高K介质鳍式SOI LDMOS研究

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绝缘体上硅横向双扩散功率MOSFET(SOI LDMOS)由于其易驱动,耐高压,高速,低的寄生效应等优点而被广泛地应用于功率集成电路中。如何在实现高击穿电压(BV)的同时并保持低的比导通电阻(Ron,sp)是SOI LDMOS设计的主要目标之一。近年来,高K介质被应用于LDMOS的结构设计中,显著地改善了LDMOS击穿电压与比导通电阻之间的矛盾。本文从高K介质在LDMOS中的应用出发,研究了不同位置的高K介质对LDMOS的调制作用。并提出了一种高K介质鳍式SOI LDMOS新结构,主要从器件机理、结构参数优化、工艺制备方案等方面进行了研究。主要工作包括:(1)研究了高K介质在LDMOS中的应用。根据高K介质在LDMOS中的位置,将具有高K介质的LDMOS分为表面高K介质LDMOS、侧壁高K介质LDMOS以及槽型高K介质LDMOS,并对各自的结构特点、工作机理、电学性能以及工艺制备方案进行了综合分析与对比。(2)提出了一种高K介质鳍式SOI LDMOS新结构。该结构的主要特点是鳍式有源区被三向高K介质从两侧及表面包围,形成一体化的三向高K场介质和三向高K栅介质。新结构同时具有高K场介质技术、高K栅介质技术、三栅技术以及鳍式技术的优点。当器件工作于导通状态时,三向高K栅介质不仅拓宽了沟道宽度还增加了沟道反型层电子浓度,有效降低了沟道电阻;同时由金属栅电极、高K栅场介质以及漂移区组成的电容(MIS结构)在鳍式漂移区的两侧壁以及顶部形成电子积累层,进一步降低了漂移区的导通电阻。当器件工作于阻断状态时,三向高K场介质从漂移区顶部和侧壁三个方向进行辅助耗尽,从而全方位地优化了漂移区的掺杂浓度,使的新结构获得低的比导通电阻;同时三向高K场介质充分地优化了漂移区的三维电场分布,从而显著地提升了新结构的击穿电压。数值仿真结果表明,新结构相较于常规SOI LDMOS,其击穿电压增加了157.6%,比导通电阻降低了48.1%,因此,新结构实现了击穿电压与比导通电阻更好的折中。(3)设计了高K介质鳍式SOI LDMOS新结构的工艺方案。并通过Sentaurus process工具进行了工艺模拟,确定了具体的工艺制备参数,验证了工艺方案的可行性。高K介质鳍式SOI LDMOS的工艺仿真(Sprocess+Sdevice)结果与相同结构参数下的器件仿真(SDE+Sdevice)结果进行了对比,两者的电学性能基本一致,进一步证明了工艺方案及工艺制备参数的可行性。
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