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摘要 摘要 射频( r f ) 电路的应用越来越多，以横向双扩散金属一氧化物场效应晶体管 ( l d m o s ) 技术为基础的功率晶体管作为r f 电路的重要组成部分，在整个r f 电路中起着重要的作用。体硅技术的l d m o s 具有随着漏电压变化而且较高的输 出电容，这会降低功率效率和增益，尤其会使输出匹配的设计更困难。绝缘体上 硅的横向双扩散金属一氧化物场效应晶体管( s 0 i l d m o s ) 不仅具有良好的绝缘 性能、较小的寄生电容和泄露电流，提高功率增益和耐高温操作性能，而且工艺 与s 0 i c m 0 s 工艺兼容，相对体硅l d m o s 工艺更加简单。 本文采用i s e 二维器件仿真软件对s o i l d m 0 s 器件进行电学性能仿真，并 与普通l d m o s 结构进行比较，s o i l d m o s 结构呈现出良好的性能：良好的输 出特性，较小的寄生电容等。针对s o i l d m o s 射频应用中严重的自热效应和浮 体效应，采用图形化s o i l d m o s 结构，该结构保留了s o i l d m o s 优势的同时 消除了部分负面影响。对图形化s o i l d m o s 的跨导特性进行研究，为提高器件 的跨导提供了依据。并采用多种方法改进其电容特性。 本文建立了s o i 高压器件的耐压模型，给出了击穿判据，为了使s o i 功率器 件具有较高的击穿电压，介绍了场板结构、降低表面电场( r e s u r f ) 结构等多 种耐压结构。s o i l d m 0 s 应用于r f 功率放大器时，都在某一特定频率下工作。 为了保证电路不会因为器件截止而导致整个电路在高频状态下失效，器件必须具 有高截止频率。本文介绍了一些结构工艺参数对截止频率的影响，给出了结构参 数随截止频率变化的参考图示，为提高器件的频率特性提供了依据。 关键词：s 0 卜l d m 0 s 图形化s 0 i跨导电容 3 a b s t r a c t t h er a d i o 矗嗍u e n c yc i r c l l i ti su s e dm o r ca r l dm o r ep o p l l l a ri l lt l l ef i e l d so fm o b i l e c o m m l l i l i c a t i o ne q u i p 】 i l e n t s ，w i r e l e s sl o c a la r e an e t 、v o r k ，a v i a t i o ne l e c t r o - e q u i p m e n t s ， m d a r ，m i c r o w a v ee m i n e ra n ds o0 i lt h ep o w e r 胁s i s t o rw h i c hb a so nm e t e c l l n o l o g yo fl d m o sl e a d sak e ye 侬斌i i l 圮r a i d i o 丘明u e l l c yc i r c i l i t m t e c l l i l o l o g yo fl d m o sl 粥ag r e a td e a lo fd e f b c t s nh 鹪1 1 i 9 1 lo u t p mc a p a c i t a n c e ， 血i c hc 孤r e d u c cp o w e re 伍c i e n c y 锄dp o w e rp l u s ，e s p e c i a l l y ，c a nm a k em ed e s i 印o f o u _ i p u tm a t c h i i l gl m r d e r c o m p a r e d 、i t l ll d m o s ，t l l es o i - l d m o sh a sm a n y a d v 锄t a g e st h a tc o m p l e t e l yd i e l e c t r i ci s 0 1 a t i o n ，1 0 wo u _ i p u tc 印a c i t a i l c e ，h i 曲p o w e f p l l l sa n dh i 曲t e r n p c r a m r er e s i s 缸m tc l l a m c t e r i s t i c i 协t c c l l n i c sw h i c hi se 懿i e rt 1 1 锄 l d m o si sc o m p a t i b l e 埘ms o ic m o s b yi i s i n g t h es o f h v a r eo fi s e ，w es i n l u l a t et h ee l c c t r i c sp e r f b 珊a 1 1 c eo f 吐屺 s o i - l d m o sa 1 1 dc o m p a r et 1 1 er e s l l l t s 、i t hm eu ) m o s t h er e s u l t si 1 1 d i c a t ew e l l o u t p l l tc h a r a c t e i i s t i c s ，l o wo u t p u tc 印a c i t 锄c e 锄de t c h o w e v s o i - l d m o s t e c i l i l o l o g yh 邪t of a c et l l ep m b l e m o fn o a t i i l gb o d ye 航c t s 锄d s e l f - h e a t i n ge 丘t s w b m a k ea 何惭t ht 1 1 ep a t t 锄e ds o i - l d m o s ，w h j c hh 硒ad i s c o n t i n u i t yb o x t h e s i i i l u l a t i o ns h o w si tc a ne l i m i n a t es o m ed i s a d v a n t a g e s i ta l s od e m o i l s 眦e s 也ef a c t o r s w l l i c ha f r e c tt l l e 们n s c o n d l l c t a i l c ea n do 丘b r sar e f e r e n c ct oi i l c r e a s em e 仃a n s c o n d u c t 锄c e w ea l s ol l s eag r e a td e a lo fm e t l l o d st o 曲p r o v et l l ec a p a c i t a n c e c h a r a c t e r i s t i c s ab r e a k d o 、v nm o d e lo fs o ih i 曲v o l t a g ed e v i c ei sp r o p o s e di i lt l l i sp 印盯b y s o l v i n g2 - dp o i s s o ne q u a t i o n ，m ea n a l y t i c a ld e s c r i p t i o no ft l l e2 - de l e c t r i cf i e l d 锄d p o t 训a ld i 鲥b u t i o l l so fm ed e v i c e 晰m 砌f o 胁，s t 印锄dl i i l e a r “f td o p i n gp r o 矗l e s f o r 也ec o m p l e t e l ya n di n c o m p l e t e l y 砌rr e 百o n sa r e 百v e l l t h ei m p a c to f t l l e 孽幻m e t r ) ， p a r 锄e t e r s 舭d 蹦f td o p i n gc o n c e n 仃a t i o no nb r e a | 沮o w nv o l t a g ei si i l v e s t i g a t e df o rt h e 谢e dd r i nd o p 啦p r o f i l e s t h em 如o dt oe x n 硼c u t - o f f 如q u e n c yo fl l i 咖v o l t a g e s 0 i l d m o sh 髂b e e ne s 诅b l i s h e d e f f e c 协o fg 疵o x i d en l i c h e s s ， “n - r e 西o n i m p l a l l _ 卜d o 鼢 s o it h i c k i l e s sa i l df i e l d - p l 疵1 g t ho nc u t o f ff 确u e n c y 黜d i s c u s s e d i i ld e t a i l am e t l 州t oi m p r o v ec u t - o f f 丘弼u c n c yo f s o i l d m o si sa l s op m p o s e d k e y w o i - d s ：s o i l d m o s p a t t e l 。n e ds o i t r a n s c o n d u c t a n c e c a p a c i t a n c e 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新。眭) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安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做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名ij 泣 日期掣 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 本人签名：盟日期二蝉 新虢雅 第一章绪论 第一章绪论 1 1 硅集成电路技术发展概况及存在的问题 近年来，随着超大规模集成电路特征尺寸缩小到亚l o o n m 范围，在材料技术、 器件理论、器件结构以及制作工艺等方面出现了一系列新问题，使得亚1 0 0 n m 硅 集成电路的功耗、可靠性以及电路的性价比受到较大的影响。体硅器件尺寸缩小 后遇到的部分问题很多。 随着器件尺寸的缩小，为了防止热载流子效应等影响器件的可靠性，工作电 源电压必须降低。为了保证电路性能不退化，阈值电压要和电源电压一起下降。 但由于亚阈值斜率不能按比例缩小，阈值电压降低会导致关态泄漏电流的迅速增 加。因此，静态功耗限制了阈值电压的进一步降低。 随着器件尺寸的缩小，为了抑制短沟道效应，保证器件有良好的特性，要求 栅对沟道电荷的控制能力应远远大于漏对沟道电荷的控制能力，于是需要同时减 小栅氧化层的厚度。当m o s f e t 尺寸缩小到1 0 0 眦尺度以下时，栅氧化层的等 效厚度需要小于3 砌。这意味着，如果仍然采用传统的s i 0 2 作为栅氧化层介质， 电子的直接隧穿效应和栅介质层所承受的电场将变得很大，由此引起的栅介质的 漏电流和可靠性将成为十分严重的问题，这也限制器件的进一步缩小。 体硅器件中的寄生可控硅闩锁效应以及由于特征尺寸缩小、电源电压降低导 致的软失效问题会使电路的抗干扰能力下降，可靠性降低。由于集成密度和集成 度的迅速提高，使得集成电路的功耗密度急剧提高，功耗和热耗问题已经成为制 约亚1 0 0 1 1 i n 集成电路技术发展的一个重要“瓶颈”问题。 随着器件尺寸的缩小，体硅c m o s 器件的各种多维及非线性效应变得十分显 著，严重影响了器件性能的进一步提高。体硅c m o s 按比例缩小遇到的问题还包 括浅结和接触等危害成品率的因素。器件之间隔离区所占的芯片面积随器件尺寸 的减小相对增大，使得寄生电容增加，互连线延长，影响了集成度及速度的进一 步提高。复杂的工艺步骤和昂贵的工艺设备导致生产成本骤增。 为了解决这些问题，众多科研工作者虽然采用了诸如深槽隔离、h a l o 结构、 应变沟道材料、高k 栅介质材料、金属栅电极材料等一系列新技术，但当器件特 征尺寸进一步缩小时，仍然面临很多困难。因此，研究新型的适于纳米量级半导 体器件的新型器件就成为当前亟待解决的技术。 在众多新结构中，绝缘衬底上硅( s o i ：s i l i c o no ni n s l l l a t o r ) 技术以其独特 的结构有效地克服了体硅材料的不足，充分发挥了硅集成电路技术的潜力，正逐 渐成为制造高速、低功耗、高集成度和高可靠超大规模集成电路的主流技术【l 一】。 2s o i l d m o s 器件的结构设计 1 2s o i 技术的发展 1 、s o i 技术特点和优势 s o i 的结构特点是在有源层和衬底层之间插入埋氧层来隔断二者的电器连 接。可见s o i 和体硅在电路结构上的主要差别在于：硅基器件或电路制作在外延 层上，器件和衬底直接产生电器连接，高低压单元之间、有源层和衬底层之间的 隔离通过反偏p n 结完成，而s o i 电路的有源层、衬底、高低压单元之间都通过 绝缘层完全隔开，各部分的电器连接被完全消除。这一结构特点为s o i 带来了寄 生效应小、速度快、功耗低、集成度高、抗辐射能力强等诸多优点【3 卅。研究表明， 和相同条件下的体硅电路相比。s 0 l 电路的速度可提高2 5 3 5 ，功耗可下降2 3 ， 在同样的辐射剂量下，产生的少数载流子也可相应减少三个数量级。 s o i 技术的研究可以追溯到上世纪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s o s ( s i l i c o no ns a p p h i r e ) 结构【1 0 】，但是由于蓝宝石衬底和外延层硅膜晶格尺寸的不 一致使得s o s 界面的缺陷密度高，载流子迁移率低，加上昂贵的成本，限制了 s o s 技术的进一步发展，也促使了人们寻找其它更合适的绝缘体衬底材料。8 0 年 代后，s o l 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 0 i 制备方 法被开发出来，硅和二氧化硅稳定的界面性能，低廉的价格优势，使其逐渐取代 s o s ，成为s o i 结构的主流。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、砷化镓、氮化镓、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，也可以采用氮化硅、或 其中两种或几种的层叠结构。因此，s o i 的涵义正由“绝缘体上硅”( s i l i c o n0 n i n s u l a t o r ) 拓宽到“绝缘体上半导体”( s e i l l i c o n d u c t o ro ni n s u i a t o r ) 。 随着s 0 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 上第一个真正意义上的s 0 i 电路是i b m 于1 9 9 9 年研制的p o w c r4 微处理器。它 是在硅膜厚度为o 1 5 啪的s 0 i 材料上采用0 2 2 啪c m 0 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 。2 0 0 4 年a m d 公 司推出的a t i l l o n6 4 位微处理器采用铜互联技术和9 0 呦s o i 工艺，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 l l f e t 技术和环栅技术的日益成熟，栅长小于1 0 蛐，沟道厚度小于5 衄 的s o ic m o s 结构仍然可以保持良好的开关性能【1 1 】，这对于解决超大规模集成 电路功耗问题有着重要的意义。 除了应用于通用和专用低压逻辑电路领域外，s o i 技术因其优越的性能也在 第一章绪论 功率集成电路中得到了广泛应用。东芝的研究开发中心报道在键合硅片上研制成 功了5 0 0 v 1 a 的三相d c 无刷马达驱动电路，集成了6 个l i g b t ( l a t e 同i f l s u la _ t e d b a t r a n s i s t o r ) 和6 0 0 个b i c m o s ( b i p o l a rc m o s ) 低压逻辑器件，具有过温、过流 和短路保护功能，工作频率为1 6 z 。h s u g a w a r a 等人集成了2 8 0 v 的3 4 通道 驱动电路，每个通道输出电路是推挽型，由高压横向晶体管组成。尽管有许多高 压通道，但是由于使用了介质隔离技术，芯片面积只有3 7 4 i i l i n 2 7 5 m m ，而输 出电流可达2 0 0 n a 。 2 、l d m o s 结构 l d m o s 是横向双扩散( l a t e r a ld o u b l e - d i f 】f i l s e d ) m o s 管的简称，是目前十 分常用的一类功率器件。它采用双扩散技术，即在同一窗口相继两次进行硼磷扩 散，通过两次杂质扩散横向的结深之差可以精确地决定沟道长度。沟道长度可以 做得很小并且不受光刻精度的限制。与普通的c m o s 器件相比它在结构方面的特 点有两个：一是它的沟道区由两次不同扩散深度的扩散形成；二是它的漏极由单 一的重掺杂变成了由承受电压的轻掺杂区和用于引出电极的中掺杂区构成。 l d m o s 的电极位于芯片的表面，电流呈横向流动，易于通过内部连接实现 与低压信号电路及其它器件的相互集成。由于n 型l d m o s 的沟道和源区在p 阱 内，它的阈值电压近似等于低压n 沟m o s 管的阈值电压，所以很容易被低压电 路驱动，在获得高压的同时可以与低压逻辑控制电路实现集成，而且大大简化了 功率器件的驱动电路，因此广泛的用于智能功率集成电路。它的击穿电压取决于 漂移区的参数，使用r e s u r f 技术可以提高其击穿电压。 由于常规m o s f e t 的击穿电压较小，不能承受较大的功率，因此为了射频应 用，对其进行了改进，人们采用了u ) m o s 结构。由于l d m o s 是单极型器件， 不受少数载流子存储效应的影响，与存储电荷相关的延迟大大减小，相比双极型 器件有较高的开关速度和较高的截止频率，因此在功率电子学中l d m o s 最初是 作为开关器件的。而在射频应用方面，与双极晶体管相比较，l d m o s 也具有许 多优点：由于在大电流范围的跨导保持较大并为常数，故线形放大的动态范围较 大，并在较大输出功率时能有较大的线形增益；交叉调制失真较低，这是双极晶 体管所不能达到的。 3 、s o i l d m o s 的发展特点 由于s o i 器件有着许多优越的特点，目前体硅l d m o s 器件的结构已经移植 到s o i 上，l d m o s 制造在埋氧化层( b o x ) 上，可以消除体硅l d m o s 器件中p n 结的泄漏电流，减小寄生结电容，提高了器件的速度和增益1 1 2 j 。厚膜s o i - 1 ：d m 0 s 可以用于高压集成电路，它可承受7 0 0 v 的工作电压；薄膜s o i l d m o s 已经应 用于功率集成电路和射频集成电路中【1 3 】。总的来说，s o i l d m o s 具有以下特点： ( 1 ) 隔离效果好，s o i 硅膜的掺杂浓度比较高而衬底采用低掺杂浓度。 4 s o i l d m o s 器件的结构设计 ( 2 ) 寄生电容小，器件的速度快，增益高，适于高频的应用。 ( 3 ) 厚膜器件可以承受高压。 ( 4 ) 工作特性受温度的影响较小，抗辐射性能好，工作的温度范围很宽。 ( 5 ) 短沟道特性好，适合用于深亚微米器件。 ( 6 ) 具有较严重的自加热效应，器件工作时要注意散热。 4 、图形化s o i 技术的发展 s o i l d m 0 s f e t 具有集成度高，寄生电容小，速度快，有效功率增益系数高 等特点，是前景看好的低功耗功率器件，尤其适合应用于无线通讯领域中的射频 放大器或者微功耗集成电路。但其面临二个难题：s o i 中的埋氧层导致碰撞电 离产生的空穴在p 体中积累造成浮体势增高，带来阈值电压降低，输出电流曲线 出现曲翘等浮体效应。曲翘效应会严重影响模拟电路的输出阻抗和电压放大系数， 十分有害；埋氧层较差的导热性造成有源区产生的热量无法导入基体，致使器 件温度高，载流子迁移率降低，出现负电导等自加热效应。体连接是被广泛利用 的抑制浮体效应的技术，但其具有减小集成度或有效栅宽等缺陷。为克服自加热 效应，可采用图形化s o i 技术，即开个硅窗口使埋氧层不连续，器件的有源区与 衬底部分连接。但以往文献中的窗口是开在源端或漏端的，这不利于器件隔离和 降低寄生输出电容。 图形化s o i 结构的埋氧层是不连续的，器件区与衬底电学相连，碰撞电离产 生的空穴可由衬底流出。同时，埋氧层的间断，相当于器件区和衬底间有一个硅 窗口，可使器件区产生的焦耳热流向衬底的热沉。不仅能抑制浮体效应，还可减 小自加热效应。 图形化s o i 技术不仅有利于单管器件的性能改善，同时还有易于系统级芯片 的设计。受到设计和制造工艺的限制，目前有一些电路在s o i 衬底上的制造工艺 还不成熟，如动态随机存储器d r a m 等。这时可将高速、低功耗的逻辑和控制电 路集成在图形化s o i 衬底的s o i 区域，而将要求更高可靠性的存储器电路集成在 没有埋氧的体硅区。 1 3 本论文的工作 本文的主要工作主要分为三个方面：s o i l d m o s 较之l d m o s 电学性能的 优化：优化图形化s 0 i l d m o s 结构参数并研究其跨导特性；图形化s o i l d m o s 漂移区的改进带来电容的优化。 ( 1 ) 利用二维器件仿真软件i s e 对s o i l d m o s 的击穿电压，输出特性，交流 特性等进行模拟，与l d m o s 的模拟结果进行比较。结果体现了s o i l d m 0 s 器 件的优势。使用图形化s 0 i 结构，来优化模拟结果。改变图形化s 0 i - l d m o s 第一章绪论 的工艺结构和参数，得到性能优良的器件。与传统的s o i l d m o s 结构不同，图 形化s o i 结构的埋氧层是不连续的。器件区与衬底电学相连，碰撞电离产生空穴 可由衬底流出。同时，埋氧层的间断，相当于器件区和衬底间有一个硅窗口，可 使器件区产生的焦耳热流向衬底的热沉。不仅能抑制浮体效应，还可减小自加热 效应。 ( 2 ) 以图形化s o i l d m o s 为仿真平台研究跨导特性，分析了栅氧化层厚度，漂 移区浓度，沟道浓度，s 0 i 层厚度四个结构工艺参数对图形化s o i l d m o s 跨导 的影响。文章指出了对跨导有影响的因素，并为降低跨导应该进行的参数调节提 供了参考。采用多种方法来改进图形化s o i 的漂移区，新结构的输出电容有大幅 度降低，提高了器件的射频特性。 ( 3 ) 本文还建立了s 0 i 高压器件的耐压模型，给出了击穿判据，为了使s o i 功率 器件具有较高的击穿电压，介绍了场板结构、降低表面电场( r e s u r f ) 结构等多种 耐压结构。 ( 4 ) s o i l d m o s 应用于r f 功率放大器时，都在某一特定频率下工作。为了保证 电路不会因为器件截止而导致整个电路在高频状态下失效，器件必须具有高截止 频率。本文介绍了一些结构工艺参数对截止频率的影响，给出了结构参数随截止 频率变化的参考图示，为提高器件的频率特性提供了依据。 ( 5 ) 探讨了s 0 i 器件特有物理问题：自加热效应和浮体效应。分析其产生机理和 表现。研究分析了s i 膜厚度、氧化埋层厚度、沟道以及源漏区掺杂浓度等器件参 数对自加热效应的影响，以发掘最佳的器件参数。同时研究了s i 膜厚度、埋氧层 厚度等器件参数对浮体效应的影响，由于碰撞电离产生的空穴就成为抑制浮体效 应的关键所在。 5 第二章s 0 j l d m o s 的击穿特性 7 第二章s o i l d m o s 的击穿特性 2 1s o i 高压器件的耐压模型 r e s u r f 原理是体硅横向高压器件设计的基本准则。采用该原理可以在高掺 杂的薄外延层上设计出高耐压的半导体器件，实现击穿电压和导通电阻的良好折 中。r e s u r f 原理的本质是通过对漂移区电场分布的优化来获取高击穿电压。下 面我们来建立任意横向漂移区s o i 高压器件在全耗尽和不全耗尽时的二维电势电 场分布模型。 2 1 1 漂移区完全耗尽 图2 1 给出了一个典型的r e s u i 强s o i 高压二极管结构。设漂移区浓度为x 的函数，记为，顶层硅厚度为岛，介电常数为s 。，埋氧层的厚度为k ，介电 常数为s 。，漂移区长度为切，外加电压为p 锄。 图2 1s o i 高压二极管示意图 如果不加以特别说明，此处忽略p + n 结和n + n 结的内建势，这是因为对于 s o i 高压器件，其远远小于因外加高压而引起的电压降。设p + 结和衬底接地，卜r 结接足够高电压时漂移区完全耗尽，则耗尽区电势函数妒( 五y ) 满足二维 p o i s s o n 方程： 空掣+ 空掣：一型 ( 2 - 1 ) 缸2 勿2s 、7 妒( o ，o ) = o ，妒( 厶，o ) = p 茹 ( 2 - 2 ) s o i _ l d m o s 器件的结构设计 妒( x ，y ) = ( x ，) ，) + y ( x ，y ) ( 2 3 ) 其中，国似y ) 是外加电压的贡献，y “，) 是耗尽电荷的贡献。 由泰勒展开，根据顶层硅表面处电场的垂直分量为零的条件【1 4 1 和s “s i 0 2 界 面上电位移的连续性，以及g r e e n 函数法的处理，可得漂移区表面电势函数 妒( 五。) = 主端+ 号r g ( 墨髻) ( 矽 ( 2 - 4 ) 其中g ( 工，考) 是g r e e n 函数，其形式为 g ( x ，毒) = 表面电场为 咖) = 瓜丽= 。) 卜争盎踹+ 詈r 掣眯雎 ( 2 6 ) 2 1 2 漂移区不完全耗尽 i 区为典型二维问题，既，代替( 2 4 ) 一( 2 - 6 ) 中的幻即可得到电势和电场 分布 删) 裂端+ 号r g b 渺( 糍 ( 2 - ，) 咖) = 争盎端+ 号r 掣眯臃 ， g ( x ， ) = ，拦坐粤坐譬幽，o 恻 脚柰辫鲤p ，芝讪 ( 一x ) r s i i l l l ( 毒r ) ：，。 ”1 s i n l l ( f ) ” “ 。i i 区，尤其在n + n 结下方，可忽略横向耗尽区电场的影响，因此可采用一维 单边突变结近似 兰 第二章s o i l d m o s 的击穿特性 9 ，、i k 目，o y 一阿0 妒) 。k g ( x ) ( y + 一) 2 ( 2 t ) 驴j ， 啪，= 葛蕊：乏埘一叭 ( ) = 厄万石甭瓦五雨一。t ，。 2 1 3 均匀掺杂漂移区全域耐压模型 不全耗尽时，i 区表面电场为 粥m ( o ，。) 剡 i 区二维电场分 咖，= 尚 孚 聃卅吲舢) ( 善 ( 2 一l o ) ( 2 - 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) 对于i i 区，可以直接采用( 2 2 1 ) 一( 2 2 2 ) 计算。 全耗尽时的电场分布 卧，o ) = 掣 ( 2 - 1 6 ) 咖， 帮巾 驰= e ( 删f - 芬 ( 2 - 1 8 ) 全耗尽时的电压 纵向和横向的全耗尽电压分别为 。= 妒( 2 - 1 9 ) a 妒【a 1 1 h ( o 5 厶f ) ( 2 - 2 0 ) 由于o t a 】【l l l ( o 5 厶f ) 1 ，因此恒有 。，这表明尽管s o i 的纵向穿 通距离( 顶层硅层厚度) 通常远小于横向穿通距离( 漂移区长度) ，但是由于电荷 l o s o i l d m o s 器件的结构设计 共享效应，横向p n 结却首先发生穿通，这和体硅器件纵向p n 结首先穿通正好 相反【15 1 ，体现了s o ir e s u r f 效应的特殊性。 2 2 s o i 高压器件的击穿判据 s o i 高压器件的耐压包括纵向耐压和横向耐压，其实际击穿电压取决于纵向 击穿电压和横向击穿电压的最小者。参考图( 2 1 ) 。 1 ) 漂移区不完全耗尽时( p 0 妒) ，此时击穿点为o l 或0 2 。 曰p o 叫= ( e 。彬f ) 2 ( 2 妒) + 蚝上k ，删 ( 2 2 1 ) b = 妒一小2 一( 既彬) 2 ( 2 - 2 2 ) b = m i n l 占掣，b k ：j ( 2 - 2 3 ) k 删，喘纠分别为o l 和0 2 处电压，e 。咿，聪掣分别为0 l 和0 2 处临界电场。 2 ) 漂移区完全耗尽时( p 0 妒) ，此时击穿点为。卜0 2 或0 3 。 b k = ( ) ( 2 - 2 4 ) b k ：= ，f s i n h ( 易f ) 一驴 c o s h ( 厶r ) 一1 ( 2 2 5 ) 召圪赫= 磁掣f s i n h ( 厶，) + 妒 c o s h ( 厶r ) 一1 c o s h ( 厶f ) ( 2 2 6 ) b 2m i l l l b ，b k z 社，b k z 卿j ( 2 - 2 7 ) 磋；为0 3 处电压，聪。为0 3 处临界电场。 2 2 1 全耗尽判据 r e s u r f 效应的本质是二维电场的优化。为了获得高击穿电压和低导通电阻， 必须对器件结构参数进行优化设计，使其在击穿时满足：1 ) 漂移区全耗尽；2 ) 击 穿发生在项层硅埋氧层界面；3 ) p + n 结和n + n 结电场相等。 机r 三兰! 竽去 ( 2 2 8 )。 g t a i l h ( 易f ) 、7 对于长漂移区结构( 厶3 r ) 上式可简化为 虬f s ，聪。g( 2 2 9 ) ( 2 2 8 ) 和( 2 2 9 ) 式给出了s o ir e s u r f 结构的全耗尽判据。据此可计算发生全耗尽 第二章s o i - l d m o s 的击穿特性 击穿时漂移区浓度的上限。 2 2 2 体内击穿判据 要获得最高的击穿电压和最大的工艺容差，必须使击穿发生在纵向击穿阶段。 纵向击穿的条件( 体内击穿判据) 为： 毛 一赡卢 g s 虬f t 磁g ( 2 - 3 0 ) 2 3s o i 功率器件的耐压结构 l d m o s 晶体管由于它的击穿电压高，驱动电流大等特性，被广泛的应用于体 硅功率集成电路中。s o i l d m o s 的漏p n 结穿通硅膜直接接触到隐埋氧化层时， 器件中漏p n 结处峰值电场较之通常体硅器件的值要低，因此s o i 器件的结击穿电 压比体硅器件高的多。然而，现在的s o i l d m o s 主要是薄膜部分耗尽型，其沟 道耗尽层下面有一个浮空的中性区，会形成基极浮空的寄生双极型晶体管，使得 击穿电压大幅度下降，有可能低于体硅u ) m o s 。击穿电压是功率m 0 s 器件的一 个重要参数，提高输出功率要求提高击穿电压，它还决定了m o s 器件的运用范畴， 例如功率开关管就对高耐压有特殊要求，因此必须要采取措施来提高器件的击穿 电压。下面将对目前国内外一些主要提高s 0 1 l d m o s 击穿电压的方法进行介绍 和分析。 为了使s o i 功率器件具有较高的击穿电压，人们研究了多种耐压结构，例如 场板结构、降低表面电场( r e s u i u ) 结构等，现在应用最广而且最成熟的是r e s u r f 结构。还有一些结构对于提高击穿电压很有帮助，但目前工艺上实现起来比较困 难。 2 3 1i 也s u l 原理的应用 i 也s u l 玎原理已经成功的用于普通的l d m o s 晶体管，r e s u i 也可以应用 于s o i l d m o s 晶体管中提高击穿电压【l6 】，与场板同时使用效果会更好。 i 、常规r e s u i 结构1 1 q 如图2 2 所示，设漂移区掺杂浓度是均匀的，当漏源电压为正时，硅膜层 中会形成两个耗尽层，一个是p 阱与n - 漂移区的p i l 结，另一个是在埋氧化层上面 称底部耗尽层。当外加电压足够高时，底部耗尽层将形成反型层，反型层中的空 穴浓度将随外加电压增加而增大。 此结构场氧化层厚度为2 l l m ，漂移区厚度为1 2 啪，埋氧化层厚度为2 u m ，漂 1 2s o i l d m o s 器件的结构设计 移区长度为7 0 啪，杂质浓度为1 1 0 ”c m p 。当漏源电压p k 较小时，两个耗尽层 是相互隔离开的，随着的增加，两个耗尽层都在扩展，当= 8 8 v 时，两个 耗尽层会连在一起，此时底部反型层的空穴将被高的电场扫出而逐步使反型层消 失；当p 瓠- 2 8 0 v 时，底部反型层消失了，此时承受高压的是埋氧化层，而s i 0 2 的击穿电场比s i 高很多，一般可达到6 1 0 6 8 1 0 c m ，所以耐压可以提高很多。 为了尽量减小导通电阻而同时获得高的击穿电压，器件漂移区杂质浓度存在一个 最佳值 k ，常规r e s u r f 结构只能用于厚膜器件。 图2 2常规s o i l d m o s 的i 也s u r f 结构 i i 、漂移区非均匀掺杂的r e s u r f 结构 图2 3漂移区阶梯掺杂的s o i l d m o s 用于薄膜s o i l d m o s 的i 江s u r f 结构，经常采用漂移区线性掺杂和阶梯分 布掺杂。有人提出了漂移区阶梯分布掺杂的结构如图2 3 所剥1 ”。在此结构中漂移 区分3 段，掺杂浓度分别是d l ，d 2 和d 3 ，其中d 1 d 2 d 3 ，在漂移区离子注入掺 杂时可以使用三块模板分三次注入。由二维半导体器件数值模拟的结果可以知道， 均匀掺杂漂移区电场分布的峰值主要在靠近漏端和靠近沟道末处。采用阶梯分布 掺杂后电场峰值除在以上两处出现，在d l 与d 2 ，d 2 与d 3 交界处也会出现，但每 处峰值都比原来峰值低，这样就起到了提高击穿电压的作用。采用这种结构与参 数相同的漂移区均匀掺杂( 掺杂浓度为( d 1 + d 2 ) 2 ) 的s 0 i l d m 0 s 相比击穿电压提 高了2 1 。同时从厶矿曲线上看，消除了i l l 【效应，提高了饱和漏电流，使驱动 能力增大，这是因为漏端电场降低了，这也减弱了热电子退变效应和自加热效应。 第二章s o i l d m o s 的击穿特性 然而采用这种结构会增加漂移区的长度，器件尺寸增大，降低了器件的集成度， 为了实现漂移区阶梯分布的掺杂，要用3 块模板进行3 次离子注入，这可能和别 的器件制造工艺不兼容，在制造上带来麻烦。 既然漂移区电场是非均匀分布的，有人提出漂移区表面线性掺杂的s o i l d m o s ，结构如图2 4 所剥博】，n - 漂移区浓度为l 1 0 “c m 。，表面处厚度为n 的 s i 掺杂服从f 砂= 1 0 ”( 1 + 1 4 x l ) 的分布。可以看出，当电流流经漂移区时，表面 浓度较高，大部分电流线集中在表面，少部分从下面分流，大大降低了导通电阻， 如果甜是均匀分布的掺杂，那么击穿电压会降低。现在采用线性掺杂，使得横 向电场趋于平均，提高了击穿电压。通过二维半导体器件数值模拟软件m e d i c l 分析得到，与相同参数的普通s o i l d m o s 相比，击穿电压从1 4 6 v 上升到2 0 5 v ， 导通电阻从6 2 9 q 下降到1 0 4 q ，效果非常明显，但这种线性掺杂在工艺上很难实 现。 “ x 一一一一一1 文! # 积n 一 p 一。一。一一一p 础 一。 图2 4漂移区线形掺杂的s o i l d m o s 2 3 2 电阻场板的应用 有人提出了在漂移区上方形成半绝缘多晶硅( s i p o s ) 电阻场板【1 9 1 ，电阻场板中 电场的均匀分布迫使漂移区电场也均匀分布，这样可以获得高的击穿电压，结构 如图2 5 所示。在薄膜s o i l d m 0 s 中，硅膜很薄，从纵向耐压来看，硅膜达到击 穿电场时，埋氧化层的电场约为6 1 0 5 1 2 1 0 5 v c m ，远低于其击穿场强6 1 0 6 8 1 0 6v c m 。因此可以通过提高硅层的击穿场强来提高器件的击穿电压，重掺杂的 硅层可以提高硅层击穿电压，但会使横向电场增加，如果在漂移区上面加一层电 阻场板，它会使i i 漂移区全部耗尽，表面电势被i 讧p 箝位，这时从源极出发的电 力线经过薄的栅氧化层到达并消失在r f p 处，因此提高了横向击穿电压。从数值 模拟的结果可以看出，当漂移区长度为7 0 啪，s 0 i 层厚度o 1 啪，埋氧化层厚度 3 岫时，击穿电压大于7 0 0 v 。这种结构要求硅层很薄，埋氧化层很厚，制造电阻 场板也比较困难。 1 4s o i l d m o s 器件的结构设计 2 3 3 台阶状埋氧化层 图2 5加电阻场板的s o i l d m o s 图2 6台阶状埋氧层s o i - l d m o s 有人提出利用台阶状埋氧化层的方法来提高击穿电压【2 0 】，其结构如图2 6 所 示。前面已经提到漂移区的场强最大值在近沟道末端和近漏端，必须同时降低这 两个峰值，才能提高击穿电压，而且横向场强分布是不均匀的。若不采用线性掺 杂，由于s o i - l d m o s 中埋氧化层承担大部分压降，若将它做成线性的形状，将 会得到很好的器件，但这在工艺上是不好实现的。现在通过局部氧化和硅片直接 键合技术将埋氧化层做成台阶状，如图2 6 的形状。这样器件的横向电场基本均 匀，降低了原来电场的峰值，在工妇的中间会出现一个场强的峰值，但幅度减 小很多，提高了击穿电压。采用这种结构不像r e s u r f 结构硅片的厚度和掺杂 浓度都受到一定的限制，只要根据上面的参数来调整三6 。的长度就可以达到最佳 效果，导通电阻也不会增加。由于击穿电压对功率m o s 的重要性，近年来很多 人都在研究如何提高s 0 i l d m o s 的击穿电压，以上列出的只是一部分典型的结 构，还有人提出的u 形漂移区s o i l d m o s 【2 1 】；提出在埋氧化层下加一个n + 块闳； 提出的部分s o h 。d m o s 结构【2 3 】等等。 第二章s o i l d m o s 的击穿特性 2 3 4 各种耐压结构的比较 i 、常规r e s u i 江结构 降低了表面的电场，将击穿引到体内，由埋氧化层承担高电压，可以得到很 高的击穿电压，对工艺没有特殊要求，目前应用广泛。缺点是提高击穿电压的同 时导通电阻会增加，漂移区越长耐压越好但受到器件尺寸限制，对于薄膜器件的 效果不好。 i i 、漂移区非均匀掺杂的r e s u r f 结构 将漂移区两端的电场峰值降低，电场趋于平坦，可以减小k i i l k 效应，同时还 可以降低导通电阻，减弱寄生双极晶体管效应，提高饱和漏电流，增强驱动能力。 缺点是工艺复杂，甚至很难实现；要求长的漂移区，影响电路的集成度，只适用 于薄膜器件。 、应用电阻场板的结构 半绝缘多晶硅电阻场板可以使表面势均匀分布，提高器件的横向击穿电压， 漂移区可以用很高的掺杂，减小了导通电阻，实现高耐压、低损耗的l d m o s 。 缺点是为了承受高压，要求硅膜层很薄，埋氧化层很厚，只适用于薄膜器件，半 绝缘多晶硅电阻场板的制造比较困难。 、台阶状埋氧化层结构 使横向电场均匀，只需考虑纵向压降；漏下面的埋氧化层比较厚，可以承受 更高的场强，n - 区的掺杂浓度可适当提高，有利于降低导通电阻。缺点是由于埋 氧化层在硅的内部，想做成台阶状，工艺上比较麻烦。 2 4 本章小结 本章给出了s o i 高压器件的耐压模型和击穿判据。对多种耐压结构进行比较， 分别为常规r e s u r f 结构、漂移区非均匀掺杂的r e s u r f 结构、应用电阻场板 的结构和台阶状埋氧化层结构。分析了各个结构的优缺点，指出其适用的范围。 第三章图形化s o i l d m o s 电容特性的改进 1 7 第三章图形化s o i l d m o s 电容特性的改进 3 1 图形化s o i l d m o s 的特点 s o i 器件可以分为部分耗尽s o i ( p d s o i ：p a n i a l l yd 印l e t e ds o i ) 器件和全 耗尽s o i ( f d s o i