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现代功率集成电路正逐渐向大功率、低功耗、高可靠性、高集成度方向发展,对半导体衬底材料和器件性能提出了更高的要求。SOI衬底结合沟槽技术带来的全介质隔离特性使得大功率器件更容易与周边中低压控制电路集成,在智能功率集成电路尤其是绿色电源管理芯片中的应用日益引起重视。600V以上SOILDMOS和SOILIGBT作为现代功率集成电路的核心器件,既是研究热点也是开发的难点。与体硅高压器件相比,由于纵向耐压的限制,目前600V以上实用化SOI高压器件在国内仍为空白。
本文主要围绕国家重大科技专项中600VSOI高压器件与智能功率集成电路产业化相关项目开展。首先从理论上阐述600V以上SOI高压器件的耐压机理和实现方式,确定薄膜SOI上600V高压器件技术路线。
在兼顾工艺最小线宽的前提下,提出实现50~70μm漂移区线性掺杂的关键参数,包括最小尺寸、最佳注入剂量等,并确定漂移区高温退火温度在1200℃下的必要性。
设计新型的漂移区上方场氧结构,采用特殊的“氧化—刻蚀—再氧化”技术实现。新结构减小热预算,提高器件表面的平坦度,防止突兀的LOCOS台阶对后续光刻带来的对准误差,同时避免了多晶硅由于台阶应力断裂而造成的成品率下降。
在新型场氧结构的基础上,设计了双层介质上引出金属场板的器件结构,使得夹在金属场板和薄硅膜之间的氧化层厚度大于埋氧层厚度来改变等势线分布,使漂移区最大程度耗尽,从而可以进一步增大漂移区掺杂浓度,在提高器件耐压的同时减小器件比导通电阻。
根据0.5μmSOI高压器件设计规则研究开发新的器件工艺制备流程,并绘制多种器件测试结构的版图,选定新傲公司3μm埋氧层和1.5μm顶层硅的SimBondSOI材料进行流片实验。设计了LDMOS和LIGBT器件,分别成功地在50μm、60μm和70μm漂移区的器件上实现680V、760V和780V耐压。其中50μm漂移区器件在Vgs=Vds=10V的偏置条件下,LDMOS比导通电阻为10Ω.mm2,LIGBT比导通电阻为4Ω.mm2。证实新开发的器件结构和工艺流程的实用性,为产品设计提供可靠的关键器件。
基于本课题设计的薄膜SOI高压器件,与合作单位开发了可用于原边反馈恒压恒流电源转换器的PT2205芯片,并在我们共同开发的华润上华0.5μm600VSOIBCD工艺线上成功流片实现。基于PT2205芯片的电路能正常工作。