论文部分内容阅读
SOI横向高压MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor)作为SOI功率集成电路的核心器件之一,其低纵向耐压、自热效应以及比导通电阻与耐压之间存在“硅极限”等缺点限制了其应用。通过优化SOI器件的纵向结构和横向结构,本文提出三种新型SOI横向功率MOSFET结构,达到提高耐压、缓解自热效应、降低比导通电阻以及实现小型化的目标。1、改变SOI器件纵向结构是根据荷致高场理论提出两种新型SOI器件结构：双面电荷槽(Double-sided charge-Trench) Partial SOI (DTPSOI) LDMOS和阶梯埋氧复合埋层高压SOI (SBO CBL SOI) LDMOS。这两种结构同时缓解了SOI器件低纵向耐压和自热效应的缺点。(1)提出并成功研制了700V级的DTPSOI LDMOS,该结构在部分埋氧层上下表面形成双面氧化物槽。上界面槽束缚反型层空穴,下界面槽收集电子,两种电荷提高埋氧层电场,DTPSOI埋层的最高电场从常规SOI的90V/μm提高到了340V/μm以上；同时,利用硅窗口使衬底承受耐压,并提供散热通道。在提高耐压的基础上缓解自热效应；在Vgs=15V和功耗为1mW的条件下,相对于常规SOI, DTPSOI器件最高温度下降了10K。在顶层硅7.8μm和埋层2.7μm上仿真设计出737V的DTPSOI LDMOS。与合作单位联合开发了一套非平面埋层SOI材料的制备工艺,成功研制出最高耐压为720V的TPSOI LDMOS.(2)提出800V级SBO CBL SOI LDMOS,其阶梯埋氧复合埋层由上、下埋氧层以及两埋氧层之间的多晶硅层构成,其中上埋氧层具有阶梯结构。利用阶梯埋氧和上层埋氧将空穴束缚在上、下埋氧层的上界面,使上层埋氧和下层埋氧的电场从习用埋氧层电场的90V/μm分别提高到了140V/gm和460V/μm。在10μm顶层硅、上层埋氧2.5μm和下层埋氧0.5μm的复合埋层SOI材料上仿真出耐压为847V LDMOS器件。薄的下层埋氧大大缓解了自热效应,在Vd=10V和Vgs=15V的情况下,器件最高温度相对于常规SOI下降了5.77K；并且,SBO CBL SOI器件结构消除了常规SOI的背栅效应。2、改变SOI器件横向结构是根据介质槽折叠漂移区的概念,提出一种高压低功耗的可集成SOI功率横向MOSFET器件(DT SOI MOSFET),正在进行流片。该结构缓解了比导通电阻与耐压的矛盾关系,突破了硅极限,DT SOI MOSFET的结构特征是：延伸到埋氧层的槽栅和漂移区中的介质槽。介质槽沿纵向折叠漂移区,从而使器件等效漂移区长度大大增加。在漂移区长3gm、顶层硅厚7.5μm和埋氧层厚1μm的SOI材料上设计出的DT SOI MOSFET,相对于同尺寸常规SOI,耐压提高约162%,导通电阻下降约46%。设计了一套合作单位可实施的工艺方案,解决了二氧化硅平坦化和槽栅工艺难度大的问题,并完成了版图的绘制,正在进行流片。