基于浮空场板结构的槽型SOI LDMOS器件研究

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纵观2018年两会中“中国制造2025”的提出,集成电路在国家发展中的重要地位已经显得举足轻重。场板技术作为集成电路功率器件领域中一种十分实用的结终端技术,经常被运用在SOI(Silicon On Insulator)横向双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管(Lateral Double-Diffused Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,简称LDMOS)中。这样器件整体不仅包含了SOI技术速度快、功耗低、隔离性能好等优势,而且整个器件表面的电场分布和漂移区的浓度大小也得到有效改善,从而使得器件的耐压和导通特性得到优化。然而,要获取较高的击穿电压BV往往要求其漂移区长度大、浓度低。但是由于比导通电阻Ron,sp和击穿电压BV之间存在一个特定的矛盾关系,即Ron,sp∝BV2.5,这会使得功率损耗随着耐压的增大而增大,也就是所谓的“硅极限”问题。本文以缓解这二者之间的矛盾关系为最终目的,分别提出了在漂移区的氧化槽中引入浮空纵向场板、在漂移区的氧化槽中引入对称浮空纵向双场板这两种新型的槽型SOI LDMOS结构。具有浮空纵向场板的槽型SOI LDMOS器件:在常规的槽型SOI LDMOS器件漂移区中的氧化槽中通过在非工作区进行连接的方式引入一个与栅极相连的浮空纵向场板。在关态下,浮空纵向场板使得器件漂移区内引入了一个新的电场峰,使得氧化槽区域的耐压得到提高,并对器件的表面电场进行了调制。在开态下,由于栅极场板对器件漂移区存在辅助耗尽作用,使得器件漂移区浓度得到了较大的提升,从而降低了比导通电阻Ron,sp。最终在不牺牲器件耐压的前提下大大提升了其导通特性。此外浮空纵向场板的引入使得漏端的温度得到了一定的降低,即器件的温度特性也有所提升。运用二维器件仿真软件进行了一系列器件参数的优化,主要研究分析了漂移区掺杂浓度、场板的位置参数、场板的结构参数等对器件耐压、比导通电阻的影响。在顶层硅厚度7.5μm、漂移区长度4.8μm、埋氧层厚度0.5μm的条件下,具有浮空纵向场板的槽型SOI LDMOS器件相比于常规结构,其Ron,sp减小了60.9%,而击穿电压BV保持在和常规结构相同的188V水平。具有对称浮空纵向双场板的槽型SOI LDMOS器件:考虑到具有浮空纵向场板的槽型SOI LDMOS器件对电场调节的局限性,在常规的槽型SOI LDMOS器件漂移区中的氧化槽中同样通过在非工作区进行连接的方式引入一对分别与栅极和漏极相连的对称浮空纵向双场板结构。在关态下,对称浮空纵向双场板使得器件漂移区内的对应位置同时引入了两个新的电场峰,使得氧化槽区域的耐压得到了提高,并对器件的表面电场进行了更加均匀的调制,提升了整体的击穿电压BV。在开态下,器件内部与栅极连接的纵向场板类似于一个场板结终端结构,对周围的漂移区进行辅助耗尽,得到更高的漂移区浓度。但是与漏极连接的纵向场板实际起到了抑制栅极场板耗尽程度的作用,所以器件的导通性能虽然得到了一定的提升,但相比具有浮空纵向场板的槽型SOI LDMOS器件,其优化程度是有一定的降低的。最终在提升器件击穿电压BV的情况下同时优化了其导通性能。此外对称浮空纵向双场板的引入使得漏端的温度得到了一定的降低,而与具有浮空纵向场板的槽型SOI LDMOS器件相比,局部温度也有一定的降低。运用二维器件仿真软件进行了一系列器件参数的优化,主要研究分析了漂移区掺杂浓度、对称场板的位置参数、对称场板的结构参数等对器件耐压、比导通电阻的影响。在顶层硅厚度7.5μm、漂移区长度4.8μm、埋氧层厚度0.5μm的条件下,具有对称浮空纵向双场板的槽型SOI LDMOS器件相比于比常规结构的击穿电压提高了27%,比导通电阻减小了35%。而相比具有浮空纵向场板的槽型SOI LDMOS器件,具有对称浮空纵向双场板的槽型SOI LDMOS器件在保证其整体性能的前提下,同时提升了击穿特性和导通特性。
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