埋氧层电荷对功率性器件耐压性能分析.docx
SC)I是一种高压器件，是在顶层硅和衬底之间加入二氧化硅形成的。由于SOl结构的特殊性使其具有低功耗、隔离性能好等特点，这些特点为SCH结构成为新一代集成电路的衬底材料奠定了基础。在Sol器件结构的耐高电压能力是极为重要的参数。因为在器件中引入了介质层的SOl结构，使得空间电荷区电荷积累过多不能进行扩散运动使得整个器件的耐压性能较差，从而限制了SOl器件在集成电路中的应用。本文围绕纵向耐压理论建立了具有电荷岛的系列高压器件结构。通过增加界面电荷对介电电荷的影响和界面电荷对硅表层电场的衰减作用，来提高器件的击穿电压。利用MEDCl软件对具有界面电荷的器件进行了模拟仿真，分析了界面电荷岛的高度、岛宽度、岛间距以及电荷岛掺杂浓度等器件参数对器件击穿电压的影响。通过调整器件结构参数，最终得到了击穿电压为699伏；散热性能优良的器件。关键字：SOI埋氧层电荷纵向耐压ABSTRACTTheSOIisahighvoltagedeviceformedbyaddingsilicabetweenthetopIayerofsiIiconandthesubstrate.DuetotheparticularityofSOIstructure,ithasthecharacteristicsoflowpowerconsumptionandgoodisolationperformance,whichIaysthefoundationforSOIstructuretobecomethesubstratemateriaIofanewgenerationofintegratedcircuits.TheabilitytowithstandhighvoltageisanextremeIyimportantparameterintheSOIdevicestructure.BecausetheSOIstructureofthedielectricIayerisintroducedintothedevice,thechargeaccumulationinthespacechargeareaistoomuchandcannotbediffused,resuItinginpoorvoltageperformanceofthewhoIedevice,thusIimitingtheappIicationofSOIdevicesinintegratedcircuits.Inthispaper,aserieshighvoltagedevicestructurewithchargeistandisestabIishedbasedonthetheoryoflongitudinalvoltageresistance.ThebreakdownvoItageofthedeviceisincreasedbyincreasingtheinfIuenceofiinterfacechargeondieIectricchargeandtheattenuationeffectofiinterfacechargeonsiIiconsurfaceeIectricfield.TheMEDCIsoftwarewasusedtosimuIatethedeviceswithinterfacialcharge.TheinfIuencesofinterfacialchargeisIandheight,isIandwidth,isIandspacingandchargeisIanddopingconcentrationonthebreakdownvoltagewereanaIyzed.Thebreakdownvoltageof699voItswasobtainedbyadjustingthestructureparametersofthedevice.Adevicewithexcellentheatdissipationperformance.Key words: SO IOngitudinal voltage res i stancebur ied oxygen Iayer charge目录第一章序言4第一节Se)I器件概述4第二节ScH器件耐压技术发展6一、耐压模型发展6二、纵向耐压技术6第三节本文主要内容概述7第二章器件设计的理论基础8第一节ENDlF理论概述8第二节增强介质层电场的途径8一、超薄顶层硅8二、引入低k介质埋层9三、在顶层硅与介质层界面引入电荷9第三章MEDlCl的简介10第一节MEDlCl特性10第二节器件结构定义语句H第三节器件结构仿真分析13一、器件结构参数13二、器件耐压分析14第四章界面电荷岛型SOl器件21第一节界面电荷岛型Se)I器件21一、电荷岛型SOI器件结构21二、电荷岛型SOl器件原理22第二节器件结构参数对击穿电压的影响23第三节电荷岛Sol器件结构的实现26第四节总结32致谢33参考文献34附录:MEDIel运行程序代码34第一章序言SOI即长在绝缘衬底上的硅，是硅材料的一种新型结构。该器件结构主要是通过在介质层中引入埋氧层，通过增加界面电荷对介电电荷的影响和界面电荷对硅表层电场的衰减作用，提高了器件的抗电压能力。横向高压SOl器件具有较低的纵向耐压，目前的研究方向主要集中在器件的纵向耐压方面。第一节SOI器件概述SOI器件结构和材料的特性使其具有了特别的性能优点，如图1.1所示以Si2为材料的埋氧层结构作为介质隔开了有源区和衬底，使得SOI结构承受高电压的能力得到提高。(b)体硅CMoS结构图1.ISOI器件结构Sol技术的实现最初采用的是利用硅烷化学气相淀积的方式在蓝宝石上生长单晶硅的SoS结构。由于SOS制备成本过高，随着科学技术的发展SiOz逐渐替代了SOS,SOI结构逐步由绝缘衬底上的硅拓展到了绝缘衬底上的半导体。形成SOI材料的三种技术如下：1、注氧隔离该技术是对硅片进行氧注入，注入时一定要注意氧注入达到足够的深度，然后对该硅片进行退火，从而形成二氧化硅的埋层结构。该技术常用0.2m的顶层硅和0.4m的介质层制备的，制备的尺寸大多为4、5、6、8、12英寸。其中4、5、6英寸用于科研工作。子注入I111!ajs埋氧化足退火,硅村底硅村底图1.2注氧隔离技术原理2、键合减薄技术将具有氧化层的两个硅片进行键和从而形成埋氧层结构。对其中一个硅片进行腐蚀抛光减薄处理后，作为衬底。该技术具有比SlMOX更高质量但较厚的顶层硅膜，仍有键合后氧化层之间会出现空洞的情况出现。合皆腐蚀图1.3键合减薄技术3、智能剥离智能剥离是将SDB和SIMOX相结合的技术。在硅片中利通过氢离子的注入使得硅片上形成气泡层，使得注入氢离子且包含热氧化Si。2的硅片与支撑片进行键和，经过合理的热处理过程从而达到注氢片开裂的效果，形成SOl器件结构。常见的高质量零薄硅膜SOI材料就是该技术制造的产物。建片-A图14智能剥离技术第二节SOI器件耐压技术发展SOI器件作为SOI技术的一个重要的发展方向现如今耐压性能的优化仍是一个棘手的问题，这一问题也受到了众多研究者的广泛关注。通过调整优化器件的结构参数，可以优化器件的耐高击穿电压能力。器件的击穿电压常常是横向电场和纵向电场中较低者。只有得到击穿电压较高的SOI器件，才能使SOI器件在集成电路中得到更好的应用。一、耐压模型发展耐压模型的建立能够更好的帮助设计者透过本质去观察器件结构，从而设计出具有更高的击穿电压的器件结构。众多研究者对器件模型进行深度的分析模拟建造了一系列高击穿电压的模型，常分为一维模型和二维模型。一维模型：一维模型共包含HUang模型、Kim模型、ChUng模型和富力文模型。这些模型在器件结构的假设中都存在一定的缺点和优点。HUang模型提出的假设是SOl器件的耐压性能仅与纵向电场有关且器件击穿处在漏极。该结构的优点是对照试验内容简洁明了，缺点是认为SOl器件结构的击穿电压与横向电场无关。Kim模型提出的假设为器件的耐压性能与横纵电场都有关。该模型将漂移区的载流子浓度降为极低（接近于零）此模型具有很大的局限性并不适用于所有的SOI器件结构。Chung模型提出的假设是器件横纵电场都具有击穿点且同时发生击穿，并且该模型中器件的表面电场围绕漂移区的中心点线性分布。这个模型可以得到器件表面电场的双峰示意图，但仍存在器件表面电场线性分布假设有偏差。二维模型：二维模型包括改进后的Chung模型改进后的ChUng模型提出的假设是是表面电场纵向分量为0且电场线的分布与表面电场分布相同。这么假设即考虑到了电场的二维效应还对该模型进行扩展。二、纵向耐压技术在SOl器件的纵向和横向击穿电压中，纵向击穿电压更低，器件的纵向更容易被击穿。提高纵向击穿电压一度成为国内外研究者们的热门话题，Sol器件结构作为高压集成电路的重要材料，提高器件的耐压性能必须提上日程。该领域的众多研究学者都意识到了这一问题，做了大量的分析给出了一系列新的器件结构。二氧化硅埋氧层隔断了散热途径还具有低热导率，在对器件结构进行优化时还需要解决散热这一问题。提高器件的纵向电场最主要的时增大埋氧层的耐压能力。其原理是埋氧层附近的电荷越多形成的电场强度越大对纵向电场的削弱能力就越强。之所以被称为界面电荷岛SOl器件，是因为该器件结构是通过在介质层附近引入界面电荷以达到提升介质层附近的纵向电场强度的目的。Sol器件的衬底很少对器件结构的耐压性能起到影响这也是与体硅器件区分的重要因素。结合SOl器件和体硅的特点可以采用开窗口的形式解决二氧化硅埋氧层阻隔了散热途径这一问题，主要原理是对埋氧层开窗口后耗尽层的载流子更容易在漂移区进行扩散运动。但开窗口容易使得器件结构和衬底发生漏电的情况，为器件的使用过程增添了很多的风险。NAKAGAWA提出的假设是在埋氧层通过掺杂形成高浓度低厚度的N+层，顶层硅22m埋氧层3m可以得到650V的击穿电压的横向双扩散结构器件。但该结构大大限制了N+缓冲层的厚度及浓度的范围。顶层硅-半绝缘多晶硅结构，固定顶层硅5m,埋氧层为2m的器件结构可以得到击穿电压为120Ov的横向二极管。该假设的缺点是不易重复且漏极电流很大。郭宇峰采取在埋氧层进行阶梯浓度注入的方式形成埋氧层固定电荷从而达到提升埋氧层电场强度的目的。第三节本文主要内容概述器件结构有着特殊的结构和独有的性能优势，顺应时代的发展越来越多的研究学者们关注到了这一器件结构。为了解决器件纵向耐压低的问题，本文以ENDIF理论为基础，设计了具有电荷岛的SOI器件结构。利用MEDICI软件对设计的器件进行模拟仿真，通过调整器件结构参数来得到耐高压的SOI器件。本文的主要内容包括以下几点：1、SOI器件结构2、SOl器件耐压技术的发展概述3、对电荷岛型器件结构的原理进行概述4、对软件模拟仿真环境以及语法内容进行简单描述5、对电荷岛型SOI器件结构和原理进行描述6、分析对器件结构参数对击穿电压的影响7、通过调整器件结构，得到击穿电压最优的器件结构。第二章器件设计的理论基础第一节ENDlF理论概述Sol器件结构的埋层通常为SiO2,普通的SoI器件结构击穿电压一般都小于600Vo目前所出现的各种SOI耐压模型大多都是依据具有均匀厚度的埋氧层和漂移层来建立的。目前耐高压SOl器件结构的设计主要是以ENDlF理论为指导，该理论的原理主要是通过增加界面电荷对介电电荷的影响和界面电荷对硅表层电场的衰减作用，提高器件的击穿电压。
