超高压SOI器件的界面电荷岛耐压模型与新结构

Due to the low dielectric layer electric field and low vertical breakdown voltage (BV), it is difficult for the conventional high voltage silicon on insulator (SOI) device to achieve a BV of above 1200 V. Aiming at this scientific problem, the breakdown mechanism for ultra-high voltage SOI device is deeply studied. There are three innovations in this study. First, a BV model of interface charge island structure for the ultra-high voltage SOI device is proposed. Two dimensional Poisson equation for Si-SiO2 system with discontinuous boundary condition of interface charge is established and solved; the two dimensional electric field and potential distributions of the device, and the theoretical equation of BV with device parameters can be obtained. Then, based on the model, a novel interface charge island structure for ultra-high voltage SOI device is proposed. The interface charge islands are formed on the interface of buried oxide layer by introducing a series of spaced highly doped regions, which can lead the dielectric layer electric field is greatly increased and the bulk electric field is reduced. In the proposed device, the dielectric layer electric field can be increased from 90 V/μm – 120 V/μm to about 500 V/μm when breakdown occurs. Last, the corresponding ultra-high integration technology is developed and 1200 V ultra-high voltage SOI device with interface charge islands is manufactured, which can lay the foundation for the application of 1200 V level ultra-high voltage SOI device and improve the self-heating effect of the high voltage SOI device with a BV below 700 V.

针对传统高压SOI器件介质场低、纵向耐压低的瓶颈，其耐压难于突破1200V的科学问题，深究超高压SOI器件耐压机理，进行三项创新研究：1. 提出超高压SOI器件的界面电荷岛耐压模型。建立和求解不连续界面电荷边界条件下Si-SiO2系统的二维泊松方程，获得器件结构的二维电场分布和电势分布，进而得到器件击穿电压和结构参数的优化关系。2. 基于该模型，提出超高压SOI器件的界面电荷岛新结构。通过引入一系列相间隔的高浓度掺杂区使器件在耐压时埋氧层上产生界面电荷，利用界面电荷对介质场的增强作用和对顶层硅电场的削弱作用来提高器件耐压，新结构器件击穿时介质场可从常规的90V/μm~120V/μm提高至约500V/μm；3. 开发相应的超高压集成技术，实验研制1200V界面电荷岛结构的超高压SOI器件，为1200V级超高压SOI器件的实现和应用奠定基础，并改善700V以下级高压SOI器件的自热效应。

SOI高压集成电路因其具有高速、低功耗、抗辐照以及易于隔离等优点而广泛应用于汽车电子、显示驱动和照明等多个领域。但传统高压SOI器件的耐压主要受限于其纵向耐压，器件击穿时埋氧层电场仅为90V/μm~120V/μm，远小于埋氧层的临界击穿电场；同时，埋氧层厚度由于器件的自热效应而受到限制，不能太厚。因此，纵向耐压成为SOI高压器件及电路在智能功率领域（>700V）应用的重要瓶颈。.本项目针对埋氧层耐压的核心科学问题，提出超高压SOI器件的界面电荷岛耐压模型与新结构，开发相应的高压集成技术，主要研究内容包括：1.建立并求解界面电荷岛结构下Si-SiO2系统的二维泊松方程，获得器件耐压与结构参数的优化关系，且该界面电荷岛耐压模型具有普适性，为类似结构的超高压SOI器件的设计提供理论支撑；2.提出超高压SOI器件的界面电荷岛新结构，通过在SOI层与埋氧层界面处引入一系列相间隔的高浓度掺杂区，使得器件耐压时在埋氧层上形成束缚的界面电荷，利用界面电荷对介质场的增强作用以及对顶层硅电场的削弱作用来提高器件耐压，突破传统SOI横向器件纵向耐压的理论极限，新器件结构在击穿时的介质层电场可从常规的90V/μm~120V/μm提高至500V/μm以上；3.开发与标准集成电路工艺相兼容的超高压SOI器件集成技术，在薄埋氧层上实验研究超高压SOI器件，并研究了薄层超高压SOI器件存在的可靠性问题。.基于该项目相关研究，在IEEE EDL、IEEE T-ED等期刊发表SCI收录论文16篇，在本领域的国际会议ISPSD、ICSICT发表论文5篇；申请中国发明专利35项，其中已授权6项，申请美国专利6项，均已授权；2019年12月获得国防技术发明奖二等奖。.本项目的科学意义在于，本项目的研究工作为超高压SOI器件的实现提供了一种新的设计思路，所建立的超高压SOI器件的界面电荷岛耐压模型可为横向超高压SOI器件的设计提供理论支撑，突破了传统SOI横向器件纵向耐压的理论极限，使得介质层电场可从常规的90V/μm~120V/μm提高至约500V/μm；开发相应的超高压SOI集成技术，为实现SOI高压器件及电路在智能功率领域（>700V）的应用奠定了基础。