摘 要：由于PD SOI工藝平臺(tái)的特殊性，P阱濃度呈現(xiàn)表面低、靠近埋氧高的梯度摻雜。常規(guī)體硅的高壓N管結(jié)構(gòu)是整個(gè)有源區(qū)在P阱里的，需要用高能量和大劑量的P注入工藝將漂移區(qū)的P阱反型摻雜，這在工藝上是不容易實(shí)現(xiàn)的。文章針對(duì)常規(guī)高壓NMOS器件做了仿真，發(fā)現(xiàn)漂移區(qū)必須采用能量高達(dá)180 KeV、劑量6×1013以上的P注入才能將P阱反型，形成高壓NMOS器件，這在工藝實(shí)現(xiàn)上不太容易。而采用漂移區(qū)在N阱里的新結(jié)構(gòu)，可以避免將P阱上漂移區(qū)反型的注入工藝，在工藝上容易實(shí)現(xiàn)。通過(guò)工藝流片驗(yàn)證，器件特性良好。

　　1 引言

　　SOI技術(shù)減弱的短溝道效應(yīng)、較為陡直的亞閾值斜率等優(yōu)點(diǎn)在功率器件應(yīng)用中并沒(méi)有顯示出較大的優(yōu)勢(shì)，SOI技術(shù)所能提供的較理想的隔離結(jié)構(gòu)卻被廣泛應(yīng)用于功率器件的設(shè)計(jì)中。而在SOI器件中，由于隱埋氧化層的存在阻止了表面電力線的再分布，因此，SOI器件中表面電力線的非均勻性導(dǎo)致了器件能承受的電壓的降低。通常會(huì)采用漂移區(qū)的線性梯度摻雜來(lái)提高器件的擊穿電壓[8].

　　2 常規(guī)結(jié)構(gòu)及剖面濃度仿真

　　常規(guī)體硅20 V高壓結(jié)構(gòu)采用的是P阱工藝，通過(guò)NHV注入將P阱反型形成N-漂移區(qū)來(lái)提高器件的耐壓能力。這種結(jié)構(gòu)的P阱濃度通常比較低。而對(duì)于PDSOI工藝，由于N+源漏區(qū)已經(jīng)連接到埋氧層，會(huì)存在背柵開(kāi)啟。

　　因此，對(duì)于抗輻射PD SOI工藝，P阱都是采用表面低摻雜濃度，靠近埋氧高摻雜濃度，以便提高背柵開(kāi)啟，加強(qiáng)抗輻射能力。這樣的P阱工藝使得常規(guī)高壓結(jié)構(gòu)移植到SOI材料上較難實(shí)現(xiàn)。以下是對(duì)抗輻射PD SOI工藝上的常規(guī)體硅高壓結(jié)構(gòu)進(jìn)行的仿真研究。

　　仿真采用的SOI材料是全注入劑量的SIMOXSOI材料，頂層硅膜厚度為205 nm,埋氧層厚度為375 nm,襯底為P型硅，（100）晶向，電阻率為20 Ω。cm.仿真采用的結(jié)構(gòu)是常規(guī)體硅20 V高壓結(jié)構(gòu)，剖面結(jié)構(gòu)示意圖如圖1,其中虛線是仿真的剖面位置。

　　工藝仿真流程如圖2所示，NHV形成是本研究仿真的模塊，主要目的是通過(guò)P注入將P阱反型摻雜，形成N-漂移區(qū)。

　　仿真的濃度是在漂移區(qū)的位置上，具體見(jiàn)圖1的虛線框。具體工藝是通過(guò)NHV注入將P阱反型摻雜，形成耐高壓的漂移區(qū)。仿真時(shí)保持P阱摻雜濃度不變，通過(guò)改變NHV注入P的能量和劑量來(lái)實(shí)現(xiàn)將P阱反型，具體仿真條件及對(duì)應(yīng)濃度分布結(jié)果如表1所示。

　　如圖3~圖5所示為仿真條件1~3下漂移區(qū)P阱boron雜質(zhì)和NHV注入phosphorus雜質(zhì)的濃度分布圖，橫坐標(biāo)為距離器件溝道表面的距離，縱坐標(biāo)為雜質(zhì)濃度分布。由于SOI工藝平臺(tái)上P阱濃度是表面濃度低（約為2×1017/cm-3），靠近埋氧的boron濃度高（約為1×1018/cm-3），因此，必須用高能量和高劑量的P注入才能將P阱反型。

　　從圖3~圖5可以看出，注入能量在150 KeV以內(nèi)，都沒(méi)有辦法將P阱反型摻雜。從圖6~圖7可以看出，P注入能量在180 KeV,劑量在6×1013以上能將P阱反型摻雜。

　　由于工藝限制，圖1所示結(jié)構(gòu)中P的注入能量不能達(dá)到180 KeV,因此，只采用了表1中仿真工藝條件1~3.工藝流片出來(lái)測(cè)試器件沒(méi)有特性，證實(shí)仿真結(jié)果中的猜想，由于P的注入能量不能達(dá)到180 KeV,無(wú)法使該結(jié)構(gòu)中漂移區(qū)中P阱反型，因此，無(wú)法形成高壓NMOS器件。

　　3 新結(jié)構(gòu)及工藝流片

　　鑒于抗輻射PD SOI工藝的特殊性，設(shè)計(jì)了一種新結(jié)構(gòu)的高壓器件結(jié)構(gòu)，如圖8所示，新結(jié)構(gòu)漂移區(qū)下沒(méi)有P阱。

　　圖8所示結(jié)構(gòu)由于漂移區(qū)沒(méi)有P阱而是N阱，因此漂移區(qū)P注入對(duì)能量和劑量沒(méi)有那么高的要求，實(shí)際工藝時(shí)注入能量為40 KeV,注入劑量為6×1012.工藝流片后器件特性良好，轉(zhuǎn)移特性ID-VG如圖9所示，輸出特性ID-VD如圖10所示。

　　4 結(jié)果與討論

　　常規(guī)體硅高壓器件結(jié)構(gòu)是做在P阱上，通過(guò)漂移區(qū)的反型摻雜注入，形成N-漂移區(qū)。這種器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易與低壓器件集成，但是也有其局限性--其P阱濃度不能太高，而對(duì)于SIMOX材料抗輻射PD SOI工藝來(lái)說(shuō)，其特有的背柵開(kāi)啟效應(yīng)會(huì)影響總劑量輻射能力，因此，其P阱都是采用倒置摻雜，即表面濃度低，靠近埋氧層濃度高，以便提高背柵開(kāi)啟，采用常規(guī)體硅的高壓管結(jié)構(gòu)需要用高能量和大劑量的P注入工藝將漂移區(qū)的P阱反型摻雜，這在工藝上是不容易實(shí)現(xiàn)的。采用漂移區(qū)沒(méi)有P阱的新結(jié)構(gòu)在工藝上更容易實(shí)現(xiàn)。因此，對(duì)于本所頂層硅膜只有205 nm的SOI材料PD工藝，采用圖8所示的新結(jié)構(gòu)能取得較好的效果。