e a l 【d o w nw a sh a p p e n e da tt h ei n t e r f a c eo fs o ia i l db u r i e do x i d el a y e r i ti sr e p r e s e i l t c dm e 叩t i m i z a t i o na 芏l di m p l 锄e n t a 虹o no fs t 印d r i f td o p i n gp r o f i l e s s o iu ) m o s t h e o r ya n a j y s i s ，n 啪甜c a ls 讧n _ l 】l a t i o na n de x p 商m 锄试r e s l mi n d i c a t e d t l l a t 也e 叫f a c ee l e c t r i cf i e l do f m ed c v i c ew a sr n o r eu n i f b r i l la n d 也eb r e a k d o w nv 0 1 t a g e w a si n c r e a s e de f f e c t i v e l y mt 1 1 e1 a y o u td e s i g no ft 1 1 ep o w e rd e 们c e ，ac i r c u l a rs m l c t w e w a sa d o p t e dt oa v o i d 1 es p h 谢c a lj l l i l c t i o na i l dr e d u c et h ec u r v a t i l r ee f r c c t 1 1 1t h e d e s i g no ft h ed e v i c e ，ak i n do f j u n c t i o nt e r m i n a t i o nt e c h n o l o g y ，p 0 1 y s i l i c o nf i e l dp l a t e w a si n t m d u c e da tt h ee d g eo f s o u r c ea i l dd r a i no f t l l ed e v i c e i tr e d u c c dm ee l e c 缸cf i e l d o fp nj u n c t i o n 姐dn n + a tt 1 1 eg u r f a c et oa v o i db r e a l c d o w na tt h et w op o i n t s h 1n l e l t a b s 奸a c t d e s i 弘 o ft e c h n 0 1 0 9 y ，ap r o c e s sw a sd e v e l 叩e db yt e c 上l i l 0 1 0 9 ys i m u l a t i o n ni s c o m p a t i b l e 、) l ，i t hb c dp r o c e s sa 1 1 dc o m p a t i b i ew 胁c m o sp r o c e s si fo n l yt w om o r e m a s k s d u r i n gt h ei m p l e m e n t a t i o no ft h eh i 曲v 0 1 t a g es o il d m o s ，an e wf a l ) r i c a t i o n m e m o do fm i c kb 埘e do x i d e1 a y e rw 嬲d c v e l o p e d ，s i m o x + e p i t a 】【i a l + s d b ，s e s 1 1 1 e 2 5 0 va 1 1 d1 6 q m m 2u ) m o s 、i t l lt w os t 印d r i rd o p i n gp m 丘1 e sh a v eb e e nf 如r i c a t e d o n 血e3 “m t h i c kt o ps i l i c o nn l ma i l d1 5 “m - t l l i c kb 嘶e do x i d el a y e r t h em s l l r e d r e s u l t sh a v es h o w nt h a tt h et w os t 印d o p i n gp r o f i l e sb r i n ga b o u ta ni n c r e a s ei nt 1 1 e b r e a k d o w nv o l t a g eb ya sm u c ha s5 7 ，a l l da i s oad e c r e a s emm eo n r e s i s t a n c eb ya s m u c ha s1 1 i nc o m p a r i s o nt ot h ec o n v e n t i o n a lu 1 1 i f b n n l yd o p e dd r i f td c v i c e t h e a v a i l a b i l i t yo f m ep r o p o s e dm o d e li sv “f i e db ym eg o o da c c o r d a n c eb e t w e e na i l a l ”i c a l r e s u l t s ，n _ u i n e r i c a ls i m u l a t i o n sa 1 1 de x p e r i m e n t a lr e s u l t s k e y w o r d ：s o il d m o s ，s t e pd r i 屯b r c a k d o w nv 0 1 t a g e o n - r e s i s t a i l c e n i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，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 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：童l 纽日期：弦6 年r 月如日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：塑l 丝导师签名： 日期：如 第一章引言 第一章引言 s o i ( s i l i c o no ni n s u la _ c o r ) 技术是上世纪8 0 年代发展起来的一项新集成技术， 它通过在有源层和衬底之间插入埋氧层来隔断二者之间的电气连接，提供理想的 介质隔离，大幅度降低寄生电容和漏电流，有效缓和了日益突出的工作频率和功 率损耗之间的矛盾【h 】。除此之外，s o i 电路还具有无闩锁、耐高温、抗辐射、小 尺寸效应不明显、软错误率低等优点，因此被誉为“2 1 世纪的硅集成技术”【5 。以s o i 横向高压器件为基础的高压集成电路( h i g l lv 0 1 t a g ei c ) 近年来得到迅速发展，它 集s o i 技术、微电子技术和功率电子技术于一体，为各种功率变换和能源处理装置 提供了高速、高集成度、低功耗和抗辐照的新型开关电路，在工业自动化、武器 装备、航空航天、电力电子和其它高新技术产业有着极为广泛的应用前景 6 。 。s o i 横向高压器件作为s o i 高压集成电路的基石，受到了国内外众多半导体器件工作者 的广泛关注和深入研究，并正逐步走向实用化和产业化阶段。本文从器件结构和 新材料方面出发，借鉴已有模型，采用多漂移区结构，实现了耐压2 5 0 v ，漂移区 长度2 0 “的s o i 高压器件，工艺相对简单，达到了击穿电压和导通电阻之间的良好折 衷。 1 1s o i 技术的发展概况 s o i 的发展可以追溯到上个世纪6 0 年代，1 9 6 3 年，人们在1 0 0 0 度下将硅烷 通过化学气相沉积的方法在蓝宝石上成功生长了单晶硅薄膜，形成所谓的s 0 s ( s i l i c o n0 ns 印p 1 1 i r e ) 结构【9 】。8 0 年代后，s o i 的制备技术有了突破性的进展， 多种以s i 0 2 为绝缘材料的s o i 制备方法被开发出来【”l ”。9 0 年代以后，美日俄欧 等都大力开展了多途径s o i 技术的研究工作，形成了相当的工业生产规模。同时， 各种s o i 新材料、新结构也不断涌现，已经不仅仅局限于硅结构，锗硅 坦 、砷化 镓【1 3 、氮化镓 1 4 】、碳化硅等都可以形成s o i 结构。用作绝缘层的除了二氧化硅 和蓝宝石 9 1 ，也可以采用氮化硅【1 6 】、或其中两种或几种的层迭结构 1 7 。因此， s 0 i 的涵义正由“绝缘体上硅”( s i l i c o no nm s u l a t o r ) 拓宽到“绝缘体上半导体” ( s e m i c o n d u c t o ro ni n s m a t o r ) 。 随着s o i 材料制备技术的成熟，s o i 集成电路技术也得到了迅速发展。世界 电子科技大学硕士学位论文 上第一个真正意义上的s o i 电路是i b m 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 岬的s o i 材料上采用o 2 2 岬c m o s 工艺制成。和相同条件 下的体硅电路相比，其速度提高了2 5 3 5 ，而功耗下降了2 3 1 8 。目前a m d 公司 推出的m o b i l ea m da t h l o n “6 4p r o c e s s o r4 0 0 0 + 6 4 位微处理器采用铜互连技术 和9 0 眦s o i 工艺，集成管芯数目超过亿颗，主频高达2 ，6 g h z ，代表了s o i 技术 市场化的最高水平【l 。 1 2s o i 材料制备技术 目前的s o i 材料制备技术主要是指制备以二氧化硅为绝缘层，以硅为衬底层 和有源层的s o i 材料。当前已经开发出多种技术制备s o i 结构，如智能切割 ( s m a n c u t ) ”、氧注入隔离( s i m o x ，s 印a r a n o nb yh n p l a n t e do x y g e n ) 、硅片直接键 合减薄法( s d b ，s i l i c o nd i r e c tb o n d i n g ) 、外延层转移( e l t r a n ，e p i t a ) 【i a ll a ”r t r a l l s f 醯) 、外延横向覆盖生长( e l o ，e p i t a ) 【i a ll a y e ro v e r - g r o w 1 ) 、蓝宝石上外延 硅技术( s i l i c o n o n s a p p h i r e ，s o s ) 、熔化横向生长等。其中前四种技术已经日趋成 熟，可以获得性能优越的s o i 材料，并实现了市场化。据报导，s o i t e c 在规模生产 方面具有垄断地位，在业界的份额达8 4 1 ，该公司的专利技术是s m a r tc u t 。 1 2 1 智能切割技术( s m a r tc u t ) 如图1 1 ，工艺流程包括离子注入h + 、室温键合、热处理剥离和化学机械精密 抛光等。这种方法制得的硅片的顶部硅膜的均匀性相当好，埋氧层完整。另外， 硅片剥离后，还能重新回收使用，降低了生产成本，由于s m a n c u t 技术兼具s d b 和s i m o x 的优点，所以这是一种极有前途的s o i 制备技术1 2 0 1 。因此适用于制备 薄硅膜、厚埋氧层材料。 1 2 2 氧注入隔离技术( s l m o x ) 如图1 - 2 ，工艺流程主要包括氧离子注入和高温退火2 个过程，利用这种技术 可以采用s i m o x 技术制备的硅膜均匀性较好，调整氧离子注入剂量可使厚度控制 在5 0 4 0 0 n m 的范围。但是这种技术的成本太高。由于氧离子注入深度有限，因 此采用s d 订0 x 技术制备的顶层硅膜通常较薄，为此，人们采用在s i m o x 基片上 外延的方法来获得较厚的顶层硅，即所谓的e s i m o x ( e p i t a x i a ls i m o x ) 技术。 第一章引言 美国的i b i s 公司年产8 英寸的s i m o x 晶片6 万片，并制造了商业的新一代专用 大束流离子注入设备；上海的新傲科技有限公司作为国内唯一拥有包括大束流注 氧专用离子注入机在内的s “o xs o i 材料生产线的公司，能生产4 6 英寸s 玎“o x 和e s i m o xs o i 材料”。 图卜1s m a r tc u t 工艺流程 图卜2s i m 0 x 工艺流程 1 2 3 硅片宣接键合法技术( s d b ) 该技术由m m 的j a s k y 于1 9 8 6 年首次报道【2 3 1 ，如图1 3 ，工艺流程主要包括 键合和减薄2 个步骤，利用这种技术可以制得厚膜厚埋氧层s 0 i 材料，而且成本 低，但是顶层硅膜的厚度较难控制，限制了其应用。国内中国电子工业总公司2 4 研究所和东南大学等单位也开展了s d b 法制备s o i 材料的研究。 1 2 4 外延层转移技术( e l t r a n ) 如图1 - 4 ，工艺流程主要包括硅片的阳极极化，外延和热氧化，键合，减薄， 氢退火几个步骤。利用这种方法可以制得薄膜和厚膜s o i 材料，而且埋氧层通过 热氧化生产。此技术使得顶层硅和埋氧层厚度的设计具有一定的灵活性，从几十 微米的厚层到几十纳米的甚薄层均可以通过改变生长条件而不需任何特殊的设备 或过程就能得到2 4 1 。 目剡日 电子科技大学硕士学位论文 图卜3b e s 0 i 键合流程 图卜4e l t r a n 工艺流程 总之，成本是限制s o i 材料商业化的主要因素，改进工艺一直是研究的主要方 向，同时各种制备s o i 材料的方法也朝着薄膜化和商业化方向在研究。 1 3s o i 高压器件的研究现状 如何改善s o i 高压器件的耐压，也是国际上众多器件设计者们竞相研究的热 点，在最近的2 0 年中人们提出了一系列的新技术和新结构。 人们在对s o i 高压器件的研究中，最初采用体硅器件的结终端耐压技术来解决 s o i 器件的耐压问题。y s h u a l l g 、b j b a l i g a 等人在1 9 9 0 年首次提出将r e s u r f 理论应用到s o i 器件上【2 ”，使得器件在反偏时漂移区全部耗尽，并把击穿点从表 面转移到体内，从而获得较高的击穿电压。如图1 ，5 所示，他们在2 5 岫厚顶层硅 和4 岬厚埋氧层时得到击穿电压为6 0 0 v 。 图卜5r e s u r fs o il d m 0 s 图卜6 阶梯漂移区s o il d m o s r s u n k a v “1 i 等提出了在漂移区分区变掺杂的方法来改善s o i 的击穿特性口6 1 。 如图1 6 ，他们将漂移区分成两区或多区来改善表面电场分布，在顶层硅厚度和埋 氧层厚度都为3 岬时采用两区和三区掺杂，分别设计了耐压为3 5 5 v 和6 0 0 v 的高 4 第一章引言 压器件。s d z h a i l g 等人进一步提出了一种通过优化注入窗口( 大小、间距) 和 退火条件( 温度、时间) 等手段来获得线性漂移区杂质分布的新方法。该方法采 用一张掩模版就可以得到近似线性的漂移区杂质分布，从而获得了近似为矩形的 表面电场。他们在0 1 5 岬的顶层硅和2 m 厚的埋氧层上采用该技术研制出了耐压 6 1 2 v 的s o i 高压器件 2 7 】。 r pz i n g g 等人将d o u b l er e s u r f 技术应用于s o i 高压器件，即在漂移区表 面插入导电类型相反的降场层来改善表面电场，获得击穿电压和导通电阻的良好 折衷( 如图1 7 ) 。他们在顶层硅1 5 “m 和埋氧层3 “m 下研制出击穿电压为8 5 0 v ， 导通电阻为1 3 q 删n 2 的高压l d m o s f 2 8 1 。s k c h u n g 把导电类型相反的降场层改 变为导电类型相同的重掺杂层，从而形成表面掺杂s 0 1r e s u r f 结构。如1 8 所 示，该结构也可以在获得高击穿电压的同时降低导通电阻。他们在顶层硅厚度为 5 岫和埋氧层厚度为2 岬时模拟获得的击穿电压为2 9 7 v 【2 9 1 。h 。w 魁m 等进而把 表面掺杂层改为线性分布，在相同结构下击穿电压提高了4 0 4 而导通电阻下降 了8 3 3 3 0 1 。 = 一 ， + ：，。：，- ：h “- ：- ：。 图1 7d o u b l er e s u 】强s o il d m o s 图1 - 8 表面重掺杂s o il d m o s w o n s os o n 等人提出了一种采用槽形场氧的方法来缩短漂移区长度，改善s o i 高压器件击穿电压和导通电阻的折衷关系。如图1 9 所示，采用该结构后耐压和导 通电阻的改善程度可达3 0 以上。他们在8 u m 厚的顶层硅和3 岬厚的埋氧层上采 用1 6 “m 的漂移区长度研制了击穿电压为3 5 2 v ，导通电阻为1 8 8 q m m 2 的s 0 i 高 压u ) m d o s 3 ”。 此外，s u p p e rj u l l c t i o n 技术作为体硅高压器件中改善击穿电压和导通电阻的优 良技术，也在s o i 高压器件设计中得到了大量的研究( 如图l 一1 0 ) 。s h u r n i n gx u 等在顶层硅和埋氧层厚度都为1 岫的情况下获得了击穿电压和导通电阻分别为 1 2 4 v 和1 1 5 q m m 2 的s o is j 结构【3 2 ，gpvp a t h i r a n a 等对该结构的进一步研究表 明，s 0 i 上的s j 结构不但具有高耐压、低导通电阻的特性，而且具有高跨导、大 电流驱动能力等优点，在r f 领域有广阔的应用前景【” 。 电子科技大学硕士学位论文 = 隧挲f ， 图一9 槽形场氧s o il d m 0 s 图卜1 0s u p e rj u n c t i o ns o i 结构 以上都是s o i 横向耐压结构与技术，还有很多学者对纵向耐压进行了深入的 研究。主要包括超薄( u l t r a t h i n f i l m ) s o i 结构3 钔、s u p e rs o i 结构( s s o i ) 【3 5 】、 n 缓冲层结构、阶梯埋氧层结构、绝缘层电荷捕获结构和浮动沟道结构等，由于 篇幅所限，在此不再赘述。 1 4 本文的主要工作 根据以上综述，s o i 高压器件近二十年来得到了国际上众多学者的研究，但是 仍然存在着一些问题。作者在国家自然科学基金重点项目单片功率系统集成 ( p s o c ) 基础理论与技术研究( 项目编号：6 0 4 3 6 0 3 0 ) 的资助下，针对当前s o i 高压器件研究中的问题和不足，进行了如下研究： s o i 单级r e s u r f 效应。依据已有模型，对阶梯掺杂s o iu ) m o s 的杂质分布 和阶梯数进行了优化，详见第三章。最后进行了阶梯掺杂漂移区s o il d m o s 的实 验研制，详见第四章。 6 第二章阶梯掺杂漂移区s o ll d m o s 理论基础 第二章阶梯掺杂漂移区s o il d m o s 理论基础 s m e r c h a n t 等在1 9 9 0 年首次把v l d ( v a r yl a t e r a id o p i n g ) 技术引入s o i 高压 器件的设计中。他们在o 1 0 2 岫厚的顶层硅上采用线性漂移区成功研制了7 0 0 8 6 0 v 的高压器件3 6 。张盛东等人也利用此技术，在0 11 5 “m 厚的顶层硅和2 肛m 厚 的埋氧层上制造了6 1 2 v 的l d m o s 【2 7 3 甜。但是该技术存在漂移区电阻大、局部自热 和工艺复杂的问题 4 6 】，为此r s u n k a v a l l i 和b j b a l i g a 等提出了阶梯掺杂漂移区结 构，他们表明通过优化，一阶或两阶漂移区即可得到近似理想的击穿电压【2 6 。电 子科技大学i c 设计中心，在国际上首次建立该结构的耐压模型【39 ，深究其耐压机 理，并给出器件结构参数的优化设计方法。 本文的理论即以此模型为依据，在此模型的指导下完成器件的结构、参数优 化，通过仿真和实验也证明了此模型与实际相符。为下一步进行s o i 高压集成电路 的设计奠定了理论和实践基础。 2 1r e s u r f 技术发展 最早的功率集成电路是通过直接在硅衬底上形成p n 结来制造功率器件，随着 外延技术的发展，人们开始在外延衬底上研制电路，以减小衬底漏电流。但是由 于外延层较厚，功率器件的击穿电压仍然较低。1 9 7 9 年a p p d s 等首次提出r e s u r f 原理，当外延层全部耗尽时，外延层耗尽区电场与衬底耗尽区电场相互抵消，降 低了表面电场，使击穿点由p n 结表面转移到体内，达到提高击穿电压和降低比导 通电阻的效果。他们给出获得最高击穿电压的条件为 铲丽煮寿面引蚶0 1 2 删 ( 2 1 ) 这里只。是衬底浓度，e o 是纵向临界电场，是硅介电常数，g 是单位电荷 电量。习惯上称上式为r e s u r f 判据，或i m s u 】妤条件m 】。 i m a m 等从电荷共享的角度对r e s u r f 效应进行了分析 4 ”。他们指出r e s u r f 效应降低表面电场的原因是由于横向耗尽区和纵向耗尽区的相互交迭，交迭区的 耗尽电荷被两个耗尽区共享。基于以上思想，他们得到了一个更为精确的r e s u r f 7 电子科技大学硕士学位论文 判据： 可办等雨。丽躺 。2 为了进一步改善r e s u r f 结构的击穿电压，rs t c n 西等人在2 0 世纪8 0 年代 提出了横向变掺杂( d ，v a r yl a t e r a ld o p i n g ) 的概念t 4 2 、，通过改变漂移区杂质 分布的手段来获得矩形的横向电场分布。陈星弼等针对n + p 结，采用冶金结椭圆 近似，避免了常规的圆柱对称解和平彳亍平面解在连接处不连续的问题，并采用椭 圆坐标系求解归一化二维p o i s s o n 方程，计算了最优掺杂浓度分布曲线【4 3 1 。但是理 想v l d 曲线有两个主要问题：第一，曲线尾部杂质浓度为零，这意味着将带来一 个非常高的漂移区电阻；第二，在实际工艺中很难实现这种掺杂浓度连续变化的 复杂关系，为此，陈星弼等又提出一种优化横向变掺杂技术( 0 p t v l d ) ，即采 用阶梯变化的杂质分布来代替连续分布，通过优化阶梯的梯度和宽度，可以实现 平行平面结9 0 以上的耐压州。 图2 1 给出了结构参数相同的体硅和s o i 横向二极管在相同外加偏压下的等 势线分布。可见，s o ir e s u r f 效应的特殊性体现在两个方面：第一，无树底耗尽 区。埋氧层隔断了有源层和衬底层的电气连接，耗尽区终止于埋氧层表面，无衬 底耗尽区电场来抵消顶层硅耗尽区电场，从而r e s u i 疆效应的传统分析方法不再 适用，这也是最初人们认为r e s u r f 原理在s o i 中不再有效的原因。第二，横向 电场分布和埋氧层厚度密切相关 4 ”。由图可见：当埋氧层由薄增厚时表面电场峰 值由阴极向阳极移动，我们称之为埋氧层电场调制效应。这两种效应使s o i 的 r e s m 冲现象具有典型的二维性，因此若仍采用体硅传统的到一维分析方法将不 图2 1体硅和s o i ! 瓤管等势线分布比较 c ) ( 岛：4 l l i l l 小驴2 1 0 c m 。，m “6 = 1 1 0 15 c l n 一3 ) 第二章阶梯掺杂漂移区s o iu ) m o s 理论基础 可能得到精确的结果。 2 2 阶梯掺杂漂移区s o l 高压器件二维电场分布模型门9 图2 2 是n 阶阶梯掺杂漂移区s o i 高压结构示意图。其中漂移区被等分成n + 1 区，若以顶层硅表面为x 方向，以p n 结冶金面为y 方向建立坐标系，则各区 顶点坐标分别为勒，。，即，南，翰+ j ( 由图可见勘= 0 ，翰+ 严白) ，则漂移 区掺杂函数可以写成 ( x ) = + “卜缸 ，或l = l + o 1 ) ，西一l x ( 2 - 3 ) 这里 】是取整函数，血是分区长度，1 是第一区掺杂浓度，是浓度梯度。 ， ? ”卜j十 f y 囊嚣i - - ，- ，t ：t ： 释搿溪藩； i ；| ! 芋掣警。：辣；| ；i ；瑟蕊嚣叠乏蠹杰 枣杰 n 一二_ ， 图2 2 阶梯掺杂漂移区s 0 i 结构示意图 采用分区求解的方法，即将每一区都看成是均匀漂移区结构，不同分区之间 的电场通过边界上电势和电场的连续性建立联系。 当阳极和衬底按地，阴极接高电压时，器件处于反偏状态，漂移区完全耗尽， 每个区内的电势分布仍( x ，y ) 均满足二维洎松方程： 急笋+ 鼍掣一譬，咄。硝 沼a ， 根据顶层硅表面处电场的垂直分量为零的条件 4 6 1 和s s i 0 2 界面上电位移的 连续性，可得边界条件： 塑竖生：o d v ( 2 5 ) 电子科技大学硕士学位论文 曼i 堡! 兰! 生! + 兰z 丝! 兰：刍2 二竖3 ：o( 2 6 ) 砂乞 其中v s b 为衬底偏压，当衬底接地时为零。把仍( 工，y ) 沿y 方向做泰勒展开并 去前三项作为其近似h 6 】： 仍( 。，y ) ：许( 。，o ) + y ! ! ! ! l ；兰旦+ o 5 y ：i ! ：! ! ! ；塑旦 ( 2 7 ) 将( 2 7 ) 代入( 2 4 ) 并根据边界( 2 5 ) 、( 2 6 ) ，采用分区求解的方法，可 获得任意阶梯数n 下的表面电场分布。当n = o 时，方程退化到均匀漂移区公式， 而当n m 时方程简化为线性漂移区的表面电场分布公式： 1 ) 漂移区完全耗尽情况( ) ： 珧驴降华 黜+ 警掣+ 警， 2 ) 漂移区不完全耗尽情况( 圪。 ) ： = 孚一盟竽 端+ 警掣+ 警4 ， 其中，f - ( o 5 + e 巳) “2 ，是x = o 处的杂质浓度，c 是浓度梯度，漂移区杂 质分布函数为( x ) = 0 + “，漂移区长度虼，由。量( x ，o ) & l 。，= o 确定。全耗 尽电压由a e ( x ，o ) i 。= o 确定。 上述分区模型在n = o 和n = 。的时候可以退化到均匀掺杂漂移区和线性掺杂 漂移区的情况，因此我们提出的模型是一个能同时对均匀、阶梯和线性漂移区的 全耗尽和不全耗尽情况进行处理的统一模型，因此称之为全域模型3 9 1 。 2 ，3 阶梯掺杂漂移区s 0l 高压器件的耐压分析 2 3 1 击穿特性研究 阶梯漂移区结构由于在表面出现了新的峰值电场，因此其击穿特性更为复杂， 除了( 0 ，0 ) 、( 岛，o ) 和( 厶，) 之外，( ，o ) ，f = 1 ，n 也可能成为击穿点，击穿电压由 这n + 2 个点的击穿电压的最小者决定。 图2 3 给出了漂移区杂质分布和击穿电压关系的仿真和解析结果。其中图2 3 a 是给定第一区浓度时浓度梯度厂x 对击穿电压的影响。图2 3 b 是漂移区杂质 1 0 第二章阶梯掺杂漂移区s o il 【) m o s 理论基础 积分浓度r ( z ) 出对击穿电压影响的解析和试验结果。其中均匀漂移区结构的试 验结果来自s m a t i l s m o t o 的报导【4 7 1 ，而线性漂移区的试验结果来自s d z 1 1 a 1 1 9 的 报导旧。由图可见，解析模型、仿真结果和试验结果吻合良好。在浓度梯度或杂 质总量较低时，击穿电压呈上升趋势，直到达到最大值，而后随着浓度梯度或杂 质总量的进一步提高开始迅速下降，表现出一种典型的r e s u r f 现象。注意图2 3 a 中未出现纵向击穿区，这是由于埋氧层较厚，由式( 2 3 5 ) 可得到纵向击穿电压 为4 2 0 v ，远远大于横向击穿电压，因此击穿只发生在横向的。此外，从图中还可 以看出随阶梯数的提高击穿电压逐渐提高，但是当阶梯数超过3 时的击穿电压和 线性漂移区结构已经非常接近了。 c o n c 自n t r a t l o ns l o p e ( 1 0 ”c m ) a ) 浓度梯度b ) 积分浓度 图2 3 击穿电压和杂质浓度分布的关系 图2 4 给出了相同的杂质积分浓度和不同的阶梯数下击穿电压对漂移区长度、 顶层硅厚度和埋氧层厚度等结构参数的依赖关系。图2 4 a 表明击穿电压随漂移区 长度的增加而提高直到达到一饱和值，这和常规s o i 相似，但和均匀漂移区相比， 阶梯结构和线性结构有更高的饱和击穿电压。而从图2 4 b 和图2 4 c 中的解析和仿 真结果可见，要获得最高的击穿电压必须对顶层硅厚度和埋氧层厚度进行优化设 计，这也体现了r e s u r f 效应的典型特征。由于较薄的顶层硅厚度和埋氧层厚度 都将产生高n + n 结电场，而较厚的顶层硅厚度和埋氧层厚度则将产生高p + n 结电 场，二者都使击穿电压降低。而通过优化设计后，可以使n + n 和p + n 结同时击穿， 甚至使击穿点移至体内埋氧层表面，提高击穿电压。综合图2 - a 、b 和c 不难得出， 和均匀漂移区相比，采用阶梯掺杂和线性掺杂可以在更薄的顶层硅和埋氧层、更 短的漂移区上获得更高的击穿电压。但当阶梯数大于2 后改善幅度已经不再明显 了。 电子科技大学硕士学位论文 删n c s s0 f 5 0 j 【a t h 1 t h i c k l l e s s0 fb i i r ie 40 x i d ef ) a ) 漂移区长度b ) 顶层硅厚度 。) 埋氧层厚度 图2 4 击穿电压和器件结构参数的关系 2 3 2 杂质分布的优化 由前所述，n 阶漂移区结构全耗尽时的表面共出现n + 2 个电场峰值，其位置 位于p + n 结、n + n 结和各分区界面上。为获得最高的击穿电压，应当使击穿时这 些峰值电场同时达到硅的临界击穿电场，当前普遍采用的阶梯掺杂漂移区浓度优 化方法是采用线性漂移区在各区段的平均值来作为阶梯分布的各区浓度口6 4 9 1 因此 有经验公式 m ：坠喾醴排吣，玉 ( 2 1 2 ) q 由此模型得出的最优杂质浓度分布公式为 ：坠塑霉燮觯h ，玉 ( 2 1 3 ) 吵 由上式可以说明各分区浓度和漂移区长度无关，而仅取决于顶层硅厚度和埋 氧层厚度。 图2 5 给出了两种不同顶层硅厚度下的优化漂移区杂质分布，以及在此杂质分 布下表面电场分布的解析和数值仿真结果。可见，解析模型和经验公式都表明， 要获得理想的表面电场，杂质分布必须遵循由阳极到阴极逐渐升高的趋势，而且 随着分区数的增加阳极端漂移区浓度进一步减小而阴极端漂移区浓度进一步增 加。二者的区别在于解析模型的结果略低于经验公式的结果，在顶层硅较薄时表 现的尤其明显。由图可见，当漂移区为线性时最优的阳极端浓度减少到零，此时 1 2 第二章阶梯掺杂漂移区s 0 il d m o s 理论基础 虽然可以获得近似矩形的表面电场和最高的击穿电压，但是在器件工作过程中极 低浓度的阳级端漂移区将出现严重的自热效应。此外，比较两种不同顶层硅厚度 的结果可以发现，表面电场分布对顶层硅厚度变化非常敏感，无论均匀、阶梯或 线性结构，较薄的顶层硅对应的表面电场谷深较深，漂移区中部承担的电压降较 少，从而横向击穿电压较低。这种现象对于设计薄膜高压器件非常不利，因为虽 然较薄的顶层硅在纵向因缩短了电离积分路径而纵向耐压提高，但是横向电场的 均匀性却变得非常差，要提高击穿电压就必须采用更多的阶梯数，从而增加了成 本。 3 0 。目2 0 一 o1 0 z 一 i l a ) = 1 岬l ，k = 3 p m b ) 轳3 m ，2 3 肛1 图2 5 优化的漂移区杂质分知和表面电场 由图2 5 可见，均匀掺杂漂移区结构的表面电场分布呈两边高中间低的形态， 此时漂移区中间区域的电场还远远低于临界击穿电场，而漂移区两边的电场达到 临界电场，击穿发生在源端p n 结或者漏端的n n + 结，击穿电压最低；一阶掺杂漂 移区结构的电场峰值在漂移区两边有电场峰值，并且在漂移区中间区域也出现一 0 8 6 4 2 o 一_。2。h一一一z 电子科技大学硕士学位论文 电场峰值。击穿时三个电场峰值基本持平，电场下的面积要比均匀掺杂漂移结构 的要大，所以击穿电压比均匀漂移区的要高；同理，二阶掺杂漂移区结构在漂移 区中间有2 个电场峰值，电场下的面积比一阶的要大些，击穿电压更高；而线性 掺杂漂移结构的电场分布在漂移区中基本持平，此时击穿电