ABE SOI LDMOS结构设计和机理研究

1、LOREM IPSUM DOLOR LOREM LOREM IPSUM DOLOR LOREM ABE SOI LDMOS结构设计和机理结构设计和机理研究研究目录1：SOI概述概述1.1：SOI概念概念1.2：LDMOS结构结构1.3 ：SOI LDMOS 发展特点发展特点1.4：发展及创新：发展及创新2：ABE SOI LDMOS新结构研究及设计新结构研究及设计2.1：新结构：新结构ABE SOL LDMOS 的结构的结构2.2：新结构工作原理：新结构工作原理3 ABE SOI LDMOS 器件仿真器件仿真3.1：新结构界面仿真图：新结构界面仿真图3.2 ：新结构等势线仿真图：新结构等势线仿

2、真图3.3：常规结构与新结构温度特性仿真：常规结构与新结构温度特性仿真3.4：埋层中电极的间距对耐压影响：埋层中电极的间距对耐压影响 1.1：概念 SOI SOI是指从一个绝缘的衬底上再长出一是指从一个绝缘的衬底上再长出一层薄膜，薄膜的材料是由单晶硅组成，或者是层薄膜，薄膜的材料是由单晶硅组成，或者是一绝缘层将单晶硅从支撑的硅衬底中分开的结一绝缘层将单晶硅从支撑的硅衬底中分开的结构。构。SOISOI技术的应用和发展关键是在于技术的应用和发展关键是在于SOISOI材料材料的制作。的制作。SOISOI材料的制作的重点是材料的制作的重点是在一个不导在一个不导电薄层上生长出一层很薄的没有缺陷的单晶电薄

3、层上生长出一层很薄的没有缺陷的单晶硅硅 。SOISOI技术是从上个世纪八十年代发展起来技术是从上个世纪八十年代发展起来的，它属于一种新型的半导体技术。相对于体的，它属于一种新型的半导体技术。相对于体硅技术而言，硅技术而言，SOISOI器件拥有器件拥有速度快，集成度高，速度快，集成度高，工艺简单，漏电流小等许多优点工艺简单，漏电流小等许多优点。由于。由于SOISOI材材料制备技术和微电子工艺的进步，它在各个领料制备技术和微电子工艺的进步，它在各个领域的使用规模正在逐渐扩展域的使用规模正在逐渐扩展 如今如今SOISOI技术在技术在高速低功耗电路高压控制电路，高速低功耗电路高压控制电路，抗辐照电路，

4、耐高温电路抗辐照电路，耐高温电路等领域都有着极其广泛的等领域都有着极其广泛的应用，是应用，是2121世纪硅集成技术世纪硅集成技术. .SOISOI器件作为高压器件作为高压SOISOI集成电路的重要器件，它较低的纵向击穿电压和比集成电路的重要器件，它较低的纵向击穿电压和比较严重的自热效应受到国内外许多专家学者的广泛较严重的自热效应受到国内外许多专家学者的广泛关注并且对其进行深入研究。目前的研究主要是注关注并且对其进行深入研究。目前的研究主要是注重于重于耐压理论耐压理论，耐压模型耐压模型和和新结构新结构这三个方面这三个方面, ,现现如今己研究出多种技术来制作如今己研究出多种技术来制作SOISOI结

5、构，如硅片直结构，如硅片直接键合接键合, ,氧注入隔离，智能剥离，外延层转移，区氧注入隔离，智能剥离，外延层转移，区熔再结晶，横向外延生长等技术熔再结晶，横向外延生长等技术. .SOI 高压二极管示意图设漂移区浓度为设漂移区浓度为x x的函的函数，记为数，记为N(x)N(x)，顶层，顶层硅厚度为硅厚度为 介电常数介电常数为为 ，埋氧层的厚度，埋氧层的厚度为为 ，介电常数为，介电常数为 漂移区长度为漂移区长度为 外加外加电压为电压为stsoxtoxdLappV LDMOS是横向双扩散是横向双扩散MOS管的简称，是目前十管的简称，是目前十分常用的一类功率器件。它采用双扩散技术，即在同分常用的一类功

6、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。与普通以做得很小并且不受光刻精度的限制。与普通CMOS 器件相比它在结构方面的特点有两个器件相比它在结构方面的特点有两个:一是它的沟道区一是它的沟道区由两次不同扩散深度的扩散形成由两次不同扩散深度的扩散形成;二是它的漏极由单一二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的重掺杂变成了由承受电压的轻掺杂区和用于引出电极极的中掺杂区

7、构成。的中掺杂区构成。1.2 LDMOS结构 由于由于SOI器件有着许多优越的特点，目前体硅器件有着许多优越的特点，目前体硅LDMOS器件的结构已经移植到器件的结构已经移植到SOI上，上，LDMOS制造在埋氧化层制造在埋氧化层(BOX)上，可以消除体硅上，可以消除体硅LDMOS器件中器件中PN结的泄漏电结的泄漏电流，减小寄生结电容，提高了器件的速度和增益。厚膜流，减小寄生结电容，提高了器件的速度和增益。厚膜SOI-LDMOS可以用于高压可以用于高压集成电路，它可承受集成电路，它可承受700V的工作电压的工作电压SOI-LDMOS已经应用于功率集成电路和射频已经应用于功率集成电路和射频集成电路中

8、。总的来说，集成电路中。总的来说，SOI LDMOS具有以下特点具有以下特点:(1)隔离效果好，隔离效果好，SOI硅膜的掺杂浓度比较高而衬底采用低掺杂浓度。硅膜的掺杂浓度比较高而衬底采用低掺杂浓度。(2）寄生电容小，器件的速度快，增益高，适于高频的应用。）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。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。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。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

9、要注意散热。具有较严重的自加热效应，器件工作时要注意散热。1.3 SOI LDMOS的发展特点 SOISOI器件由于它自己的衬底几乎不能参与耐压，所以器件由于它自己的衬底几乎不能参与耐压，所以这就导致了这就导致了SOISOI器件的纵向耐压会变得比较低，而器件的纵向耐压会变得比较低，而在在SOISOI器器件中，它的击穿电压是由纵向击穿电压和横向击穿电压中件中，它的击穿电压是由纵向击穿电压和横向击穿电压中的较小值所决定的的较小值所决定的，因此，因此SOISOI器件一般都会拥有着比较低的器件一般都会拥有着比较低的击穿电压而且其较低的纵向耐压也就限制了器件在高压集击穿电压而且其较低的纵向耐压也就限制了

10、器件在高压集成电路中的发展与应用，也限制了其在市场上的发展与应成电路中的发展与应用，也限制了其在市场上的发展与应用。所以我们提出了一种新型的用。所以我们提出了一种新型的ABE SOI LDMOSABE SOI LDMOS，通过在埋通过在埋层中埋入电极，漏端通过分压的方式将电压输入到电极中，层中埋入电极，漏端通过分压的方式将电压输入到电极中，由于界面的硅层点位比埋氧层中的点电极低从而增加了埋由于界面的硅层点位比埋氧层中的点电极低从而增加了埋层界面的电荷密度使得器件的纵向耐压增加层界面的电荷密度使得器件的纵向耐压增加 2.12.1：新结构：新结构ABE SOL LDMOS 的结构的结构 图为图为A

11、BE SOI LDMOS器件的结构图器件的结构图LdLd表示表示新结构器件漂移区的长度，新结构器件漂移区的长度，NdNd表示器件漂移区表示器件漂移区的掺杂浓度，的掺杂浓度，D,HD,H和和W W分别表示的是埋入器件埋分别表示的是埋入器件埋氧层中电极的宽度，高度和它们之间的间距。氧层中电极的宽度，高度和它们之间的间距。 图图3 3：ABE SOI LDMOS ABE SOI LDMOS 工作原理图工作原理图 LDMOS新结构器件把加在漏端的负电压新结构器件把加在漏端的负电压通过分压的形式输送到埋入埋氧层的电极当中，通过分压的形式输送到埋入埋氧层的电极当中，而且会在埋氧层中的电极上方形成一个由源极

12、而且会在埋氧层中的电极上方形成一个由源极到漏极呈线性变化的电势。随着施加在漏端电到漏极呈线性变化的电势。随着施加在漏端电压绝对值增大的过程中，埋氧层中的电极电位压绝对值增大的过程中，埋氧层中的电极电位是要高于界面硅层的电位。所以在埋层电极上是要高于界面硅层的电位。所以在埋层电极上方将会出现电子势阱，而在两个电极之间就会方将会出现电子势阱，而在两个电极之间就会出现空穴势阱，我们通过对埋层电极的设计，出现空穴势阱，我们通过对埋层电极的设计，可以让界面空穴浓度远远地大于电子浓度，使可以让界面空穴浓度远远地大于电子浓度，使得界面上表面电荷密度增加。根据得界面上表面电荷密度增加。根据ENDIFENDIF

13、理论，理论，最终器件纵向击穿电压将会得到增加。并且埋最终器件纵向击穿电压将会得到增加。并且埋层中电极的电位和埋层上界面密度都会随着外层中电极的电位和埋层上界面密度都会随着外加漏压绝对值得增大而增加，降低而减小，这加漏压绝对值得增大而增加，降低而减小，这是一种自适应变化的过程，所以这种结构是具是一种自适应变化的过程，所以这种结构是具有自适应过程的结构。有自适应过程的结构。 2.2 2.2新结构新结构ABE SOL LDMOS 的的工作原理工作原理3 ABE SOI LDMOS 器件仿真 314102cm在本文中，我们将采用仿真软件在本文中，我们将采用仿真软件MEDIC分别对分别对ABE SOI

14、LDMOS新结构和常规结构进行数据新结构和常规结构进行数据仿真仿真(仿真时新结构器件参数仿真时新结构器件参数:器件的漂移区长度器件的漂移区长度Ld=50 um，埋氧层的厚度，埋氧层的厚度tI=1 um，硅层厚度，硅层厚度Ts=5 u m，衬底浓度，衬底浓度Nsub= 图3： （a）上界面空穴分布图 （b）下界面空穴分布图3.1新结构界面仿真图 图图3 3(a)(a)显示的是显示的是ABEABE结构在承受高压的时候埋氧层上界面的空穴浓度，从图中可以看出上结构在承受高压的时候埋氧层上界面的空穴浓度，从图中可以看出上界面空穴的浓度从漏极到源极是呈现线性递增的趋势，他们是准连续的电荷，其最大值界面空穴

15、的浓度从漏极到源极是呈现线性递增的趋势，他们是准连续的电荷，其最大值 但是上界面电子浓度与空穴却是拥有着相反的分布走向，上界面电子的浓度在增加的过程中在但是上界面电子浓度与空穴却是拥有着相反的分布走向，上界面电子的浓度在增加的过程中在接近漏极的一端会逐渐减小到接近漏极的一端会逐渐减小到0 0，它的最大值为，它的最大值为 因为因为SOISOI器件衬底的电位和漏极的电器件衬底的电位和漏极的电位是相等的，所以接近漏端的硅层和埋层的电势就会变成相等，这样就并没有电荷势阱的产生。位是相等的，所以接近漏端的硅层和埋层的电势就会变成相等，这样就并没有电荷势阱的产生。图图3 3(b)(b)显示的是埋氧层下界面

16、电子的浓度，下界面的硅层由于埋氧层中的电极存在的缘故，产显示的是埋氧层下界面电子的浓度，下界面的硅层由于埋氧层中的电极存在的缘故，产生了与空穴浓度可以相比拟的反型电子，它从源极到漏端也是接近着线性分布，最为生了与空穴浓度可以相比拟的反型电子，它从源极到漏端也是接近着线性分布，最为 。空穴在埋层下界面聚集的数量很少，最大数值也仅仅为空穴在埋层下界面聚集的数量很少，最大数值也仅仅为 。在埋层的上界面，电子和。在埋层的上界面，电子和空穴是相互交替出现的，电子分布在埋层电极的上面，而空穴聚集在两个电极之间在埋层上下空穴是相互交替出现的，电子分布在埋层电极的上面，而空穴聚集在两个电极之间在埋层上下界面分

17、别产生的从源端到漏端线性降低的界面自适应电荷，这些电荷增加了界面电荷密度。根界面分别产生的从源端到漏端线性降低的界面自适应电荷，这些电荷增加了界面电荷密度。根据据ENDIFENDIF理论，这些电荷能增加器件的纵向耐压。理论，这些电荷能增加器件的纵向耐压。3181034. 2cm3171076. 4cm3181049. 2cm35105 . 1cm3.2 新结构等势线仿真图 图图2-52-5是显示的是是显示的是ABEABE新结构和常规结新结构和常规结构等势线和表面电场分布。由于界面自适构等势线和表面电场分布。由于界面自适应电荷的引入，我们可以看出这样会使得应电荷的引入，我们可以看出这样会使得AB

18、EABE结构的漂移区内等势线分布比常规结结构的漂移区内等势线分布比常规结的更加均匀，比较这两种结构的表面电场的更加均匀，比较这两种结构的表面电场可以得出，由于埋层中电极的电位从漏端可以得出，由于埋层中电极的电位从漏端到源端绝对值线性降低并到源端绝对值线性降低并构构且埋层每个电且埋层每个电极之间间距都相等，所以埋氧层界面的电极之间间距都相等，所以埋氧层界面的电势由漏极到源极呈阶梯状接近等差降低，势由漏极到源极呈阶梯状接近等差降低，这使得新结构内的漂移区内除了电势接近这使得新结构内的漂移区内除了电势接近线性分布外，其表面电场也更加接近矩形线性分布外，其表面电场也更加接近矩形显示。显示。 图图5 5

19、：常规结构与新结构温度特性：常规结构与新结构温度特性 图图3 3显示的是显示的是ABE SOIABE SOI和常规和常规SOISOI三维温度和表三维温度和表面温度的比较，由图中可以看出常规结构面温度的比较，由图中可以看出常规结构SOISOI的表的表面结构是要远远高于面结构是要远远高于ABEABE结构的。其表面温度的最结构的。其表面温度的最大值大值T T达到了达到了312.6K312.6K，而，而ABEABE新结构的表面温度的最新结构的表面温度的最大值仅仅只有大值仅仅只有305k0305k0由此可以看出，新结构表面温由此可以看出，新结构表面温度相对于常规结构而言，它会有很大程度上的降低。度相对于

20、常规结构而言，它会有很大程度上的降低。ABEABE结构的电流分布和常规结构相比会变地更加均结构的电流分布和常规结构相比会变地更加均匀，这样的话，就可以改善常规结构由于空穴的迁匀，这样的话，就可以改善常规结构由于空穴的迁移率低而导致移率低而导致pLDMO SpLDMO S电流能力比较差的问题，这电流能力比较差的问题，这对降低器件温度会有较大的帮助。在本文提出的新对降低器件温度会有较大的帮助。在本文提出的新结构与常规结构相比，除了拥有更好的耐压，而且结构与常规结构相比，除了拥有更好的耐压，而且器件表面温度更低，拥有更弱的自热效应。器件表面温度更低，拥有更弱的自热效应。3.3常规结构与新结构温度特性

21、仿真 图图7 7显示的是电极间的间距对耐压和比导通电阻的影显示的是电极间的间距对耐压和比导通电阻的影响，从图中可以看响，从图中可以看: :出，当电极间距从出，当电极间距从gumgum增加到增加到3 um3 um的的过程时，器件的耐压和比导通电阻并没有很大的影响。过程时，器件的耐压和比导通电阻并没有很大的影响。但当电极间的间距从但当电极间的间距从3 um3 um开始增加时，器件的耐压就急开始增加时，器件的耐压就急剧得降低，当间距增加到剧得降低，当间距增加到3.3.5 5umum时，器件的耐压己经下降时，器件的耐压己经下降到只有到只有412.5V412.5V，而当间距再增加，而当间距再增加0.0.

22、5 5umum，变成，变成4um4um时，这时，这时器件的耐压仅仅只有时器件的耐压仅仅只有195.01V195.01V。这充分说明电极的间距这充分说明电极的间距之间存在一个饱和值，当电极的间距在逐渐增大，超过之间存在一个饱和值，当电极的间距在逐渐增大，超过某一个数值时，就会使得势阱高度降低，所以其束缚电某一个数值时，就会使得势阱高度降低，所以其束缚电荷电荷能力减弱，导致埋层上界面电荷密度减小，从而荷电荷能力减弱，导致埋层上界面电荷密度减小，从而器件的耐压急剧降低。器件的耐压急剧降低。图图7 7：电极间距对耐压和比导的影响：电极间距对耐压和比导的影响3.43.4埋层中电极的间距对耐压影响埋层中电

23、极的间距对耐压影响 通过理论分析和在用通过理论分析和在用MEDIC对器件进行参数仿真的条件上，提出自适应埋电极的对器件进行参数仿真的条件上，提出自适应埋电极的SOI耐压模型，耐压模型，这是一种高压这是一种高压SOI器件的新结构。该器件结构的特征在于在普通的器件的新结构。该器件结构的特征在于在普通的SOI器件埋层中埋入等间距，小体积，器件埋层中埋入等间距，小体积，多数量的电极。并且电极的位置要接近埋层上界面。在埋层中埋入电极，漏端通过分压的形式将负电多数量的电极。并且电极的位置要接近埋层上界面。在埋层中埋入电极，漏端通过分压的形式将负电压输入到埋层的电极中，使得埋层电极上方形成由源极到漏逐极渐增

24、加的电势，由于压输入到埋层的电极中，使得埋层电极上方形成由源极到漏逐极渐增加的电势，由于界面硅层电位低界面硅层电位低于电极电位，就在埋层上界面形成了电荷势阱，束缚住电荷，从而增加了埋层界面的电荷密度于电极电位，就在埋层上界面形成了电荷势阱，束缚住电荷，从而增加了埋层界面的电荷密度.器件的器件的纵向耐压得到增加。通过纵向耐压得到增加。通过MEDIC对新结构器件进行仿真，可以得出以下结论，在对新结构器件进行仿真，可以得出以下结论，在相同结构参数的条件相同结构参数的条件下下(漂移区长度为漂移区长度为S Oum，器件总长度为，器件总长度为62um，器件厚度为，器件厚度为Gum，埋氧层厚度为，埋氧层厚度为lum)，常规结构器件，常规结构器件仿真得出的耐压仅仅只有一仿真得出的耐压仅仅只有一157.14V，而，而ABE SOI LDMOS器件的耐压达到了器件的耐压达到了574.34V，由此可以看出，由此可以看出新结构相对于常规结构来说，耐压得到比较大的增强。而且器件中的新结构相对于常规结构来说，耐压得到比较大的增强。而且器件中的N-top层长度，厚度及浓度对器件层长度，厚度及浓度对器件的耐压和比导通电阻并没有很大的影响，并且埋氧层中埋入的电极的宽度和厚度对器件的耐压和比导的耐压