等效浓度分布理论：横向功率器件新耐压机理和电场电势模型研究

发布时间：2020-05-05 10:17

【摘要】：降低表面场(RESURF,Reduce Surface Field)技术的提出为横向功率器件的发展带来了革命性的进步。基于RESURF原理的横向双扩散MOS(LDMOS,Lateral Double diffusion MOS)以其高耐压,低导通电阻,低功耗,高集成度等优点而作为高压集成电路(HVIC,High Voltage Integrated Circuit)和智能功率集成电路(SPIC,Smart Power Integrated Circuit)中的基本结构。在对器件性能及成本的双重要求下,RESURF理论的利用和扩展成为了国内外半导体器件研究者一直关注和研究的热点。其中,如何获得导通电阻和击穿电压这对矛盾关系中更好的折衷一直是对横向功率器件研究的核心问题。然而RESURF技术蕴含着的二维耦合效应其物理本质并不明朗。随着新器件结构愈来愈复杂,相应的解析模型也越来越复杂。这进一步阻碍了研究者们对器件耐压效应物理本质的研究。更重要的是,随着器件尺寸不断缩小,由于版图效应的存在,传统的二维器件耐压理论和模型已不能满足当下优化需求。本文围绕最普遍被使用的体硅(BS,Bulk Silicon)和绝缘体上硅(SOI,Silicon On Insulator)横向功率器件的耐压问题。利用一维建模视角,在器件耐压理论上进行创新研究。提出了等效浓度分布(ECP,Effective Concentration Profile)理论,该理论认为漂移区耐压技术的本质是对ECP的改变,从而改变了电场分布。即将传统的二维甚至三维复杂结构等效为对漂移区ECP即电荷共享及分配关系的影响。从ECP理论出发,本文首先分别推广研究了两类BS和SOI RESURF横向功率器件耐压理论:S-RESURF(Single-RESURF)横向功率器件ECP耐压理论和D/T-RESURF(Double/Triple-RESURF)横向功率器件ECP耐压理论。进一步,利用ECP理论研究了实际制造中源漏结终端效应对器件耐压特性的影响:三维曲率效应(3-D Curvature effect)和场板RESURF(FP-RESURF,Field Plate Assistant RESURF)横向功率器件ECP耐压理论。并建立了相应的耐压模型。提出的两项耐压理论包括:1.S-RESURF横向功率器件等效浓度耐压理论及模型。提出了BS/SOI S-RESURF横向功率器件ECP耐压理论。利用ECP理论导出了漂移区等效浓度分布,从而解释了RESURF器件之特殊电场分布。首次基于求解一维Poisson方程,得到了二维电场、电势分布模型。进一步给出了S-RESURF横向功率器件的击穿电压模型并利用该理论提出了最优浓度分布的理论公式,为BS/SOI RESURF器件的优化设计提供了理论依据。2.D/T-RESURF横向功率器件耐压理论及其模型。将ECP理论扩展至用于分析Double及Triple RESURF技术。通过将耐压技术对二维电场的调制效应等效为对等效浓度分布(ECP)的改变,系统化了ECP耐压理论,并首次提出了普适的RESURF判据。首先借助ECP耐压理论将D/T-RESURF器件等效为S-RESURF器件,从而建立了二维场势分布模型。在对二维器件的耐压特性的深入分析下,进一步研究了D/T-RESURF对表面电场分布改变的物理本质。从而得到了P-top层,P埋层的优化掺杂判据。研究的两项源漏结终端效应对器件耐压特性的影响包括:1.场板效应下BS/SOI横向功率器件等效浓度耐压理论及其模型。提出场板RESURF器件耐压新理论。该理论认为:场板技术利用纵向MIS(Metal-Insulator-Semiconductor)结构对漂移区表面的电荷调制作用影响了表面电场的分布,这种影响可以被等效为对ECP和特征厚度t同时的改变。从而建立了BS/SOI FP-RESURF二维场势模型及击穿电压模型。利用该模型,场板技术的物理本质被得到深入研究。从而首次提出了场板几何设计优化判据,为理解场板效应,优化场板技术提供了理论基础。研究结果表明:同等漂移区条件下,场板设计需要在较高的漂移区优化掺杂浓度,较小的工艺容差中寻找折衷。2.版图效应研究下BS/SOI横向功率器件等效浓度耐压理论及其模型。利用S-RESURF ECP耐压理论及模型,针对实际横向功率器件制造中不可避免且随器件尺度缩小而不断恶化的三维版图曲率效应致电场集聚效应,提出了BS/SOI RESURF三维耐压理论。利用一维ECP理论,二维近似方法和柱坐标系三维Poisson方程分别建立了相应的二维场势分布及耐压模型。利用这些模型研究了三维曲率效应下表面电场的重塑效应,并研究了该重塑效应对器件结构参数的敏感性。首次从物理的角度解释了曲率效应致耐压退化过程,并首次对曲率效应致电场集聚效应同时进行了定量和定性的分析。通过比较发现:一维ECP模型在不显著降低二维场势模型及耐压模型精度的前提下,得到了简单明确的物理意义。所得出的优化判据对抑制三维曲率效应的不良影响,优化器件结构参数提供了有效、便捷的工具。通过提出并使用等效浓度分布理论,传统模型无法解释的表面电场峰谷交替的现象得到了定性和定量的解释。所建立的二维场势模型和耐压模型简单、准确。通过等效浓度分布理论,D/T-和FP-RESRUF技术的物理机理得到解释,3-D曲率效应的物理本质也得到研究。
【图文】：

彼时 J.A.Appels 等人的研究是针对体硅结构年代，由于 SOI 技术的兴起，Y.S. Huang 和 B. J. B引入到了 SOI 横向功率器件的设计当中[8]。与体硅获得优化的表面耐压，从而在 Y.S. Huang 和 B. J. 条件下高达 600V 的器件耐压。dNN PappVGNDSubstrateSVN Source GateDrainSV(a) 图 1.3 具有 RESURF 结构的(a).体硅Source GateDrain4

Distance(μm)(a) (b)图 2.1 体硅 LDMOS 和 SOI LDMOS 二维等势线分布比较SOI S-RESURF 等效浓度分布理论及模型通过上节可知，对 BS/SOI 的 RESURF 耐压理论研究有两个难点：1.模型复杂度和准确度的矛盾问题； 2. BS/SOI 耐压理论的统一问题。在这一节我们将通过提出等效浓度分布理论来解决。ECP 理论认为：耐压技术（如 RESURF 技术）对横向功率器件击穿电压的提升的本质是对耐压结构(漂移区)之二维电荷分布即等效浓度分布(ECP)的重塑。本节，，考虑到由于BOX 层的存在阻隔了外延和衬底层的电气连接从而避免了较为复杂的衬底耦合效应。因而，我们将在本节从 SOISingleRESURF 横向功率器件出发，首先提出 ECP 理论并通过数学推导以介绍其构建过程，并深入研究 S-RESURF 效应对漂移区 ECP 和二维场势分布的影响。进一步，建立其击穿电压模型并与数值仿真结果进行验证。最后，提出 SOI RESURF 判据。图 2-2(a)给出了一个典型的 SOI RESURF LDMOS 结构。在其反向工作状态下(Vd=Vapp,
【学位授予单位】：南京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN40


本文编号：2649966