SOI横向功率器件侧向场板新技术耐压机理、解析模型和工艺制备的研究

In this Proposal, a novel side field plate technique is proposed for semiconductor integrated power devices. The breakdown mechanism, analytical model and fabricated process are innovative investigated. Firstly，the novel side field plate technique is proposed，the field plate is expanded to the side-wall of the drift region for effectively suppressing the electric peak field in the two terminals of the drift region and modulating the electric field distribution, this is a new method to improve the lateral and vertical breakdown voltage. Secondly, we propose a new model to study the mechanism of the new device. The three-dimensional surface potential field model and the breakdown voltage model are obtained with the partition method and two Taylor expansion. It provides the theoretical guidance for the design of the new device. Thirdly, a new technological process for forming an arbitrary shaped field plate by adding a lithography is researched, a CMOS compatible process is designed to fabricate the real device. This project not only enriches the SOI power device techniques, but also expands the application of junction termination technology in power integrated circuit, and thus presents a scientific significance and application value for power integration technology.

本项目针对半导体集成功率器件，提出了侧向场板新技术，并从耐压机理、解析模型和制造工艺三个方面开展创新研究。第一，提出侧向场板新技术，该技术将常用的二维顶场板扩展到侧面，能够有效地抑制漂移区两端电场峰值，调制漂移区电场分布，是提高横向和纵向击穿电压的一种新思路。第二，提出一个新的三维耐压模型来定量研究新器件的工作机理。通过分区求解以及二次泰勒展开来三维表面势场分布模型以及击穿电压模型，为本项目所提出的三维结构新器件的设计提供理论指导。第三，提出通过增加一次光刻形成任意形状场板的工艺新方案，设计与标准CMOS工艺兼容的新器件制造工艺流程，并进行器件研制。本研究不但从理论上丰富了SOI功率器件耐压技术，并拓展了结终端技术在功率集成电路中的应用, 对功率集成技术具有重要科学意义和应用价值。

本项目提出了一种侧向场板技术以提高功率器件的电学性能。在结构设计方面，将场板技术从二维拓展到三维，同时结合高k介质技术提出了高K介质侧向槽场板SOI LDMOS新器件，并对侧向栅场板、侧向漏场板、侧向栅漏场板以及高K 介质区的结构参数进行了优化设计，新器件的性能较常规器件有了大幅提升。在理论建模上，完成了三维电势和电场分布解析模型和击穿电压模型，并运用TCAD工具获得的数值仿真结果证明了模型的正确性，相关解析模型能够为器件设计提供理论指导。在工艺制备上，提出通过增加一次光刻形成任意形状场板的工艺新方案。并完成了三维工艺模拟与工艺参数优化，研究各工艺条件对器件性能的影响，完成了版图设计并进行了关键步骤的工艺实验。以上研究成果被发表于本领域重要国际期刊和重要国际会议上，并申请了专利。侧向场板技术可以有效地提高功率器件的性能，不但从理论上丰富了功率器件耐压技术，同时拓展了结终端技术在功率集成电路中的应用, 对功率集成技术具有重要科学意义和应用价值。