基于纵向双RESURF概念的沟槽型SOI横向功率器件新结构及模型研究

Aiming at the problem of the tradeoff between the breakdown voltage (BV) and the specific on-resistance (Ron,sp) for SOI lateral power device, a new concept of vertical double-RESURF is proposed. Structure and model are researched for a novel SOI power device which combines the proposed concept with the existing trench and enhanced dielectric layer field technologies. There are two innovations in this study:. 1) Trench SOI lateral power device based on the concept of vertical double-RESURF is proposed. Electric field in the drift region is optimized and Ron,sp is reduced by the influence of the vertical double-RESURF. Moreover, high concentration ionized dornors on the interface enhance the electric field of the buried oxide layer. High BV and low Ron,sp can be obtained for the SOI lateral power device with an ultra-thin buried oxide layer; . 2) Breakdown model of the new structure is proposed. For revealing the inner nature in physical aspect how the new structure can offer the capability of high BV and low Ron,sp, models of BV and Ron,sp are obtained by solving 2-D Poisson equation in different parts of the drift region, and the criterion of the vertical double-RESURF is derived. The model is used to guide the design of device structure.. This proposal is expected to propose a new scientific way and to establish some theoretical bases for relieving the tradeoff between BV and Ron,sp in SOI lateral power device. It is a fundamental and applicative advanced research with international harmonization, which is of great significance...

针对SOI 横向功率器件耐压（BV）与比导通电阻（Ron,sp）矛盾关系问题，项目提出“纵向双RESURF”概念，结合现有沟槽技术及介质场增强技术，研究基于该概念的沟槽型SOI器件结构与模型。项目有两项创新：. 1）提出基于纵向双RESURF概念的SOI横向功率器件新结构。利用纵向双RESURF效应优化漂移区电场，降低比导通电阻，同时界面积累高浓度电离施主能有效增强埋氧层电场，在超薄埋氧层衬底上实现高BV、低Ron,sp的高性能SOI功率器件。. 2）提出新结构的耐压模型。着眼于物理层面揭示新结构高BV、低Ron,sp的机理，对漂移区进行分区求解二维Poisson方程，建立BV及Ron,sp模型，获得纵向双RESURF判据，用以指导器件设计。. 项目期望能为改善SOI功率器件BV与Ron,sp矛盾关系提供一种新的科学途径并奠定一定理论基础，是与国际同步的超前性应用基础研究，创新明显。

SOI（Silicon-On-Insulator）独特的结构特点克服了诸多体硅材料的不足，充分发挥硅集成电路技术的潜力。基于SOI衬底的高压集成电路集SOI技术、微电子技术和功率电子技术于一体，在武器装备、航空航天、工业自动化、电力电子和其它高新技术产业有着极为广泛的应用前景。SOI横向高压器件作为SOI高压集成电路的基石和核心部分之一，目前存在的主要问题包括：①与体硅功率器件相同，为获得高的击穿电压（BV）必然要求长且浓度较低的横向漂移区，因而器件比导通电阻（Ron,sp）较高，BV与Ron,sp矛盾较为突出。② 由于埋氧层阻止了器件耗尽区向衬底扩展，使衬底不能参与耐压，所以SOI横向高压器件纵向耐压较低，成为限制其在高压集成电路应用和发展的主要原因。. 本项目针对SOI横向功率器件耐压与比导通电阻矛盾关系问题，提出“纵向双RESURF”概念，结合现有沟槽技术及介质场增强技术等，研究具有埋界面漏的沟槽性功率MOSFET器件新结构，详细分析该器件的工作机理，获得各个结构参数与器件电学性能的定量关系，并由此延伸提出了一系列缓解功率器件耐压与比导通电阻矛盾关系的新型功率器件结构，相继提出具有界面栅的SOI功率器件、具有界面横向变掺杂结构的SOI横向功率器件、基于漂移区多重埋层的双栅SOI LDMOS器件，以及具有浮空场版的槽型场氧新器件等一系列新的器件结构，圆满完成预期的研究目标。. 本项目提出的“纵向双RESURF”概念以及基于该概念的沟槽型横向SOI功率MOSFET，获得了BV与Ron,sp良好折衷，突破了现有横向RESURF技术限制，得到了系列具有较高优值（figure-of-merit，FOM）的新器件结构。本项目共发表SCI检索期刊论文9篇，已录用SCI检索期刊论文1篇，国际会议论文1篇，申请中国发明专利5项，其中已授权3项。项目共培养硕士研究生5名，其中已经毕业3名。