SOI橫向高壓器件縱向耐壓理論與新結(jié)構(gòu).pdf

1、SOI（Silicon On Insulator）即“絕緣體上的硅”被稱為二十一世紀(jì)的硅集成技術(shù)，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)帶來隔離性能好、漏電流小、速度快、抗輻照和功耗低等優(yōu)點(diǎn)，充分發(fā)揮了硅集成電路技術(shù)的潛力，特別是SOI高壓集成電路（High VoltageIntegrated Circuit，HVIC）在未來空天抗輻照領(lǐng)域具有特殊作用，因而得以廣泛發(fā)展和應(yīng)用。SOI橫向高壓器件作為HVIC的基石，由于介質(zhì)層阻止了其耗盡區(qū)向襯底層擴(kuò)展，使得習(xí)用的

2、器件縱向耐壓僅由頂層硅和介質(zhì)層承擔(dān)。而因隔離和散熱的限制，頂層硅和介質(zhì)層都不能太厚，同時(shí)由界面處無電荷高斯定理，使得器件擊穿時(shí)的介質(zhì)層電場僅為硅臨界場的3倍即100V/μm左右，遠(yuǎn)未達(dá)到實(shí)際常用介質(zhì)材料如SiO2的臨界場600V/μm，所以SOI橫向高壓器件縱向耐壓較低，限制了HVIC的應(yīng)用和發(fā)展，目前投入應(yīng)用的還沒有突破600V的瓶頸。對此，國內(nèi)外眾多學(xué)者進(jìn)行了深入研究，當(dāng)前工作主要集中在新理論模型和新器件結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面。本文在對習(xí)用的

3、SOI橫向高壓器件研究的基礎(chǔ)上，圍繞縱向耐壓新理論、新模型和新器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。完善一個(gè)統(tǒng)一的縱向耐壓新理論一介質(zhì)場增強(qiáng)（ENhanced Dielectric layer Field，ENDIF）普適理論；首次建立一項(xiàng)新的電場模型一基于閾值能量經(jīng)典雪崩擊穿理論的硅臨界擊穿電場與其厚度定量關(guān)系模型；在ENIDF指導(dǎo)下提出兩類電荷型SOI高壓器件新結(jié)構(gòu)-電荷島型高壓器件和復(fù)合介質(zhì)埋層高壓器件。
　　 ⑴完善介質(zhì)場增強(qiáng)ENDIF理論

4、，是優(yōu)化設(shè)計(jì)SOI橫向高壓器件縱向耐壓的普適理論。該理論基于介質(zhì)場臨界化的思想，通過增強(qiáng)介質(zhì)層電場而提高SOI器件的縱向擊穿電壓。根據(jù)包含界面電荷的高斯定理，ENDIF給出增強(qiáng)介質(zhì)層電場的三類技術(shù)：采用具有可變高臨界電場的超薄頂層硅；引入低介電系數(shù)介質(zhì)埋層；在介質(zhì)層界面引入電荷。用ENDIF對現(xiàn)有典型縱向耐壓結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論上的概括與解釋，并用以指導(dǎo)新的器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。ENDIF理論是新的高壓SOI器件擊穿電壓終端理論，它突破了傳統(tǒng)SOI橫向

5、高壓器件的局限。
　　 ⑵建立硅臨界電場與其厚度定量關(guān)系解析模型?；陂撝的芰拷?jīng)典雪崩擊穿理論，選擇計(jì)及閾值能量的電離率公式，首次推導(dǎo)出適用于厚、薄硅層的硅臨界電場與其厚度以及適用于高、低摻雜的硅臨界電場與其摻雜濃度的新定量關(guān)系模型，獲得了超薄硅層或者超高濃度情況下遠(yuǎn)高于常規(guī)30V/μm的硅臨界電場，并由此獲得SOI高壓器件的介質(zhì)場與縱向耐壓的統(tǒng)一解析模型。討論納米級超薄硅層的臨界場與電離率弛豫關(guān)系半經(jīng)典模型。最后將該研究方法推

6、廣應(yīng)用于其他半導(dǎo)體材料及器件。
　　 ⑶在ENDIF指導(dǎo)下，提出兩類新的電荷型介質(zhì)場增強(qiáng)高壓器件一具有界面電荷島的系列高壓器件和具有復(fù)合埋層的SOI高壓器件。①具有界面電荷島的系列高壓器件（Charge Islands，CI）。該類器件在介質(zhì)層界面注入高濃度摻雜區(qū)，未耗盡高摻雜區(qū)內(nèi)的電離雜質(zhì)庫侖力以及電場力的綜合作用將在界面束縛電荷，利用界面電荷對介質(zhì)場的增強(qiáng)作用和對頂層硅電場的削弱作用來提高器件耐壓。主要包括：界面電荷島SOI

7、高壓器件（CI SOI），在5μm項(xiàng)層硅、1μm介質(zhì)層和60μm漂移區(qū)獲得了606V的高壓，介質(zhì)場達(dá)582V/μm；界面電荷島部分SOI高壓器件（CI PSOI），求解二維泊松方程推導(dǎo)此類結(jié)構(gòu)縱向界面電場解析模型，獲得631V高壓，其最高表面溫度分別比常規(guī)SOI和PSOI結(jié)構(gòu)降低14.91K和7.66K；改進(jìn)型的界面電荷島部分SOI高壓器件（ICI PSOI），在80μm漂移區(qū)和20μm硅窗口上獲得耐壓663V的ICI PSOI，較相同

8、尺寸CI PSOI提高85V，同時(shí)保持較低的自熱效應(yīng)；基于ESIMOX技術(shù)的CI SOI高壓器件，在2μm頂層硅、0.375μm介質(zhì)層和15μm漂移區(qū)上獲得了230V的耐壓，遠(yuǎn)高于常規(guī)結(jié)構(gòu)；雙面界面電荷島SOI高壓器件（DCI PSOI），獲得了750V的耐壓，高于相同尺寸下單面電荷島結(jié)構(gòu)的685V及常規(guī)SOI結(jié)構(gòu)的206V。②復(fù)合埋層的SOI高壓器件（SOI with Composite Buried Layer，CBIL SOI）。

9、該類結(jié)構(gòu)的介質(zhì)埋層包含兩層氧化層，兩層埋氧之間填充多晶，利用兩層埋氧承受耐壓，且多晶硅下界面的電荷增強(qiáng)了第二埋氧層的電場，從而提高器件耐壓。主要包括：單窗口雙埋層SOI高壓器件（SWCBL SOI），該結(jié)構(gòu)第一埋層開有一個(gè)硅窗口，獲得865V的高壓，高于相同尺寸常規(guī)SOI結(jié)構(gòu)232V；雙窗口雙埋層SOI高壓器件（DWCBL SOI），該結(jié)構(gòu)第一層埋氧層開有兩個(gè)窗口，并且上下兩個(gè)埋氧層相連。在201μm頂層硅、2μm第一埋氧層、1μm第二