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复合介质层SOI高压器件电场分布解析模型

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第27卷第l1期 半导体学报 VO1.27 NO.11 2006年11月 CHINESE JOURNAL OF SEMIC0NDUCT0RS NOV..2006 复合介质层SOI高压器件电场分布解析模型* 罗小蓉 李肇基 张 波 (电子科技大学微电子与固体电子学院,成都610054) 摘要:提出复合介质埋层SOl(compound dielectric buried layer SOI,CDL SOD高压器件新结构,建立其电场和电 势分布的二维解析模型,给出CDL SOI和均匀介质埋层SOI器件的RESURF条件统一判据.CDL SOI结构利用 漏端低k(介电常数)介质增强埋层纵向电场,具有不同k值的复合介质埋层调制漂移区电场,二者均使耐压提高. 借助解析模型和二维数值仿真对其电场和电势进行分析,二者吻合较好.结果表明,对低k值为2的CDL SOI LDMOS,其埋层电场和器件耐压分别比常规SOI结构提高了82%和58%. 关键词:复合介质层;纵向电场;调制;击穿电压;RESURF判据 EEACC:2560B;2560P 中图分类号:TN386 文献标识码:A 文章编号:0253-4177(2006l11-2005—06 件的横向和纵向电场进行调制,使器件耐压大大提 1 引言 高.借助解析模型和数值仿真研究了器件电场分布、 电势分布以及耐压与器件结构参数的关系.结果表 SOI器件的高速、低功耗、抗辐照以及便于隔离 明,二者吻合较好,且CDL SOI结构大大提高了器 等优越性能使其受到广泛关注[1],但较低的纵向耐 件的击穿电压. 压限制了其在高压功率集成电路中的应用.通过增 强埋层电场而提高器件纵向耐压是非常有效的方 2结构与模型 法.如在Si/埋层间引入n 薄层、SIPOS层以及屏蔽 槽等结构l_2 ],通过引入电荷而增强埋层电场; CDL LDMOS器件结构如图1所示.该结构将 Merchant等人还设计了超薄漂移区横向线性掺杂 低k介质引入电场最强的漏端埋层,其介电常数用 结构,利用缩短电离积分路径来提高硅的雪崩击穿 k 表示,源端埋层采用SiO2,其介电常数k =k。 电场,从而增强埋层电场[7].以上SOI结构的埋层 =3.9.图中t。,t。分别代表si层和埋层厚度,L , 无一例外采用传统介质SiO .尽管有文献提出采用 L 分别表示漂移区长度和埋氧层长度,Lo,Ls分 埋空隙SOI结构和SON(silicon.on.nothing)l_1 ], 别为漏区、源区宽度.假定器件的横向设计应用了结 但因空隙临界击穿电场低,不可能用于提高纵向耐 压.部分低k介质具备低泄漏电流、高附着力、高硬 度、高稳定等性能,可望用于soI材料的埋层以增 ● o "x强埋层电场.如低k介质SiOF保留了较多Sio 的 Q一 , 人nt 厂?。_. 性质,与已有的Sio 工艺能很好地兼容,k在2.8 .__L n o ~3.7之内,且临界击穿电场为9.2~10.1MV/ i 11 cm[13~1 51:P . 如 埋 基于si层和介质埋层间的电位移连续性和上 卜_L : 述低k介质的特性,本文提出复合介质层SOI高压 P。衬底 器件新结构——cDL soI,并通过求解二维Poisson 方程,建立该器件的解析模型,给出CDL SOI和均 匀介质层SOI RESURF条件统一判据.该结构的介 图1 VLk SO1 LDMOS结构剖面图 Fig.1 Cross section of VLk SO1 LDMOS 质埋层由k值不同的介质组成,利用不同k值对器 *国家自然科学基金(批准号:60436030),武器装备预研基金(批准号:914OC0903O5O6DzO2),军用模拟集成电路国防科技重点实验室基金 (批准号:9140C0903050605)资助项目 十通信作者.Email:xrluo@uestc.edu.cn 2006.05.26收到,2006.07.04定稿 ⑥2006中国电子学会 维普资讯 http://www.cqvip.com

半导体学报 第27卷 终端和RESURF等技术,击穿发生在漏端下方的 坐标轴的选取如图1所示.将SOI层电势沿Y方向 进行Taylor展开,并取前三项作为其近似,可得 si/埋层界面.在漏端的si/N层界面,电位移连续性 为: k 2 EI=k sEs I(1) ( ,y) ff( )+ ¨( )y+ 2f( )Y。,将其代入 (3)式,利用边界条件,获得表面电势 。( )满足 f譬= s k s (2) a。j&ff(x)j&ff( )qNd — 广一— 一一 ’ 其中 。是漏端埋层承受的电压.从(1)和(2)式可 见,t-相同时,降低k。可以增强埋层电场E。,提高 纵向耐压;k z相同时,增加埋层厚度t 也提高纵向 耐压. 0 Y<t s (4) 其中ti=t √ f为SOI结构的特征厚 0, 1(0,0)=0, 当漏极接足够高的正电压 ,栅极、源极和衬 底接地,漂移区全部耗尽时,漂移区和埋层按L 分 成两区,若忽略内建势的影响,则各区电势满足下列 2D Poisson方程: 度,K。=k /ki.借助边界条件 ( ,t s+tI) 1(L1,0)= 2(L1,0)=V1, 2(L d,0)=Vd (5) 3x。 +  ‘a V2 =一 k, ’ 解得表面电势和电场分布 (3) 0 Y<t s,f=1,2 =c 。 × ,。 L a一 一c 一 × + ,L L f I E1(舢)l=( ) × , 。 L l-Ez c ,。 -=c a一 其中 3结果与讨论 { _ +c 。一 ×了 ,L。 ≤L (7) qTNd t 2 : 电场 i 电SOI ̄Lt五l Va姻 基于上述耐压机理,讨论漏端下纵向电场和电 势分布.图2(a)为CDL(k1=3.9,k2=2,3)SOI结 构和常规SoI结构(k =k。=3.9)LDMOS在各自 最高击穿电压下纵向电场和电势分布的仿真结果. 图2(a)显示与(1)式一致,漏端下埋层纵向电场E。 取决于k。,k。越小,E。愈大,从而使埋层成为耐压 的主要承担者,充分发挥了埋层临界击穿电场高的 优点.对tI=1 m,k1=3.9,k 2=2的cDL soI LDMOS,其埋层电场和器件耐压分别为222V/gm 和267V,而常规SoI结构分别为122V/gm和 169V,CDL SOI的埋层电场和器件耐压分别提高 了82%和58%.纵向电势如图2(b)所示.该图表 明,几种结构的漂移区耐压(V =V(0).V(t ))几 乎相同,CDL结构埋层承受的耐压(V(t ))比常规 场分布示Si层/埋层界面电场分布.可见,与常规SOI结构 的Si/埋层界面电场比较,CDL SOI结构在两种不 同k值的埋层界面处(图1中P点)引入了新的电 场峰A,且k ,k。相差越大,电场峰A愈高.对常规 soI结构,因k =k。,故无新的电场峰.图3(a)中仿 真结果和解析结果均表明,由于界面电场对表面电 场的调制作用,所以表面电场也在相应位置(图1中 Q点)产生了新的电场峰B,且电场峰B随A的增 加而增大.新的电场峰B使pn结和n n结表面电 1 号 挈 耋 场峰降低,电场峰B越高,其效果越明显,漂移区表 面电场越均匀,器件(横向)耐压越高.常规soI结 构的pn结和n n结表面电场峰较高,漂移区中间 表面电场很低,因而器件耐压较低.图3(a)表明,除 了在pn,n+n结及两种埋层界面处表明电场的解 析结果略高于仿真结果以外,其他位置二者吻合较 soI结构高,因而器件耐压增加. 维普资讯 http://www.cqvip.com

第11期 罗小蓉等: 复合介质层s0I高压器件电场分布解析模型 一1I1。/ 0 1)/p 。1 8 。1E 2007 好.这是由于结曲率的影响使结附近电势 ( ,Y) 偏离本文假设的抛物线性分布.图3(b)为表面电势 分布.常规SOI的表面电势分布呈现明显台阶分 布,即pn结和n n结的分压较高,漂移区承受电压 很低,而CDL结构漂移区承受电压更高,其中k =2的CDL结构表面电势接近线性分布,因而器件 耐压更高. 【1工l3/≥0乏 互 & . 七 > Distance from surface/ ̄m Distance from surface/ ̄m 图2(a)纵向电场分布;(b)纵向电势分布 Fig.2(a)Vertical electric field distribution;(b)Vertical potential distribution(ts 2 m,tl 1/zm,Ld /20um・L1=La/2+Ls) 言 里 > .型 重 岂 0 0 .量 8 苗 宝 ∽ 图3横向电场和电势分布(a)电场分布;(b)表面电势分布 Fig.3 Horizontal electric field distribution and potential distribution(ts=2/zm,tl 3/zm,Ld 40t ̄m,L1 Ld/2+Ls)(a)Electric field distribution;(b)Surface potential distribution Distance along surface/p.m 图4 ts对表面电场和电势分布的影响 (a)表面电场分布;(b)表面电势分布 Fig.4 Influence of ts on surface electric field and potential distribution(kz 2,tl 3/zm,Ld 40 m,L1 Ld/2+L s)(a)Surface electric field distribution;(b)Surface potential distribution 维普资讯 http://www.cqvip.com

半导体学报 第27卷 图4给出了漂移区厚度t 对表面电场和电势 分布的影响.由图4(a)可以看出,漂移区越薄,pn, n n结的电场峰及电场峰B越高.pn,n n结的电 场峰值高,这是结的曲率引起的电场集中的结果.漂 移区越薄,界面电场对表面电场的调制越明显,电场 峰B越高,其提高耐压的作用越显著.如图4(b)显 示,当t s较小时,因电场峰B的作用使表面电势出 现新的台阶. 图5给出了埋层厚度t。对表面电场分布的影 响.为了使器件不至于横向提前击穿,对埋层厚度分 别为1,2,3 m的CDL SOI结构,漂移区长度分别 为20,30,40ttm.由图可见,埋层越厚,CDL SOI的 特征厚度t 和t z相差越大,电场峰B越高.这一点 与埋氧层阶梯结构(buried oxide step structure, BOSS)SOI类似 引.根据公式(2),降低漏端埋层介 电常数k。与增加漏端埋层厚度t。等效.为了与k。 =2,tl=1 m的CDL结构对比,选取BoSS结构的 t1=1 m,t 2=2 m,且二者漂移区浓度相同.图6 (a)给出了CDL SOI和BoSS两种结构的Si层/埋 层界面电场和表面电场分布的仿真结果.图6(b)为 其表面电势分布.可见,两种结构均在表面和Si层 /埋层界面引入了新电场峰,且二者表面电场和电势 分布十分相似,耐压近似相等.图中同时也给出了 tl=1 m,t 2=1.5 m的BOSS结构的电场和电势 分布.与CDL结构k 和k。相差较小的情况相同,t 和tz相差较小的BOSS结构,其表面电场峰较低. g > . 8 皇 ∽ 图5 rI对表面电场分布的影响 Fig.5 Influence of ti on surface electric field distri・ bution E > 之 互 岂 金 C .8 竺 叫 图6 VLk和BOSS结构电场和电势分布 (a)电场分布;(b)表面电势分布 Fig.6 Electric field distribution(a)and potential distribution(b)of CDL SOI and BOSS SOI(ts=2“m, Ll=Ld/2+Ls) 研究表明,当击穿在pn,n n结同时发生时,即 E(0,0)=E(L )=E ,器件击穿电压最高,将此式 代入(7)式,可得漂移区浓度N 满足 N dfeff k sEc (8) 其中 t1 tzsinh(L1/t1)cosh[(Ld—L1)/tz]+t ̄sinh[-(Ld—L1)/t2]+t [cosh(L1/t1)一1]sinh[-(Ld—L1)/t2] “一————— 丁 = ——一 为CDL SOI结构的等效特征厚度;E 为硅的临界 击穿电场.(8)式为CDL SOI器件的RESURF判 据.可见,CDL SOI器件的RESURF条件不同于体 Si和常规SOI器件,前者除了考虑漂移区厚度t 和埋层厚度t。以外,还必须考虑埋层的构成,包括 k 和L。的大小.当L。=0,CDL SOI结构变为低 k(Low k,Lk)SOI结构,tl=t2:t=t s× 、/, ;当L。=L ,CDL SOI结构变为 维普资讯 http://www.cqvip.com

第11期 罗小蓉等: 复合介质层SOI高压器件电场分布解析模型 常规SOI结构,t1=t2=t=ts、//0.5+ks tl/k。 ts. 令t cff=t×coth(L d/2t),此时,(8)式变为均匀介 质埋层的SOI RESURF判据.这与文献[17]的SOI Single RESURF条件相同.可见,(8)式为soI RE. SURF条件统一判据,不同的SOI结构其等效特征 厚度不同.需要注意的是,Lk SOI结构的特征厚度 大于常规SOl结构,所以满足RESURF条件的N 较常规soI结构更小. 图7给出了击穿电压BV与Ⅳ 关系的仿真结 果.图7(a)为不同t 情况下,CDL SOI结构、Lk SOI以及常规SOI结构BV与Ⅳ 关系.仿真中采 之 ‰ 量 呈 ; 昌 2 ∞ > ∞ 0 > ; 0 2 ∞ 图7击穿电压与漂移区浓度的关系 Fig.7 Breakdown voltage as a function of the con・ centration in drift region 用t s=2 m.图7(b)为ts不同时,BV与Nd关系, 其中t =3 m.与常规SOI器件结构一样,当Ⅳ 较 低时,击穿发生在靠近n n结处,击穿电压随Ⅳ 的 提高而提高;当Ⅳ 较高时,击穿发生在pn结处,击 穿电压随Ⅳ 的提高而降低.而当Ⅳ。取最优值 N 时,pn结和n n结同时击穿,耐压最高.与公 式(8)一致,在满足RESURF条件的漂移区浓度 Ⅳ 随ts和t-的增加而减小,随L 的增加而增 加.在ts和t 一定的情况下,Lk SOI结构的Ⅳ 最小,常规SOI结构的Ⅳ 最大,CDL SOI的Ⅳ 介于二者之间.同时,击穿电压随t 和t 的增加而 提高.图7(b)同时给出了CDL SOI结构最高击穿 电压BV与低k埋层的长度L 一L 的关系(漂移 区和器件长度分别为40和50 ̄tm).该图表明,BV 随L 一L 的增加先增加后降低,这是由于当L 一 L 太长或太短时,新的表面电场峰距离pn结和n n结的过近或过远,其对pn结和n n结的电场峰 削弱作用不相当,导致表面电场不均匀,耐压降低. 图7显示,低k SOI结构的击穿电压(BV=401V) 高于常规soI结构(BV=306V),这主要是低k介 质对纵向电场调制的结果,CDL SOI结构的击穿电 压比常规SOI结构高,是不同k值的介质埋层同时 对横向和纵向电场调制的结果.值得注意的是,当 CDL结构低k介质长度L 一L =15/1m,即仅占器 件总长度的30%时,BV=459V,为常规soI结构 耐压的1.5倍.这就使得SOI材料大部分能采用常 规的埋氧层,降低了工艺难度且保证了SOI器件的 稳定性和可靠性. 对于本文的CDL SOI结构,低k介质可选用 较成熟的SiOF薄膜.氟的加入使抗湿性变差,可以 采用对SiOF薄膜掺碳的方法加以改进.制备掺碳 的SiOF薄膜有两种方法,其一是用CF 直接注入 已制备好的siO2薄膜而得到,其二是直接以SiH / Oz/CF /cH 混合气体产生等离子体淀积形成,其 k在2.5~2.8之内[15,18,19].本文选取第一种方法, 利用Smart—cut(或BESOI)技术制备CDL SOI材 料.Smart.cut技术制备工艺流程如下:si衬底氧化 一光刻一注入CF 形成局部掺碳sioF一双面光刻 (将埋层的介质分布标记于衬底背面)一平坦化一与 另一注氢si片键合一剥离一双面光刻(将衬底背面 的标记转移到有源层).为了保证键合质量,版图设 计时,可使常规SOI结构与CDL结构交错排列,同 时,CDL结构的低k区可以较短. 4 结论 本文提出复合介质层SOI高压器件新结构,并 建立该器件的解析模型,给出CDL SOI和均匀介质 层SOI RESURF条件统一判据.复合介质埋层对横 向和纵向电场调制作用使器件耐压提高.对t = 1 m,k2=2,k1=3。9的cDL LDMos,其埋层电 场和器件耐压分别为222V// ̄m和267V,分别比常 规soI结构提高了82%和58%,采用解析模型和二 维数值仿真对新结构的电场和电势进行分析,结果 表明,二者吻合较好. 维普资讯 http://www.cqvip.com

2O1O 半导体学报 第27卷 参考文献 [1]Udrea F,Garner D,Sheng K,et a1.SOl power devices.Elec. tronic and Communication Engineering Journal,2000,12 Chinese)[罗小蓉,张波,李肇基,等.部分局域电荷槽SOl高 压器件新结构.半导体学报,2006,27(1):193] Ll1j Jeon B C,Kin D Y,Lee Y S,et a1.Buried air gap structure for improving the breakdown voltage of SOl power MOS- FET’s.Proceedings of Power Electronics and Motion Con. trol Conference,2000,3:1061 (1):27 [2] Nakagawa A,Yasuhara N,Baba Y.Breakdown voltage en. hancement for devices on thin silicon layer/silicon dioxide film.IEEE Trans Electron Devices,1991,38(7):1650 [12]Pretet J,Monfray S,Cristoloveanu S,et a1.Silicon.on.nothing MoSFETs:performance,short.channel,and backgate Cou. [3]Funaki H,Yamaguchi Y。Hirayama K,et a1.New 1200V MOSFET structure on SOl with SIPOS shielding layer.Pro・ ceeding of ISPSD,1998:25 piing.IEEE Trans Electron Devices,2004,51(2):240  l13 l G riIl A,Patel V.Low dielectric constant films prepared by plasma.enhanced chemical vapor deposition from tetrameth. [4]Kapels H,Plikat R,Silber D.Dielectric charge traps:a new structure element for power devices.Proceeding of ISPSD, 2000:205 ylsilane.J Appl Phys,1999,85(6):3314  l14 l Lee S,Park J W.Effect of postplasma treatment on charac. teristics of electron cyclotron resonance chemical vapor dep. [5]Luo Xiaorong,Li Zhaoji,Zhang Bo,et a1.A novel structure and its breakdown mechanism of SOl high voltage device with shielding trench.Chinese Journal of Semiconductors, osition SiOF films.J Vac Sc Technol A,1999,17(2):458 [15]Wang Pengfei,Ding Shijin,Zhang Wei,et a1.CVD technolo. gies used in preparation of low dielectric constant materials 2005,26(11):2154(in Chinese)[罗小蓉,李肇基,张波,等. 屏蔽槽SOl高压器件新结构和耐压机理.半导体学报,2005, 26(11):2154] [6]Luo Xiaorong,Li Zhaoji,Zhang Bo.A novel E-SIMOX SOl high voltage device structure with shielding trench.IC— CCAS,2005:1403 for ULSI.Microfabrication Technology,2001,1:3O(in Chi. nese)[王鹏飞,丁士进,张卫,等.ULSI低介电常数材料制备 中的CVD技术.微细加工技术,2001,1:30] r16] Kim I J,MatSumoto S,Sakai T,et a1.Breakdown voltage im. provement for thin.film S0I power MOSFET’s by a buried oxide step structure.IEEE Electron Device Lett,1994,15 (5):148 [7]Merchant S,Arnold E,Baumgart H,et a1.Realization of high breakdown voltage(>700V)in thin SOl device.Proceeding 3rd Int Symp on Power Semiconductor Devices and ICs, 1991:31 [17]Guo Yufeng,Fang Jian,Zhang Bo,et a1.A 2D analytical model of SOI double RESURF effect.Chinese Journal of [8]Tadikonda R,Hardikar S,Narayanan E M S.Realizing high breakdown voltages(>600V)in partial SOl technology. Solid.State Electron,2004,48:1655 Semiconductors,2005,26(4):33(in Chinese)[郭宇锋,方健, 张波,等.soI基双级REsURF二维解析模型.半导体学报, 2005,26(4):33 l [9]Duan Baoxing,Li Zhaoji,Zhang Bo.A new partial SOl pow— er device structure with p-type buried layer.Solid-State Elec・ tron,2005,49:1965 [18]Yun SM,ChangHY,KangM S,et a1.Low dielectric con- stant films CF/SiOF composite film deposition in a helicon plasma reactor.Thin Solid Frims,1999,341:109 [10]Luo Xiaorong,Zhang Bo,Li Zhaoji,et a1.A novel SOl high voltage device structure with partial locating charge trench. Chinese Journal of Semiconductors,2006,27(1):193(in r19]Lubguban J Jr,Saitoh A,Kurata Y,et a1.Stability of the die. 1ectric properties of PECVD deposited carbon.doped SiOF films.Thin Solid Films,1999,337:67 Analytical Model for the Electric Field Distribution of an SO1 High Voltage Device with a Compound Dielectric Layer Luo Xiaorong ,Li Zhaoji,and Zhang Bo (College of Microelectronics and Solid-State Electronics,University of Electronic Science and Technology,Chengdu 610054,China) Abstract:A novel SOI high voltage device with a compound dielectric buried layer is proposed,and an analytical model for its electric field and potential iS established.A unified criterion of RESURF condition for CDL SOI and a uniform dielectric buried layer SOI device is given.The vertical electric field of the buried layer is enhanced due to the low k(permittivity)of the dielectric buried layer at the drain side.the electric field in the drift region is modulated by the compound dielectric layer with different k values.and both increase the breakdown voltage of the device.Based on the analytical model and the 2D de. vice simulation,the electric field distribution and potential distribution are analyzed.Th simulation results are in good agree. ment with the analytical results.It shows that the electric field of the buried layer and breakdown voltage of the CDL SO1 when the low k value is 2 are enhanced by 82%and 58%compared to conventional SOI,respectively. Key words:compound dielectric layer;vertical electric field;modulation;breakdown voltage;RESURF criterion EEACC:2560B;2560P Article ID:0253.4177(2006)11-2005.06 *Project supported by the National Natural Science Foundation of China(No.60436030)and the Armament Pre-Research Foundation of China(No.9140C09030506DZ02) ’Corresponding author.Email:xrluo@uestc.edu.cn Received 26 May 2006,revised manuscript received 4 July 2006 ⑥2006 Chinese Institute of Electronics 

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