基于增强介质层电场技术的新型soi高压器件研究

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1、重庆大学硕士学位论文1绪论上的硅膜结构一般称之为SOS（silicononsapphire）。90年代初期，SOI的制备技术发生了质的飞跃，各式各样的SOI制备方法被应用。目前主流的SOI材料制备技术主要分别是以二氧化硅和硅作为介质层和衬底层材料，制作方法包括硅片直接键合法、注氧隔离法、智能剥离技术、横向外延生长等。这几种技术发展都比较成熟，能够得到高性能的SOI材料。国际上也大力开展了多项的SOI技术的研究工作，并且都获得了一定的科研成就，在实际生产应用中也形成了相当的行业规模。而随着科技工作者的不断努力，SOI技术将会越来越成熟，在社会的发展中发挥着举足轻重的作用。1.2SOI高压

2、器件研究现状众所周知，低耐压和自热效应限制了SOI高压器件的发展。SOI高压器件的耐压比体硅器件要低得多，因为耗尽层不能向衬底扩展，纵向电压由表面硅层和绝缘层来共同承受的[8]，而不能像体硅器件那样可以让衬底承担大部分耐压，这也是SOI高压器件耐压问题的研究热点。SOI高压器件的横向耐压与体硅高压器件类似，因此可以将体硅器件的终端技术等应用到SOI高压器件上[9]。由于SOI高压器件纵向电压全部集中在硅层和介质层上，因此它与硅层以及介质层厚度有关，所以可以通过改变硅层以及介质层的厚度来改善器件的耐压。SOI高压器件的击穿电压由其横向击穿电压和纵向击穿电压共同决定。针对如何提高SOI高压

3、器件的耐压这一话题，已经引起了国际上大量的学者的关注与讨论[10]。他们分别从横向耐压和纵向耐压这两个方面来考虑提高SOI高压器件的击穿电压问题。1.2.1横向耐压技术通过对SOI高压器件的研究，最开始的时候是运用体硅器件的结终端耐压技术来解决SOI器件所带来的耐压问题[11]。根据体硅技术的RESURF原理，漂移区浓度Nd不平衡时，漏端或源端表面电场不一致，某一端的电场过高，从而导致提前击穿，所以耐压值不高[12-15]。而通过优化漂移区浓度后，使漏端和源端表面电场达到一定的平衡，器件的击穿电压仅仅是由它的纵向击穿电压决定，器件耐压值将达到峰值[16-17]。但是相比较于漂移区不是很

4、短或漂移区厚度不是很厚的器件而言，通过优化浓度使其击穿电压由纵向耐压值决定是几乎不可能的[18]。一些研究者将Double-RESURF技术应用于SOI高压器件，即在漂移区表面插入导电类型相反的降场层来改善表面电场[19]，这成为了优化器件击穿电压和导通电阻矛盾问题的有效解决途径。他们在顶层硅1.4μm和介质层2.8μm下研制出击穿电压为820V，导通电阻为12Ω·mm2的高压LDMOS。另一些学者则通过改变导电类型相反的降场层，用导电类型相同的重掺杂层来代替它，形成一个表面掺杂的SOIRESURF结构。该结构也能达到同样的效果。他们通过模拟仿真顶层硅厚度为5μm2重庆大学硕士学位论文

5、1绪论和介质层厚度为2μm时，结果得到的击穿电压为297V[20]。还有一部分人把表面掺杂层改为线性分布，在相同结构下效果发生了显著的变化，击穿电压提高了40%，而导通电阻下降了83%。1.2.2纵向耐压技术SOI高压器件的击穿电压不仅要考虑到其横向击穿电压，而且也要考虑到它的纵向击穿电压，并且其最大耐压值是由他们二者中较小的一个决定的[23]。由于介质层阻止了器件耗尽区的电荷向衬底扩展，使衬底不能参与耐压，所以SOI高压器件的纵向击穿电压仅由硅漂移区和介质层厚度决定。但是由于器件本身的结构和材料制备工艺技术的局限性，顶层硅和介质层都需要求尽量薄一些。这是因为硅层太厚，将为介质隔离带来

6、困难；介质层太厚，不仅工艺实施难度大，而且不利于器件散热。所以SOI器件需要在薄顶层硅和薄介质层上提高纵向耐压。目前国际上主流纵向耐压技术为介质场增强技术，将在下一节详细介绍。1.3高压SOI介质场增强技术在SOI高压器件介质层电场临界化的思想基础上，根据包含界面电荷的高斯定理，在原有的基础上，国际上发展了一个新的纵向耐压理论—SOI介质层电场增强ENDIF普适理论。该理论通过增强介质层的电场而提高SOI器件的纵向击穿电压。ENDIF理论给出了增强介质层以提高器件纵向耐压的三项技术，它可以描述当今世界上典型的纵向耐压结构的基本机理，同时在新器件的设计方面给出一个明确的方向。由前面分析可

7、知，为了提高SOI高压器件的纵向耐压，最直接的方法之一是提高介质层的电场，而提高介质层电场可以从以下三个方面考虑：(1)电荷型介质层增强技术。通过在漂移区/埋层界面引入界面电荷，满足具有界面电荷的高斯定理，提高介质层电场从而提高耐压；(2)薄硅层介质场增强技术。采用超薄顶层硅膜，通过提高硅层电场而增加介质层电场；(3)变K介质场增强技术。在硅与介质层之间满足无界面电荷的高斯定理条件下，根据介质层与硅层中电场两者之间的关系，通过引入低介电系数且高