埋氧层电荷对功率性器件耐压性能分析.docx

SC)I是一种高压器件，是在顶层硅和衬底之间加入二氧化硅形成的。由于SOl结构的特殊性使其具有低功耗、隔离性能好等特点，这些特点为SCH结构成为新一代集成电路的衬底材料奠定了基础。在Sol器件结构的耐高电压能力是极为重要的参数。因为在器件中引入了介质层的SOl结构，使得空间电荷区电荷积累过多不能进行扩散运动使得整个器件的耐压性能较差，从而限制了SOl器件在集成电路中的应用。本文围绕纵向耐压理论建立了具有电荷岛的系列高压器件结构。通过增加界面电荷对介电电荷的影响和界面电荷对硅表层电场的衰减作用，来提高器件的击穿电压。利用MEDCl软件对具有界面电荷的器件进行了模拟仿真，分析了界面电荷岛的高度、岛宽度、岛间距以及电荷岛掺杂浓度等器件参数对器件击穿电压的影响。通过调整器件结构参数，最终得到了击穿电压为699伏；散热性能优良的器件。关键字：SOI埋氧层电荷纵向耐压ABSTRACTTheSOIisahighvoltagedeviceformedbyaddingsilicabetweenthetopIayerofsiIiconandthesubstrate.DuetotheparticularityofSOIstructure,ithasthecharacteristicsoflowpowerconsumptionandgoodisolationperformance,whichIaysthefoundationforSOIstructuretobecomethesubstratemateriaIofanewgenerationofintegratedcircuits.TheabilitytowithstandhighvoltageisanextremeIyimportantparameterintheSOIdevicestructure.BecausetheSOIstructureofthedielectricIayerisintroducedintothedevice,thechargeaccumulationinthespacechargeareaistoomuchandcannotbediffused,resuItinginpoorvoltageperformanceofthewhoIedevice,thusIimitingtheappIicationofSOIdevicesinintegratedcircuits.Inthispaper,aserieshighvoltagedevicestructurewithchargeistandisestabIishedbasedonthetheoryoflongitudinalvoltageresistance.ThebreakdownvoItageofthedeviceisincreasedbyincreasingtheinfIuenceofiinterfacechargeondieIectricchargeandtheattenuationeffectofiinterfacechargeonsiIiconsurfaceeIectricfield.TheMEDCIsoftwarewasusedtosimuIatethedeviceswithinterfacialcharge.TheinfIuencesofinterfacialchargeisIandheight,isIandwidth,isIandspacingandchargeisIanddopingconcentrationonthebreakdownvoltagewereanaIyzed.Thebreakdownvoltageof699voItswasobtainedbyadjustingthestructureparametersofthedevice.Adevicewithexcellentheatdissipationperformance.Key words: SO IOngitudinal voltage res i stancebur ied oxygen Iayer charge目录第一章序言4第一节Se)I器件概述4第二节ScH器件耐压技术发展6一、耐压模型发展6二、纵向耐压技术6第三节本文主要内容概述7第二章器件设计的理论基础8第一节ENDlF理论概述8第二节增强介质层电场的途径8一、超薄顶层硅8二、引入低k介质埋层9三、在顶层硅与介质层界面引入电荷9第三章MEDlCl的简介10第一节MEDlCl特性10第二节器件结构定义语句H第三节器件结构仿真分析13一、器件结构参数13二、器件耐压分析14第四章界面电荷岛型SOl器件21第一节界面电荷岛型Se)I器件21一、电荷岛型SOI器件结构21二、电荷岛型SOl器件原理22第二节器件结构参数对击穿电压的影响23第三节电荷岛Sol器件结构的实现26第四节总结32致谢33参考文献34附录:MEDIel运行程序代码34第一章序言SOI即长在绝缘衬底上的硅，是硅材料的一种新型结构。该器件结构主要是通过在介质层中引入埋氧层，通过增加界面电荷对介电电荷的影响和界面电荷对硅表层电场的衰减作用，提高了器件的抗电压能力。横向高压SOl器件具有较低的纵向耐压，目前的研究方向主要集中在器件的纵向耐压方面。第一节SOI器件概述SOI器件结构和材料的特性使其具有了特别的性能优点，如图1.1所示以Si2为材料的埋氧层结构作为介质隔开了有源区和衬底，使得SOI结构承受高电压的能力得到提高。(b)体硅CMoS结构图1.ISOI器件结构Sol技术的实现最初采用的是利用硅烷化学气相淀积的方式在蓝宝石上生长单晶硅的SoS结构。由于SOS制备成本过高，随着科学技术的发展SiOz逐渐替代了SOS,SOI结构逐步由绝缘衬底上的硅拓展到了绝缘衬底上的半导体。形成SOI材料的三种技术如下：1、注氧隔离该技术是对硅片进行氧注入，注入时一定要注意氧注入达到足够的深度，然后对该硅片进行退火，从而形成二氧化硅的埋层结构。该技术常用0.2m的顶层硅和0.4m的介质层制备的，制备的尺寸大多为4、5、6、8、12英寸。其中4、5、6英寸用于科研工作。子注入I111!ajs埋氧化足退火,硅村底硅村底图1.2注氧隔离技术原理2、键合减薄技术将具有氧化层的两个硅片进行键和从而形成埋氧层结构。对其中一个硅片进行腐蚀抛光减薄处理后，作为衬底。该技术具有比SlMOX更高质量但较厚的顶层硅膜，仍有键合后氧化层之间会出现空洞的情况出现。合皆腐蚀图1.3键合减薄技术3、智能剥离智能剥离是将SDB和SIMOX相结合的技术。在硅片中利通过氢离子的注入使得硅片上形成气泡层，使得注入氢离子且包含热氧化Si。2的硅片与支撑片进行键和，经过合理的热处理过程从而达到注氢片开裂的效果，形成SOl器件结构。常见的高质量零薄硅膜SOI材料就是该技术制造的产物。建片-A图14智能剥离技术第二节SOI器件耐压技术发展SOI器件作为SOI技术的一个重要的发展方向现如今耐压性能的优化仍是一个棘手的问题，这一问题也受到了众多研究者的广泛关注。通过调整优化器件的结构参数，可以优化器件的耐高击穿电压能力。器件的击穿电压常常是横向电场和纵向电场中较低者。只有得到击穿电压较高的SOI器件，才能使SOI器件在集成电路中得到更好的应用。一、耐压模型发展耐压模型的建立能够更好的帮助设计者透过本质去观察器件结构，从而设计出具有更高的击穿电压的器件结构。众多研究者对器件模型进行深度的分析模拟建造了一系列高击穿电压的模型，常分为一维模型和二维模型。一维模型：一维模型共包含HUang模型、Kim模型、ChUng模型和富力文模型。这些模型在器件结构的假设中都存在一定的缺点和优点。HUang模型提出的假设是SOl器件的耐压性能仅与纵向电场有关且器件击穿处在漏极。该结构的优点是对照试验内容简洁明了，缺点是认为SOl器件结构的击穿电压与横向电场无关。Kim模型提出的假设为器件的耐压性能与横纵电场都有关。该模型将漂移区的载流子浓度降为极低（接近于零）此模型具有很大的局限性并不适用于所有的SOI器件结构。Chung模型提出的假设是器件横纵电场都具有击穿点且同时发生击穿，并且该模型中器件的表面电场围绕漂移区的中心点线性分布。这个模型可以得到器件表面电场的双峰示意图，但仍存在器件表面电场线性分布假设有偏差。二维模型：二维模型包括改进后的Chung模型改进后的ChUng模型提出的假设是是表面电场纵向分量为0且电场线的分布与表面电场分布相同。这么假设即考虑到了电场的二维效应还对该模型进行扩展。二、纵向耐压技术在SOl器件的纵向和横向击穿电压中，纵向击穿电压更低，器件的纵向更容易被击穿。提高纵向击穿电压一度成为国内外研究者们的热门话题，Sol器件结构作为高压集成电路的重要材料，提高器件的耐压性能必须提上日程。该领域的众多研究学者都意识到了这一问题，做了大量的分析给出了一系列新的器件结构。二氧化硅埋氧层隔断了散热途径还具有低热导率，在对器件结构进行优化时还需要解决散热这一问题。提高器件的纵向电场最主要的时增大埋氧层的耐压能力。其原理是埋氧层附近的电荷越多形成的电场强度越大对纵向电场的削弱能力就越强。之所以被称为界面电荷岛SOl器件，是因为该器件结构是通过在介质层附近引入界面电荷以达到提升介质层附近的纵向电场强度的目的。Sol器件的衬底很少对器件结构的耐压性能起到影响这也是与体硅器件区分的重要因素。结合SOl器件和体硅的特点可以采用开窗口的形式解决二氧化硅埋氧层阻隔了散热途径这一问题，主要原理是对埋氧层开窗口后耗尽层的载流子更容易在漂移区进行扩散运动。但开窗口容易使得器件结构和衬底发生漏电的情况，为器件的使用过程增添了很多的风险。NAKAGAWA提出的假设是在埋氧层通过掺杂形成高浓度低厚度的N+层，顶层硅22m埋氧层3m可以得到650V的击穿电压的横向双扩散结构器件。但该结构大大限制了N+缓冲层的厚度及浓度的范围。顶层硅-半绝缘多晶硅结构，固定顶层硅5m,埋氧层为2m的器件结构可以得到击穿电压为120Ov的横向二极管。该假设的缺点是不易重复且漏极电流很大。郭宇峰采取在埋氧层进行阶梯浓度注入的方式形成埋氧层固定电荷从而达到提升埋氧层电场强度的目的。第三节本文主要内容概述器件结构有着特殊的结构和独有的性能优势，顺应时代的发展越来越多的研究学者们关注到了这一器件结构。为了解决器件纵向耐压低的问题，本文以ENDIF理论为基础，设计了具有电荷岛的SOI器件结构。利用MEDICI软件对设计的器件进行模拟仿真，通过调整器件结构参数来得到耐高压的SOI器件。本文的主要内容包括以下几点：1、SOI器件结构2、SOl器件耐压技术的发展概述3、对电荷岛型器件结构的原理进行概述4、对软件模拟仿真环境以及语法内容进行简单描述5、对电荷岛型SOI器件结构和原理进行描述6、分析对器件结构参数对击穿电压的影响7、通过调整器件结构，得到击穿电压最优的器件结构。第二章器件设计的理论基础第一节ENDlF理论概述Sol器件结构的埋层通常为SiO2,普通的SoI器件结构击穿电压一般都小于600Vo目前所出现的各种SOI耐压模型大多都是依据具有均匀厚度的埋氧层和漂移层来建立的。目前耐高压SOl器件结构的设计主要是以ENDlF理论为指导，该理论的原理主要是通过增加界面电荷对介电电荷的影响和界面电荷对硅表层电场的衰减作用，提高器件的击穿电压。这个器件结构解决了高压器件结构的局限性，为设计Sol纵向耐压器件结构提供了新思路，是一种新型的SOl器件击穿电压理论。这类器件结构中，埋氧层（二氧化硅）附近进行高浓度掺杂，形成高浓度电离施主杂质使之对反型空穴的库仑力将减小,没有掺杂的地方电离杂质的库仑力和电场力对界面电荷进行束缚。第二节增强介质层电场的途径ENDIF理论作为一种主流的高压SOI器件击穿电压理论，可以更好地对高压SOI器件结构的优化提供帮助。在此理论的支持下了解到了超薄顶层硅、引入低k介质埋层和在顶层硅与介质层界面引入电荷三项关于增强器件纵向耐压技术。一、超薄顶层硅超薄顶层硅技术主要是将顶层硅的厚度降低至0.lm以下，硅的临界点长与厚度存在随着硅层的逐渐变薄厚度反而增加的关系。在得知此关系的情况下，对不同厚度的硅层结构计算器件的击穿电压如图2.1所示。该器件结构在硅层逐渐变薄的情况下，临界电场增强逐渐改变了漂移区的电场线分布使得介质层电也越来越强。50403020100f.=O.lm0.010.1110Vertical distance (m)(Ew>0-x) P3 OE3图2.1不同顶层硅厚度的SOI器件击穿时漏端纵向电场分布二、引入低k介质埋层低k型介质埋层主要包括低K埋层高压器件、变低k介质埋层高压器件和低K埋层PSOI高压器件。高耐压性能结构的器件将低k介质引入了介质层中，利用介质层电场随着K值的反比关系，在控制顶层硅厚度的参数不变的情况下增强介质层电场的强度。三、在顶层硅与介质层界面引入电荷电荷型介质电场增强高压器件通常是通过在介质层的相同或不同界面通过重掺杂形成电荷岛。在重掺杂的N+离子处会形成负电中心，负电中心所形成的电场线的方向与顶层硅电场线方向相反起到了一定的削弱作用，从而提高了器件的击穿电压。该类型的器件结构包含双界面（在介质层的一侧或者两侧形成电荷岛）电荷岛SOI高压器件和复合埋层SC）I器件结构（复合埋层大多是由两层氧化物以及其中的多晶硅夹杂而成，由于其结构的特性能够提高器件的耐压性能。第三章MEDICI的简介MEDICI通常用于对半导体器件的模拟,这种模拟的过程主要是规定材料类型将提前设计好的器件结构、器件中各个区域的不同浓度掺杂类型、器件中的电等通过硬件语言描述出来。在程序运行结果中可以直接得到器件结构的击穿电压、表面电场、纵向电场以及表面空穴分布示意图等。MEDICI软件的仿真过程包括三个主要步骤：几何建模、网格生成和仿真分析。几何建模可以通过导入CAD文件或手动绘制设备几何形状来完成。网格划分是将设备几何建模划分为有限元网格的过程，这一参数与MEDICI软件模拟仿真的运行速度和仿真准确度有直接的关系。仿真分析是基于建立的器件模型和设定的物理参数进行仿真计算，以获得器件的电气性能和特性。第一节MEDICI特性一、网格(GRID)使用网格语句对MEDICI软件中的区域结构进行划分，便于对器件任何地方进行电极的定义。二、杂质分布的读入杂质的分布可以通过调用MEDICI的函数从而达到其他工艺建模软件中调用或直接在文本文件中进行描述。三、物理模型为了大大提高模拟器件结构数据的准确性可以考虑载流子的复合和寿命、迁移率的变化等，在实际应用中可以根据研究器件类型和应用场景选择适合的模型和参数。四、其他特性（一）将集成电阻、电容和电感等原件连接到触点上。（二）对分布式接触电阻进行描述。（三）在模拟器件结构时，对电压和电流的边界条件进行描述。（四）IT曲线自动跟踪。（五）在假设的频率下分析交流小信号。五、图形的输出（一）终端数据的一维模型（二）可以用来显示直流特性和交流量（三）可以显示沿着器件结构中某一路径上的某一参量的一维分布（四）对网格、边界、电极和结的位置进行显示，并显示出耗尽区边界的二维结构图（五）量的二维图形分布。六、电流密度核电场的二维向量分布七、量的三维图形分布。第二节器件结构定义语句一、定义器件结构和模拟器件结构所用的网格MESH,X.MESH,Y.MESH,ELIMINATE,SPREAD,BOUNDRY,TSUPREM4,REGION,ELECTRODE,PROFILE等。MESH:生成初始化网表。X.MESH:X方向上的网格线的位置。Y.MESH:Y方向上的网格线的位置。ElJMINATE:沿着网格线逐渐递减的节点。SPREAD:沿着水平网格线对节点的垂直位置进行标记。BoUNDRY:为了适应边界的界面，对模拟的网格表进行调整的语句。REGRID：对网格进行优化。二、材料物理性能描述REGION用来描述区域中为何种材料。INTERFACE语句用来描述界面层电荷、复合速率和陷阱电荷。CONTACT用来表明电极的特殊边界条件。MATERIA对结构的材料特性进行改变。三、器件求解的物理模型MOBILITY描述和迁移率模型相关的参数。MODELS描述模拟过程中的物理模型。SYBOLIC用来选择模拟器件结构时用的求解方法。METHOD针对特定的求解方法选择特殊的技巧。SOLVE用来选择偏置条件和分析类型,可用于稳态,瞬态和交流小信号。四、图形化结果的输出PLoT.3DPLOT.2DPLOT.ID被用来初始化三维/二维/一维图的显示平台。五、网表描述的步骤网表通常使用一下步骤进行描述：（一）首先定义一系列有间隔的X和Y方向的网格线的位置，并使之构成的多个个简单的矩形。（二）其次通过将网格线进行扭曲以适应杂质的分布对网格进行优化。（三）去掉网格中多余的节点。（四）定义区域的材料类型和电极名称。六、语句格式：MEDICI的语句中有一些固定的格式，在程序编程过程中需要注意以下几点：（一）语句结构为语句名称+参数名+数值O（二）语句占用多行时，行间用进行连接。（三）每行语句不超过80个字符,不超过2000行。七、参数类型：在每个语句的名称后都必须加上对器件参数的定义。第三节器件结构仿真分析一、器件结构参数参数含义数值单位Tox氧化层厚度1mTs硅层厚度5mLd漂移区长度80mNd第一区的浓度lel5cmLength器件长度92mWidth器件宽度26m二、器件耐压分析图1和图2为MEDICI软件模拟的具有电荷岛结构的SOI器件结构示意图。图3.1为未开窗口且正面电荷岛为n型的器件结构示意图。图3.2为开窗口且正面电荷岛为n型的器件结构示意图。00 00e COL,Wthe JUnCtlon prof liesDl»t«nce <Micron)未开窗口且正面电荷岛为n型的器件结构示意图the junction proiIes0 00C (Ou。Js 工OouioloDistance <Micro>图3.2开窗口且正面电荷岛为n型的器件结构示意图图3.2红色框内的小黑方框即为n型掺杂的电荷岛结构。该电荷岛均匀的分布在电荷岛的上界面处。thejunctionprofi1es图3.3开窗口无界面电荷岛的SOI器件结构开窗口且无界面电荷岛的SC)I器件结构电场线分布如下图所示。由图3.4我们可看出在漏极端电场线极为密集，由此我们可以得出普通的SOI器件结构在漏极处电场线分布密集，根据击穿电压是由横向和纵向中较小的一方所决定的因此普通的SOI器件结构在漏极其容易发生击穿从而造成器件的损坏。还可以从埋氧层附近密集的电场线分布看图3.4开窗口无界面电荷岛的SOI器件结构电场线分布然而埋氧层上方均匀分布电荷岛的器件结构这个问题就得到了很大的改善。如图3.5所示开窗口上界面存在电荷岛的电场线分布示意图所示。不管是横向电场线还是纵向电场线分布都呈现出等间隔分布，没有普通的SOI器件结构出现电场线密集的情况。埋氧层处还布满了黑色的电场线说明在该处存在电场，在重掺杂的N+离子处会形成负电中心电场线的方向与顶层硅电场线方向相反起到了一定的削弱作用，从而提高了器件的击穿电压。ElTMA MEDICI GRAPHICSOitanoQ <Mioron)COC.SZ。：a10图3.5开窗口上有电荷岛的电场线分布示意图如下图3.6和3.7所示，可以很明显的看出界面电荷对表面电场起到了一定的调制作用，普通的SOlLDMoS结构的横向电场漏端为33l()Wcm而具有电荷岛结构后在漏端最高电场为24乂1。'7°九o从下图中可以看出漂移区横向电场强度逐渐增大，可以推断出电荷岛结构对横向电场的强度有影响，使得纵向电场强度决定了器件的击穿电压。因此要深入分析纵向电压受电荷岛结构的影响有哪些，如何提高器件的耐压性能。20.040.060.0Oifttance (Micronft)00 6 007 00二SWpIJu工。£3图3.6普通的SOI器件表面电场分布示意图20.040.060.080.0Distance (Miorone)图3.7引入界面电荷的SOI器件表面电场分布示意图如图3.8所示从普通的SOI纵向电场分布可以看出，纵向电场分布在介质层和介质层表面，该电场在硅层时，会引起器件击穿。如图3.9所示，电场分布集中在介质层,纵向击穿电压取身的位置皆为介质层，且头际的介质层击穿电场可达100OVm（SiO2为例）。由图3.8和3.9的不同之处可以看出电荷岛结构提高了介质层电场的增强作用。08 e 0S- SJ sa= iu'spljJpf3图3.8普通的SOI器件结构纵向电场分布7S.010.015.020.825.0D>*lano0 (Hloron)009 00sPwJ图3.9进入界而电荷岛的SOl器件结构纵向电场分布从器件结构等方面分析了器件的耐压能力后，下面将对器件结构中电荷的分布情况进行分析，理解Sol器件中积累电荷的方法。60.0Di&ianoo (Miorone)00e 0sI 00 二 Q 8r0I G二 Bs UOI7CJUUQUOJ图3.10介质层表面空穴分布由图3.10可以发现在介质层上界面的各个电荷岛之间出现了反型空穴并且反型空穴随着横坐标的增大而增大与电荷岛结构表面电场分布示意图相对应。即横向电场在漂移区长度随着坐标距离的增大而增大，且赋予了反型空穴库伦力，库伦力与纵向电场力合并后能够束缚更多的反型空穴。20.040.060.080.0Oialacce <Hicrone>图3.11普通Sol介质层上表面空穴分布20.040.060.080.0Oislanc (Nicrone)图3. 12普通SOI介质层下界面电子分布008 009 s* 00a 巴五:oUola2isQUOo通过电荷分布图可以看出介质层上方进行N+离子的重掺杂可以为介质层的表面积累很多空穴，且空穴的浓度与电势的强度成正比，且在漏极端达值最大。另外，介质层F界面的电子大多为IXI(VC"3。而不带电荷岛结构的感应空穴和感应电子浓度都在IXl(TC牝-3以下。这也更进一步说明了普通SOI结构的横向电场对介质层表面电荷的抽取作用。第四章界面电荷岛型Sol器件界面电荷岛型SOl器件结构主要是通过增加界面电荷的量从而提升介质层的电场强度达到增加器件结构击穿电压的目的。器件的击穿电压主要与器件的介质层和顶层硅的厚度有关。顶层硅越薄介质层电场强度越大，耐压性能越好。Sol器件结构的材料和工艺限制了顶层硅和介质层的厚度，造成了器件拥有较低的纵向电场。SOl器件结构解决了高压器件结构的局限性，ENDlF理论做为设计Sol纵向耐压器件结构的基石。通过增加界面电荷对介电电荷的影响和界面电荷对硅表层电场的衰减作用，来提高器件的击穿电压。该理论的原理主要是通过增加界面电荷对介电电荷的影响和界面电荷对硅表层电场的衰减作用，提高了器件的抗压强度。第一节界面电荷岛型Sol器件界面电荷岛型高压器件是通过对在介质层附近进行重掺杂形成的界面电荷及逆行积累提高介质层电场强度，提升器件的耐压性能。下面主要对电荷岛型Sol器件结构和机理进行简单概述。一、电荷岛型Sol器件结构图4.1电荷岛SOI器件结构示意图SOI及其机理如图所示。该器件结构形成的过程是在介质层的界面上通过均匀等距离、等高度且相同浓度的N+离子进行重掺杂所构成的界面电荷岛。上图中的Ld为漂移区的长度、Le为界面电荷岛的长度、Lh为两个界面电荷岛之间的间距。A点为界面电荷岛的第一个点的坐标、B点为界面电荷岛的第二个点的坐标、C两个界面电荷岛间距的中点、D点为第二个界面电荷岛的第一个坐标。二、电荷岛型Sol器件原理图4.2Sol器件结构原理图基于包含界面电荷的电位移连续性原理，N型漂移区SOI器件的介质场与如下所示qESESEI=£/Oin+ct(4-1)这里为介质层界面电荷密度，其具有以下表达式2k°Tq"q?Nde(2%+玄)1kJ(4-2)上述表达式中各个字母的含义分别是*,为硅的介电系数、J为氧化硅的介电系数、q为电子电荷、Nd为漂移区掺杂浓度、T为绝对温度,Ni为硅的本征载流子浓度、KO为玻尔兹曼常数、半导体弱反型结束、强反型开始时候的电势为电乳子电荷、为强反型开始后的电势增量。由式（3-1）和（3-2）,可以得到介质场Ei为E-2%（）7%为CXPM2%+AOS）jji/2+£SES£；NdkOTJ（4.3）由式（3-2）及（3-3）可见，反型空穴与表面电势的增加量成正比，因此反型空穴的增加量也会引起介质层电场的增大从而达到提高器件击穿电压的目的。在普通的SOI器件结构中横向电场中的电荷带正电与掺杂的离子所形成的负电中心进行复合实现了横向电场对界面电荷的抽取作用。但由于普通的SOI器件结构的击穿电压仅仅只有100v左右，对于氧化硅的临界电场来说已经很低了。因此可以得出器件结构的耐压性能还有很大的提升空间，通过界面电荷的积累过程中逐步的提升器件的击穿电压使其逐渐的接近临界电场，这对于Sc）I器件结构的优化具有重要的意义。单、双界面电荷岛的Sol器件主要是通过在漏极端加一个大的偏压。在源极栅极和衬底同时接地的情况，下使得纵向电场在介质层电场不断增加中也随之得到增加。介质层附近由于重掺杂形成的界面电荷越多所形成的介质层电场越强就能使得器件的纵向电场随之增大将有效的削弱顶层硅所形成的电场，减小了器件在漏极发生击穿的可能性从而提高器件的纵向耐压。第二节器件结构参数对击穿电压的影响一、漂移区长度对击穿电压的影响如图4.3所示击穿电压的大小与漂移区长度的成正比。在只改变漂移区的长度时得到的结果与普通的SOI器件结构无异，因此漂移区的长度对器件结构的耐压性能的影响很小可以忽略不计。图4.3漂移区长度对器件击穿电压的影响二、电荷岛间距对击穿电压影响如图4.4所示在电荷岛间距为2m时器件的击穿电压最大为635V左右，在lm和4m时器件的击穿电压都很低分别为300V和410V。由此可见电荷岛间距对器件的耐压性能存在影响。其主要原因在于电荷岛的间距会影响介质层的电场强度。当电荷岛间间距过小，两岛之间的沟槽中能存储的反型空穴将大随之减少，从而削弱介质场降低耐压性。电荷岛间距过大，使得未N+区内高浓度电离施主杂质留在了界面处，使之对反型空穴的库仑力将减小，此时横向电场中的受主杂质离子将于施主杂质离子进行复合形成了对反型空穴进行抽取情况，空穴的减少必将减小介质场降低耐压性。因此电荷到间距对器件击穿电压造成了影响且最优电荷岛间距为2mo图4.4电荷岛间距对器件击穿电压的影响三、电荷岛宽度对击穿电压的影响如图4.5所示，击穿电压最大时电荷岛的宽度为O.5m,在低于0.5m时由于电荷岛的宽度过于小没有办法形成正电中心，无法为束缚反型空穴提供足够的库仑力使其留在介质层表面使得纵向电场的电压过低从而发生击穿。IT-系列il1.5岛宽(Z)22.5图4.5电荷岛宽度对器件击穿电压的影响四、电荷岛厚度对击穿电压的影响如图4.6所示在电荷岛的高度为0.5m时器件的击穿电压最大。而左侧电荷岛高度低导致电荷岛内储存的电荷量过少不足以在介质层形成电场从而导致器件的击穿电压小。当电荷岛的厚度过大时漂移区的长度就变小了，从而导致纵向电场减弱引发器件击穿。700600500400300200100。3 Ss图4.6电荷岛厚度对击穿电压的影响第三节电荷岛SOI器件结构的实现根据4.2中对器件参数的分析，最终确定器件在岛间距为2m,宽度和高度都为0.5Mm；P-top层厚度为lm浓度为卜1。久加"时进行仿真。图1和图2为MEDICI软件模拟的SOl结构的器件结构示意图。图1为未开窗口情况下无界面电荷岛的结构示意图，图2为开窗口情况下无界面电荷岛的结构示意图和无界面电荷岛在开窗口和不开窗口情况下器件的击穿电压。the junction profliesDi»tcQ <MIorone>0Q 00C GUOLOM ocea,Solution written to 1045V(drain)V(source)V(gate)V(substrate)b.86972301E+0Volts= 0.00000000E+00 Volts=0.000000E+00 Volts= 0.00000000E+00 Volts图4. 7无窗口 SOI器件结构和仿真结果the junction profliesDlslAnce <Mcroe>0 0 00C4V(dran)V(source) V(gate) V(substrate)=1.00619255E+O2Volts=0.00000000E+00Volts=0.00000000E+00Volts=0.00E+00Volts图4.8有窗口Sol器件结构和仿真结果根据文献调研结果，将采用在埋氧层通过N+重掺在埋氧层附近长出电荷岛从而提高器件的耐压性能。我将在开窗口和不开窗口的情况下区分为上界面和下界面同时长出界面电荷岛和仅有一层长出n型或P型界面电荷岛，根据器件模拟仿真的结果对器件的击穿电压进行对比。thejunciionprofiles00ZOCJSDivtence <Micron>Solutionwrittento1162V(drain) V(source)V(gate) V(substrate)6.99012960E+02=0.000000E+00 Volts= 0.00000000E+00 Volts=0.00000000E+00 Volts图4.9无窗口界面上有n型岛器件结构和仿真结果thejunctionprofileshqmoueas一。Distance<Mlcron)0 0ttuoLo MSolutionwrittento1052V(drain)=8.91374242E+01VoltsV(source)=0.00000000E+00VoltsV(gate)=0.00000000E+00VoltsV(substrate)=0.00000000E+00Volts图4.10无窗口界面上有n型岛器件结构和仿真结果the junction profliesDlotonco (Micron®)Solution written to 1053V(drain)=9.8721355OE+O1VoltsV(source)=O.OOOOO(XX)E+VoltsV(gate)=0.00000000E÷VoltsV(substrate)=0.00000000E÷Volts图4. 11无窗口界面下有n型岛器件结构和仿真结果the junction profilesDistance (MlcronB>sc-Solution written to 1061V(drain)V(source)V(gate)V(substrate)=9.84836352E+O1 Volts =O.OOOOOOE+ Volts =O.OO(XX)OOOE+ Volts =0.000000E+ Volts图4. 12无窗口界面下有p型岛器件结构和仿真结果V(drain)V(source)V(gate) V(substrate)=6.4O158455E+O2 Volts=0,0000E+ Volts=O.OOOOOOOOE+OO Volts=O.OOOOOOOOE+OO Volts图4.13窗口界面上有n型岛器件结构和仿真结果40.06Otarvc <Miceon)the j unci J on prof11ee-W 0sSolution written to 1045V(drain)=8.860320E+01VoltsV(Source)=0.0000E+VoltsV(gate)=0.0000E+VoltsV(substrate)=O.OOOOOOOOE+OOVolts图4.14窗口界面上有p型岛器件结构和仿真结果the junciion proFilee01*t*no <Nloron)Solution written to 1058V(drain)V(source)V(gate)V(substrate)=1.04185492E+02 Volts=0.00000(XX)E+00 Volts=0.0000E+00 Volts=0.000000E+00 Volts图4.15窗口界面下有n型岛器件结构和仿真结果the junction profiles40.068.0(Ktcc<Microo>V(drain)V(source)V(gate)V(substrate)=9.82947398E+01 Volts=0.0000E+Volts=0.00000000E+00Volts=0.00000000E+Volts图4.16窗口界面下有p型岛器件结构和仿真结果将上述十种情况的窗口类型、电荷岛类型、击穿电压大小整理成如下表格（如表4-1所示），由此可见，仅有一界面长电荷岛的情况下无窗口时将介质层上界面通过n型掺杂所得到的器件击穿电压最高。但未考虑到双界面电荷岛的情况，因此将从中选出单界面击穿电压高的进行组合即无窗口正界面n型掺杂反界面n型掺杂与有窗口正面n型掺杂反界面n型掺杂两种器件结构进行仿真分析，并于下表中的数据进行对比。窗口类型电荷岛类型击穿电压保留两位小数无窗口无岛9.87E+019