高压LDMOS的新结构和解析集约-等效电路模型研究

Along with semiconductor technology advancements, electron devices have been scaling down rapidly. One hand, the scaling effects, such as short channel effect (SCE) and quantum effect, have been serverely degrading device performance. However, LDMOSFETs could delay this scaling trend as they can alleviate the influence from the the scaling effects. On the other hand, although LDMOSFETs have been applied abroadly in the electronics industry, the study of SPICE models of LDMOSFETs have not been carried out with enough progress, and the circuit models of LDMOSFETs have not been set up based on the device physical fundamental. Therefore, the project “Study on Novel Structure, Analytical Model and Equivalent Crcuit Model of High-voltage LDMOS” is proposed, with the high-voltage LDMOSFETs as the object of the study. In order to improve device performace of high-voltage LDMOSFETs, novel fabrication processes, materials and structures need to be explored and studied, which provides more choice for IC designs. Further more, based on the device physical fundamental, Analytical and Equivalent Crcuit Models of high-voltage LDMOSFETs will be established, developed and completed, which provides advantages for designs of very large-sacle ICs with LDMOSFETs. This research project has both theoretical significance and practical values for real-world IC designs.

随着半导体工艺技术的不断完善与创新以及大规模集成电路开发设计水平的逐步提高，一方面由于器件工艺尺寸在不断缩小，短沟道、量子效应等小尺寸效应越来越明显，而LDMOS器件由于具有漂移区，在这方面有比较好的适应能力。另一方面，LDMOS应用广泛，但是其SPICE模型的研究还不充分，基于器件物理基础的电路模型还未建立起来。因此，我们提出“高压LDMOS的新结构和解析集约-等效电路模型研究”项目，拟将以高压LDMOS作为研究对象，探索高压LDMOS的新工艺、新材料和新结构，以获得性能更好的高压LDMOS，为集成电路设计提供更多选择，进而从其器件物理出发，结合各次级效应的研究分析，构建解析集约模型和等效电路模型，以发展并完备高压LDMOS的SPICE模型，从而为大规模集成电路设计提供帮助。此项目具有重要的理论意义和实际应用价值。

随着半导体技术的发展，对高压半导体器件的性能要求也越来越高，在器件结构方面的设计需求也相应的越来越大。另一方面，对于器件的应用方面，高压器件的模型构建还不够充分和完善，基于器件物理基础的电路模型还未建立起来。本项目拟将以高压LDMOS作为研究对象。（1）针对漂移区以及SOI-LDMOS 中的埋氧层进行设计。1）提出了提出了一种基于部分绝缘衬底硅兼具阶梯掺杂漂移区和N 型硅岛的高压LDMOS，此种结构能打破传统硅埋层在长度和厚度上的限制，获得更高的硅埋层设计自由度，从而更好的改善器件的击穿电压和导通电阻；2）提出了一种具有对称氧化沟槽的高压LDMOS，能明显提升器件击穿电压，尽管导通电阻变大了，但是器件的品质因素还是有了明显改善。两种新结构为器件选取提供了更多的选择。（2）主要针对高压PSOI-LDMOS 的尺寸效应进行研究探索，着重考虑尺寸参数间的匹配器件性能的影响。研究表明器件在长厚比例值（L/t）为6时可以获得最大击穿电压。此结论为器件设计人员提供参数选择的理想参考值。（3）混合型硅埋层结构对器件性能改善的方法：利用P埋层和N埋层相结合，可以极大的提高器件性能，而且和其他方法有较好的兼容性。它为器件设计提供了一种新方法。综合来说，此项目研究为器件和集成电路设计者提供了更多的器件结构选择和参数选取参考。