屏蔽槽SOI高壓器件新結(jié)構(gòu)與耐壓機理ppt課件

1、屏蔽槽SOI 高壓器件新構(gòu)造和耐壓機理趙婷2019年3月29日 標題 摘要 引言 器件構(gòu)造和機理 結(jié)果與討論 結(jié)論背景背景問題問題提出具有屏蔽槽的SOI 高壓器件新結(jié)構(gòu)和自適應(yīng)界面電荷耐壓模型. 該結(jié)構(gòu)在屏蔽槽內(nèi)產(chǎn)生跟隨漏極電壓變化的界面電荷, 此電荷使埋層介質(zhì)的縱向電場增加, 同時使頂層硅的縱向電場降低, 并對表面電場進行調(diào)制, 因此屏蔽了高電場對頂層硅的影響.方法方法借助二維器件仿真研究器件耐壓和電場分布與結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系.結(jié)論結(jié)論結(jié)果表明, 該結(jié)構(gòu)使埋氧層的電場從傳統(tǒng)的3ESi 升高到近600V /m , 突破了傳統(tǒng)SOI 器件埋氧層的耐壓值, 大大提高了SOI 器件的擊穿電壓. SOI器

2、件的高速、低功耗、高集成度等優(yōu)越性能使其在VLSI 領(lǐng)域得到廣泛關(guān)注, 但其較低的縱向耐壓限制了其在高壓功率集成電路中的運用. 為此, 國內(nèi)外眾多學(xué)者提出了一些新構(gòu)造. 在Si/SiO2界面引入電荷, 利用SiO2高臨界擊穿電場的特點, 經(jīng)過提高埋氧層電場而提高器件縱向耐壓, 是一種非常有效的方法. 如在Si/SiO2的界面插入N+薄層, 但其漏電流較大, 且需準確控制N+層的密度, 否那么將在外表源端或漏端提早擊穿;注入階梯埋氧層固定界面電荷(step fixed interface charge,SFIC)在一定程度上緩解了上述兩個問題, 但其工藝相對略微復(fù)雜.本文提出屏蔽槽(shield

3、ing trench,ST)SOI高壓器件新構(gòu)造, 屏蔽槽束縛Si /SiO2 界面反型層的電荷, 且該電荷是從源到漏逐漸遞增的、跟隨漏極電壓而變化的自順應(yīng)界面電荷,自順應(yīng)電荷對縱向電場調(diào)制的同時還能改善橫向電場分布,故可大大提高器件耐壓.仿真結(jié)果闡明,采用ST構(gòu)造,對Si層厚度4m , 埋氧層厚度為1m的SOI LDMOS,耐壓可達635V,而耐壓超越600V 的傳統(tǒng)SOI LDMOS,需求4m以上的埋氧層和約20m厚的Si層.可見,該構(gòu)造不僅可以提高耐壓, 同時可以減少SOI器件的縱向尺寸,最大限制地抑制自熱效應(yīng)和浮體效應(yīng), 因此, 本文所提出的構(gòu)造對SOI功率電子器件具有重要意義.器件構(gòu)

4、造和機理具有屏蔽槽構(gòu)造的SOI LDMOS 器件構(gòu)造如圖1(a)所示. 圖中ts ,tox 分別代表Si層和埋氧層厚度.當漏極加較大正電壓Vd , 柵、源極和襯底接地時,Si/SiO2界面Si側(cè)構(gòu)成反型層. 器件構(gòu)造和機理假設(shè)槽高H足夠大,就能阻止漂移區(qū)橫向電場對反型層電荷的抽取,從而在槽底部束縛高濃度的空穴,如圖1(b)所示.設(shè)槽內(nèi)空穴的面密度為Qs,那么在Si/SiO2界面,電位移延續(xù)性為ox Eox =ESiSi +Qs ,其中ESi,Eox和Si,ox分別是界面處Si和SiO2的電場和介電常數(shù).隨著Qs的添加, Eox將可從傳統(tǒng)構(gòu)造(Qs =0)的3ESi提高至其臨界擊穿電場(本文選6

5、00V/m).器件構(gòu)造和機理采用RESURF技術(shù)和結(jié)終端技術(shù)優(yōu)化橫向電場, 可使器件擊穿由縱向決議. 在縱向電場最強的漏端下采用一維近似, SiO2 擊穿前, 器件的縱向電壓可寫成:式中K=Si /ox ;t=0.5ts +Ktox , 為SOI器件的特征厚度. (1)式右邊第一項為哪一項傳統(tǒng)SOI LDMOS 的縱向壓降. 可見, 高濃度的界面電荷能大大提高縱向耐壓. Si /SiO2 界面縱向電場為界面電荷產(chǎn)生如圖1(b)所示的附加縱向電場E,E, 該電場使埋氧層內(nèi)縱向電場加強, 同時減弱Si層的電場, 屏蔽高電場對Si層的影響, 因此提高了器件的縱向擊穿電壓.器件構(gòu)造和機理本文中局域界面

6、電荷密度為pn0是漂移區(qū)平衡空穴濃度;Vs(x)為漂移區(qū)上外表電勢;?s(x)為漂移區(qū)下外表電勢,其從源到漏區(qū)逐漸添加.Qs 受Vd ,?s ,ts ,tox 以及槽形構(gòu)造參數(shù)的調(diào)制. 調(diào)理槽寬W和槽間距D,可使Si/SiO2界面實現(xiàn)從源到漏區(qū)逐漸遞增的準延續(xù)分布的界面電荷, 該電荷對外表電場的調(diào)制造用使外表電場更均勻. 槽內(nèi)大部分區(qū)域電荷均勻分布, 邊角處電場集中使其電荷濃度稍高;同時,電場的橫向分量使空穴在槽內(nèi)接近源極的一邊濃度略高.平衡時, 各屏蔽槽內(nèi)橫向電場為零, 槽內(nèi)等電勢. 思索電荷分布的影響, 引進外形因子k, k與槽的幾何外形、ts 及tox 有關(guān),01m ,其耐壓遠遠高于傳統(tǒng)

7、SOI 器件, 且當ts 10m , 電勢大部分壓降落在SiO2 層上, 所以擊穿電壓隨ts 添加幾乎不變, 只需當ts 較大時, Si 層接受電壓添加使器件耐壓逐漸上升. 目的目的無 創(chuàng)新創(chuàng)新本文提出具有屏蔽槽的SOI 高壓器件新結(jié)構(gòu)及界面電荷耐壓機理. 在外加電壓作用下, 屏蔽槽內(nèi)產(chǎn)生跟隨漏極電壓變化的界面電荷, 利用該電荷對電場的調(diào)制作用, 通過增加埋氧層耐壓和優(yōu)化表面電場而達到提高器件擊穿電壓的目的. 局限局限 意義意義二維器件仿真結(jié)果表明, 該結(jié)構(gòu)使埋氧層內(nèi)電場從傳統(tǒng)SOI 的約3ESi升高至其臨界擊穿電場, 大大提高了器件耐壓. 該結(jié)構(gòu)在保證較高耐壓的同時可以減小縱向尺寸, 因而最大限度地降低浮體效應(yīng)和自熱效應(yīng)的影響, 拓寬了SOI 器件在高壓集成電路中的應(yīng)用范圍. 展望展望無本文提出具有屏蔽槽的SOI 高壓器件新構(gòu)造及界面電荷耐壓機理. 在外加電壓作用下, 屏蔽槽內(nèi)產(chǎn)生跟隨漏極電壓變化的界面電荷, 利用該電荷對電場的調(diào)制造用, 經(jīng)過添加埋