具有电阻场板的薄膜SOI-LDMOS的精确解析

介绍了一种对具有电阻场板的薄膜SOI-LDMOS的精确解析设计方法.在对电场分析的基础上,提出了新的电离率模型,并求出了电离率积分的准确路径,进而得到击穿电压、漂移区掺杂、漂移区长度与SOI硅层厚度、埋氧层厚度的关系.模拟结果表明,解析与模拟结果具有很好的一致性,而且设计的器件具有击穿电压大、比导通电阻极小的优点.该解析理论为在薄膜SOI材料上制作性能优良的高压功率器件提供了一个很好的参考.     

具有L型栅极场板的双槽双栅绝缘体上硅器件新结构

为了降低绝缘体上硅（SOI）功率器件的比导通电阻,同时提高击穿电压,利用场板（FP）技术,提出了一种具有L型栅极场板的双槽双栅SOI器件新结构.在双槽结构的基础上,在氧化槽中形成第二栅极,并延伸形成L型栅极场板.漂移区引入的氧化槽折叠了漂移区长度,提高了击穿电压;对称的双栅结构形成双导电沟道,加宽了电流纵向传输面积,使比导通电阻显著降低;L型场板对漂移区电场进行重塑,使漂移区浓度大幅度增加,比导通电阻进一步降低.仿真结果表明：在保证最高优值条件下,相比传统SOI结构,器件尺寸相同时,新结构的击穿电压提高了123%,比导通电阻降低了32%;击穿电压相同时,新结构的比导通电阻降低了87.5%;相比双槽SOI结构,器件尺寸相同时,新结构不仅保持了双槽结构的高压特性,而且比导通电阻降低了46%.     

具有纵向源极场板的绝缘体上硅器件新结构

采用软件仿真一系列横向双扩散金属氧化物半导体场效应管(Laterally double-diffused metal oxide semiconductor,LDMOS)结构,为缓解绝缘体上硅(Silicon on insulator,SOI)器件的击穿电压VB和漂移区的比导通电阻Ron.sp之间的矛盾关系,提出了一种具有纵向源极场板的双槽SOI新结构。该结构首先采用槽栅结构,以降低比导通电阻Ron.sp;其次,在漂移区内引入SiO_2介质槽,以提高击穿电压VB;最后,在SiO_2介质槽中引入纵向源极场板,进行了电场重塑。通过仿真实验,获得器件表面电场、纵向电场曲线及器件击穿时的电势线和导通时的电流线等。结果表明,新结构的VB较传统LDMOS器件提高了121%,Ron.sp降低了9%,器件优值FOM值达到15.2 MW·cm~(-2)。     

横向超结器件衬底辅助耗尽效应的研究与展望

横向超结双扩散MOS (SJ-LDMOS)的性能优越,在高压集成电路和功率集成电路中具有广阔的应用前景,而衬底辅助耗尽效应是制约横向超结功率器件性能的重要因素之一.分析了SJ-LDMOS衬底辅助耗尽效应的产生机理,总结了当前国内外消除SJ-LDMOS衬底辅助耗尽效应的技术,比较了各种技术的比导通电阻与击穿电压的关系.最后,从设计技术、工艺及理论模型三个方面,对横向超结器件的发展方向进行了展望.     

电阻场板LDMOS表面电场解析模型及优化设计

提出具有电阻场板(Resistive field plate,RFP)硅基LDMOS表面电场和击穿电压解析模型。基于求解二维Poisson方程,此模型给出了二维表面电场和电势与器件结构参数和漏偏压关系的解析表达式;计算漂移区长度与击穿电压的关系,提出了一种优化高压器件的有效方法。解析结果与用MEDICI模拟的数值结果吻合较好,验证了模型的准确性,该模型可用于体硅RFPLDMOS的设计优化。     

一种新型的低导通电阻折叠硅SOI LDMOS

提出了一种具有折叠硅表面SOI-LDMOS(FSOI-LDMOS)新结构.它是将硅表面从沟道到漏端的导电层刻蚀成相互排列的折叠状,且将栅电极在较薄的场氧化层上一直扩展到漏端.由于扩展栅电极的电场调制作用使FSOI-LDMOS在比一般SOI-LDMOS浓度高的漂移区表面,包括折叠硅槽侧面形成多数载流子积累,积累的多数载流子大大降低了漂移区的导通电阻.并且沟道反型层浓度基于折叠的硅表面而双倍增加,沟道导通电阻降低.通过三维仿真软件ISE分析,这种结构可以在低于40V左右的击穿电压下,获得超低的比导通电阻.     

用于智能功率集成电路的PTG-LDMOST

提出一种用于智能功率集成电路的基于绝缘体上硅(SOI)的部分槽栅横向双扩散MOS晶体管(PTG-LDMOST)。PTG-LDMOST由传统的平面沟道变为垂直沟道,提高了器件击穿电压与导通电阻之间的折衷。垂直沟道将开态电流由器件的表面引向体内降低了导通电阻,而且关态的时候耗尽的JFET区参与耐压,提高单位漂移区长度击穿电压。仿真结果表明:对于相同的10微米漂移区长度,新结构的击穿电压从常规结构的111V增大到192V,增长率为73%。     

两层金属场极板高压LDMOS的优化设计

采用场极板结终端技术提高LDMOS击穿电压,借助二维器件仿真器MEDICI软件对基于体硅CMOS工艺500V高压的n-LDMOS器件结构和主要掺杂参数进行优化,确定漂移区的掺杂浓度(ND)、结深(Xj)和长度(LD)。对多晶硅场极板和两层金属场极板的结构参数进行模拟和分析,在不增加工艺复杂度的情况下,设计一种新型的具有两层金属场极板结构的500Vn-LDMOS。模拟结果表明,双层金属场极板结构比无金属场极板结构LDMOS的击穿电压提高了12%,而这两种结构LDMOS的比导通电阻(RS)基本一致。     

漂移区覆盖高k薄膜的高压LDMOS器件优化设计

为了获得高耐压、低导通电阻的横向双扩散MOSFET(LDMOS)器件,综合利用高介电常数(高k)薄膜技术和场板技术,设计出一种漂移区表面采用"高k薄膜+氧化层+场板"结构的功率器件,有效降低了PN结弯角高电场和场板边缘峰值电场。使用器件仿真工具MEDICI进行验证,并分析高k薄膜厚度、氧化层厚度、高k薄膜相对介电常数以及栅场板长度对器件性能的影响,最终实现了耐压达到820V、比导通电阻降至13.24Ω.mm2且性能稳定的LDMOS器件。     

具有P型埋层PSOI结构的耐压分析

提出了一种具有p型埋层的PSOI器件耐压新结构,称为埋层PSOI(BPSOI).其耐压机理是,通过p型埋层电荷产生的附加电场调制作用,导致表面电场分布中产生新的峰而使击穿电压提高;p型埋层的电中性作用增加了漂移区优化的浓度而使比导通电阻降低.借助二维MEDICI数值分析软件,获得此结构较一般PSOI的击穿电压提高52%～58%、比导通电阻降低45%～48%.     

具有L型低阻导电通道的介质场增强SOI LDMOS

A low specific on-resistance（R on;sp/ SOI NBL TLDMOS（silicon-on-insulator trench LDMOS with an N buried layer） is proposed. It has three features： a thin N buried layer（NBL） on the interface of the SOI layer/buried oxide（BOX） layer, an oxide trench in the drift region, and a trench gate extended to the BOX layer.First, on the on-state, the electron accumulation layer forms beside the extended trench gate; the accumulation layer and the highly doping NBL constitute an L-shaped low-resistance conduction path, which sharply decreases the R on;sp. Second, in the y-direction, the BOX＇s electric field（E-field） strength is increased to 154 V/ m from48 V/ m of the SOI Trench Gate LDMOS（SOI TG LDMOS） owing to the high doping NBL. Third, the oxide trench increases the lateral E-field strength due to the lower permittivity of oxide than that of Si and strengthens the multiple-directional depletion effect. Fourth, the oxide trench folds the drift region along the y-direction and thus reduces the cell pitch. Therefore, the SOI NBL TLDMOS structure not only increases the breakdown voltage（BV）, but also reduces the cell pitch and R on;sp. Compared with the TG LDMOS, the NBL TLDMOS improves the BV by 105% at the same cell pitch of 6 m, and decreases the R on;sp by 80% at the same BV.     

多场极板LEDMOS表面电场和导通电阻研究

研究了常规LEDM O S,带有两块多晶硅场极板LEDM O S以及带有两块多晶硅场极板和一块铝场极板的LEDM O S表面电场分布情况,重点研究了多块场极板在不同的外加电压下,三种LEDM O S的表面峰值电场和导通电阻的变化情况。模拟结果和流水实验结果都表明:多块场极板是提高LEDM O S击穿电压的一种有效方法,而且场极板对导通电阻的影响很小。研究结果还表明:由于金属铝引线下面的氧化层很厚,所以铝引线几乎不会影响到LEDM O S的击穿特性。     

一种新型的低导通电阻折叠硅SOI LDMOS

提出了一种具有折叠硅表面SOI-LDMOS(FSOI-LDMOS)新结构.它是将硅表面从沟道到漏端的导电层刻蚀成相互排列的折叠状,且将栅电极在较薄的场氧化层上一直扩展到漏端.由于扩展栅电极的电场调制作用使FSOI-LDMOS在比一般SOI-LDMOS浓度高的漂移区表面,包括折叠硅槽侧面形成多数载流子积累,积累的多数载流子大大降低了漂移区的导通电阻.并且沟道反型层浓度基于折叠的硅表面而双倍增加,沟道导通电阻降低.通过三维仿真软件ISE分析,这种结构可以在低于40V左右的击穿电压下,获得超低的比导通电阻.     

具有分段P型埋层的Triple-RESURF LDMOS

提出了一种具有分段P型埋层的Triple-RESURF LDMOS(SETR LDMOS)。该结构将传统Triple-RESURF LDMOS(TR LDMOS)中均匀掺杂的P埋层漏端一侧做分段处理,使漂移区中P型杂质从源端到漏端呈现出近似阶梯掺杂的分布。这种优化能够平衡漏端底部剧烈的衬底辅助耗尽效应,提升器件的耐压性能;同时,器件正向导通状态下,对电流的传输路径也没有形成阻碍,能够维持较低的比导通电阻。流片结果表明,在漂移区长度均为65μm的情况下,SETR LDMOS的击穿电压能达到813 V,比传统TR LDMOS的击穿电压高51 V,且比导通电阻维持在7.3Ω·mm²。     

一种RESURF效应增强的高压低阻槽型SOI LDMOS

本文提出一种RESURF效应增强（Enhanced RESURF Effect）的高压低阻SOI LDMOS（ER-LDMOS）新结构,并研究其工作机理。ER-LDMOS的主要特征是：漂移区中具有氧化物槽;氧化物槽靠近体区一侧具有P条;氧化物槽下方的N型漂移区中具有埋P层。首先,从体区延伸到氧化物槽底部的P条,不仅起到纵向结终端扩展的作用,而且具有纵向RESURF效果,此二者都优化体内电场分布且提高漂移区掺杂浓度;其次,埋P层在漂移区中形成triple RESURF效果,能够进一步优化体内电场并降低导通电阻;第三,漂移区中的氧化物槽沿纵向折叠漂移区,减小了器件元胞尺寸,进一步降低比导通电阻;第四,P条、埋P层、氧化物槽和埋氧层对N型漂移区形成多维耗尽作用,实现增强的RESURF效应,可达到提高漂移区掺杂浓度与优化电场分布的目的,从而降低导通电阻且提高器件耐压。仿真结果表明,在相同的器件尺寸参数下,与常规槽型SOI LDMOS相比,ER-LDMOS击穿电压提高67%,比导通电阻降低91%。     

高压LDMOS场极板的分析与设计

场板是高压LDMOS中普遍使用的一种结终端技术,对单阶梯LDMOS场板的长度、其下方氧化层厚度以及场氧侵蚀厚度等参数进行了模拟和分析,在此基础上设计了一种新型体硅双阶梯场板LDMOS,并对其具体参数进行了细致的模拟和分析.模拟结果表明,双阶梯场板LDMOS的击穿电压比单阶梯场板LDMOS提高了15.3%,导通电阻降低了17.1%,电流驱动能力也提高了8.5%.     

High voltage SOI LDMOS with a compound buried layer

An SOI LDMOS with a compound buried layer (CBL) was proposed. The CBL consists of an upper buried oxide layer (UBOX) with a Si window and two oxide steps, a polysilicon layer and a lower buried oxide layer (LBOX). In the blocking state, the electric field strengths in the UBOX and LBOX are increased from 88 V/μm of the buried oxide (BOX) in a conventional SOI (C-SOI) LDMOS to 163 V/μm and 460 V/μm by the holes located on the top interfaces of the UBOX and LBOX, respectively. Compared with the C-SOI LDMOS, the CBL LDMOS increases the breakdown voltage from 477 to 847 V, and lowers the maximal temperature by 6 K.