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SOI(Silicon On Insulator)技术被誉为二十一世纪高速、低功耗的硅集成电路主流技术,是功率集成电路(Power Inegrated Circuit,PIC)的主要发展方向。SOI横向高压器件是SOI功率集成电路的核心和关键,受到了国内外众多学者的关注。基于SOI材料的LIGBT(横向绝缘栅双极型晶体管)具备如下的优点:(1)绝缘性能好、较小的寄生电容、较低的泄漏电流、以及抗辐射能力强等,可以工作在各种恶劣的环境中。(2)导通电阻小、工作电流大、较高的跨导、陡峭的亚阈值斜率、功率增益系数高等,适于作为大功率器件。(3)其工艺与SOI-CMOS工艺相兼容,比较容易实现。因此它将成为智能功率集成电路的核心部件之一,被广泛应用于家电产品、环保型汽车以及工业生产等领域,也被一致认为是未来市场极具潜力的功率器件。
本文概述了SOI LIGBT的发展状况,较详细的分析了器件的工作原理,在前人理论和成果基础上,从器件结构出发,根据SOI RESURF(Reduced Surface Field)原理,推导出SOI器件获得均匀表面电场分布所满足的条件。通过考虑埋氧层的影响求解全耗尽SOI LIGBT的泊松方程,得出SOI结构所满足的RESURF条件。据此推导出SOI器件获得均匀表面电场时,其主要结构参数栅氧化层厚度、阱掺杂浓度、漂移区掺杂浓度、漂移区长度、顶层硅膜厚度、埋氧层厚度以及N缓冲层等需要满足的条件。提出将抗ESD二极管集成到SOI LIGBT器件单元中,以达到从器件单元内部直接保护栅电极的作用。进而设计比较合理的器件结构,采用Silvaco公司的二维工艺和器件仿真软件TCAD对其进行仿真及优化,分别仿真了器件的工艺制作过程、转移特性、导通态的伏安特性、阻断态的击穿特性、闩锁特性、关断特性以及抗ESD特性等,并分析其工作机理。还针对传统SOI LIGBT元件结构关闭延迟长的缺点,参考采用了阳极短路结构,以达到在器件的击穿电压不变情况下,缩短器件的关断时间,使其有利于在高频领域的应用。在此基础上开展了抗ESD SOI LIGBT。器件工艺设计方法和版图设计方法的研究,进行了抗ESD SOI LIGBT器件的初步工艺设计、版图设计和TCAD仿真验证。