場板和場限環(huán)及其復合使用技術(shù)設(shè)計及優(yōu)化(共14頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上 場板和場限環(huán)終端技術(shù)的原理及優(yōu)化設(shè)計摘要：本文分別介紹了場板和場限環(huán)以及它們復合使用的結(jié)終端保護技術(shù)的基礎(chǔ)理論知識，針對它們各自具有的敏感參數(shù)，通過優(yōu)化和實驗仿真實現(xiàn)最優(yōu)耐高壓設(shè)計。關(guān)鍵詞：結(jié)終端技術(shù) 場板 場限環(huán) 高壓 功率器件 1 引言現(xiàn)代功率器件是在一硅片上并聯(lián)上萬個相同的單元組成，各單元間表面電壓大致相同，但最外端（終端）單元與襯底間的電壓卻相差很大。應采取一些措施用以減小表面電場，提高擊穿電壓。這種技術(shù)便稱為結(jié)終端技術(shù)JTT(Junction Termination Technique) 【1】.現(xiàn)代硅功率器件一般都采用淺平面結(jié)結(jié)構(gòu)，典型的結(jié)深值為4-7u

2、m。在這么淺的結(jié)深下，器件如果沒有加任何終端保護措施，擊穿電壓將要比理想情況下即平行平面結(jié)的耐壓值低50%【2】。因此結(jié)終端保護成為高壓器件設(shè)計的一項關(guān)鍵性技術(shù)。結(jié)終端保護技術(shù)要解決的問題主要是： 采用平面工藝制造的PN結(jié)，雜質(zhì)原子在光刻掩模窗口的邊角區(qū)經(jīng)擴散后形成了柱面結(jié)和球面結(jié), 由于這兩個結(jié)存在的曲率, 導致電場集中,雪崩擊穿將首先在這些區(qū)域發(fā)生，從而使PN結(jié)的擊穿電壓降低。這種效應對淺結(jié)深PN結(jié)的影響特別顯著（如圖1）。P+ N(a)P+N(b)圖1 淺擴散平面結(jié)（a）和深擴散平面結(jié)（b）電場分布 實際平面PN結(jié)（非平行平面結(jié)）一般都采用SiO2作保護層，由于SiO2層內(nèi)存在可移動電荷

3、和陷阱，SiO2與Si的界面存在固定的正電荷，以及SiO2表面還可能粘附其它各種電荷，這些電荷的存在將造成表面電場的集中和不穩(wěn)定，其值較體內(nèi)平行平面結(jié)的電場大2至3倍，從而嚴重影響了器件的耐壓特性（如圖2）。P+N+ + + + + + + + + 圖2 氧化層有正電荷時的耗盡區(qū)因此，結(jié)終端保護技術(shù)主要是通過增大擴散結(jié)的曲率半徑和降低界面（或表面）電荷的影響來提高器件的耐壓水平。 場板（Field Plates）、場限環(huán)(Field Limiting Rings)及其結(jié)合使用技術(shù)是目前在實際應用中經(jīng)常采用又十分有效的結(jié)終端保護措施。其中“場板”對于解決表面電荷引起的低擊穿是令人滿意的，而“場限

4、環(huán)”對于平面結(jié)曲率效應造成的低擊穿有更明顯的改進效果。不同的結(jié)終端保護措施具有不同的耐壓敏感參數(shù)，場板和場限環(huán)的耐壓敏感參數(shù)如表1所示。結(jié)終端技術(shù)耐壓敏感參數(shù)歸一化擊穿電壓應用場板（FP）場板的長度、場板下氧化層的厚度60-90%分為金屬性場板和電阻性場板，常與等位環(huán)結(jié)合使用場限環(huán)（FLR）環(huán)寬度、環(huán)間距、界面電荷、結(jié)深80%場限環(huán)一般浮置，常與場板結(jié)合使用 表1 場板和場限環(huán)的敏感參數(shù)2工作原理21 場板的工作原理場板是結(jié)終端技術(shù)中常用的方法之一，它是通過改變表面電勢分布使曲面結(jié)的曲率半徑增大，抑制表面電場的集中，從而提高器件的擊穿電壓。場板可分為金屬性場板MFP(Metal Field P

5、late)和電阻性場板RFP(Resisitive Field Plate)，電阻性場板主要有多晶硅電阻場板和半絕緣多晶硅（SIPOS）電阻場板；場板又可分為偏置場板和浮空場板。偏置場板（FP）的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。它是由結(jié)接觸的金屬化延伸超過P+N結(jié)所構(gòu)成的，此時場板的偏置電壓和p+極的電壓相同。當場板下的氧化層取適當厚度時，加在場板上的電壓恰好使場板下的表面耗盡，從而達到增大曲率半徑提高擊穿電壓的效果。太薄的氧化層厚度或(和) 較高的反向電壓可使N 型硅表面強反型引起P 型溝道的出現(xiàn),如果提前與鄰近的P 區(qū)相連,就可能引起低擊穿;而太厚的氧化層厚度則使N 區(qū)不足以耗盡,結(jié)曲率半徑增加很有限

6、從而難達到提高擊穿電壓的效果. 圖3 帶有場板的P+N結(jié)場板的另一形式是浮空場板（Floating FP）.如圖5所示。它的作用機制【3】：本來，p+n結(jié)在表面的冶金結(jié)處有最大電場。加場板后，由于n區(qū)比p+區(qū)的電位高，有一部分電力線從n區(qū)到場板，又有一部分電力線從場板到p區(qū)。因為場板是浮空的，這兩部分電力線的通量相等。它們相當于在半導體耗盡層的n區(qū)表面引入負電荷，p+區(qū)表面引入正電荷，這兩種電荷產(chǎn)生的電場與原來的相反，因此峰值電場降低。 圖4 浮空場板以上分析說明場板對于提高器件終端耐壓水平是很有效的。但場板存在的一個固有的缺點是在其邊緣存在峰值電場，影響器件的耐壓。文獻【3】認為場板邊緣的峰

7、值電場是因為場板的靜電感應，場板邊緣下的表面電荷產(chǎn)生的橫向電場互相加強，造成一個橫向場的峰值。當場板下氧化層厚度足夠厚時，可以降低峰值電場的影響，所以氧化層厚度存在憂值。所以帶有場板結(jié)構(gòu)的平面結(jié)存在兩個峰值電場，一個在彎曲結(jié)處即如圖3中的A點，另一個在場板下的B點。根據(jù)ONeil與Alonas的模擬計算結(jié)果【4】。具有氧化層厚度tox場板的邊緣擊穿電壓相當于一個結(jié)深為（S/OX）*tox=3tox的突變結(jié)的擊穿電壓。可見，場板邊緣的擊穿電壓在tox小時變得很低。此外，場板邊緣的峰值電場還跟場板的長度有關(guān)。如果場板很短，因為平面結(jié)的邊緣在無場板時就有很強的電場，而場板上所有電荷都是使結(jié)邊緣的電場

8、減少的，因此，場板愈長，即場板上的電荷愈多，電場峰值則愈小。但場板太長浪費芯片的面積，增加成本。所以場板的長度也存在憂值。22 場限環(huán)的工作原理在平面型高壓器件設(shè)計中，常采用場限環(huán)來降低結(jié)結(jié)曲率效應引起表面電場的集中，提高擊穿電壓。各場限環(huán)與主結(jié)及其它電極沒有電接觸，因此又稱浮空場限環(huán)（Floating Field Limiting Ring,縮寫FFLR）.它的主要優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單，在擴散形成主結(jié)的同時，在其周圍做同樣摻雜的環(huán)，不必添加另外的工藝。 場限環(huán)的基本結(jié)構(gòu)如圖5所示。當加在主結(jié)上的電壓逐漸增大，主結(jié)的耗盡區(qū)也逐漸往外擴展，電壓增大到主結(jié)的雪崩電壓之前，兩個結(jié)（主結(jié)以及場限環(huán)）的耗盡

9、區(qū)就已經(jīng)匯合，起到增大結(jié)曲率半徑的作用，提高擊穿電壓。場限環(huán)在某種程度上起到分壓器的作用，并有助于明顯地減小主結(jié)耗盡區(qū)的曲率?！?】P+ Ws P+ NWfWm 圖5 帶有一個場限環(huán)的P+N結(jié)主結(jié)跟環(huán)以及環(huán)跟環(huán)之間的距離、環(huán)的寬度對主結(jié)的分壓能力有明顯的影響：主結(jié)和環(huán)之間以及環(huán)跟環(huán)之間距離如果太近，則主結(jié)的曲率半徑增加有限，分壓效果就不太明顯；距離如果太遠，造成主結(jié)雪崩擊穿之前環(huán)與主結(jié)的耗盡區(qū)還沒匯合，則場限環(huán)沒起到分壓的作用，所以它們之間存在一個起作用最大的距離。同樣環(huán)的寬度太小，分壓作用就不明顯；如果寬度太大，則浪費芯片面積。23 場板和場限環(huán)的復合使用場板結(jié)構(gòu)的擊穿電壓受氧化層厚度及其致

10、密度影響很大，采用國內(nèi)流行工藝制作場板結(jié)構(gòu)的高壓器件，實測值比計算值低很多，并且一致性與重復性差。而場限環(huán)結(jié)構(gòu)對表面電荷效應非常敏感，特別是淺平面結(jié)的場限環(huán)結(jié)構(gòu)，往往因為表面電荷影響導致器件擊穿電壓下降，甚至使器件實效?！?】在實際應用中，常采用場限環(huán)和場板結(jié)合使用的結(jié)終端保護技術(shù)。場限環(huán)對與主結(jié)的分壓作用具有明顯的效果，而場板對于抑制表面電荷效應的影響也非常顯著。圖6所示為帶有3個場限環(huán)和4個場板（3flr4fp）的結(jié)終端結(jié)構(gòu)圖。圖6 3flr4fp結(jié)終端結(jié)構(gòu)3結(jié)終端技術(shù)設(shè)計及優(yōu)化3 1 場板的設(shè)計及優(yōu)化由2.1節(jié)分析可知，當選取適當?shù)难趸瘜雍穸群蛨霭彘L度時，使得pn結(jié)和場板邊緣兩處同時擊穿

11、，這時的擊穿電壓則為耐壓最大值，即場板的最優(yōu)設(shè)計。文獻【7】給出了氧化層厚度的判定標準. 當d = tox/ wplane 0. 3 時(wplane為理想平面結(jié)擊穿時耗盡層寬度, wplane = 2.67 ×1010Nd- 7/8 ) ,場板邊緣部分擊穿和耗盡區(qū)內(nèi)的平行平面(中心) 部分擊穿機會是等同的,即此時場板才能減緩平面結(jié)電場集中,而又不在自己邊緣擊穿.同時如前面所述，太厚的氧化層厚度也將降低平面結(jié)的擊穿電壓。文獻【8】指出了場板長度必須大于等于橫向結(jié)深與耗盡層寬度之和,即 L0.8Xj+Wmn (1)其中,L為場板的長度; Xj為結(jié)深,且橫向擴散為縱向擴散的0.8倍;Wm

12、n為擊穿時的耗盡區(qū)寬度。 Wmn= (2soBV/qNd)1/2 (2)為了既滿足耐壓要求又節(jié)省器件面積，我們可以取式（1）的臨界值。即：L0.8Xj+(2soBV/qNd)1/2 (3) 擊穿電壓隨場板長度的增加而增加很快。如圖7【8】。 圖7 擊穿電壓與場板長度間關(guān)系32 場限環(huán)的設(shè)計及優(yōu)化環(huán)寬度（Wi）和環(huán)間距(Di)的優(yōu)化是場限環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵。根據(jù)文獻【3】給出的場限環(huán)間距公式：di = ri 2 + 5.19(NB/1016)-7/8 ri 1/2 - ri (4)設(shè)主結(jié)及各環(huán)的曲率半徑均等于同一個結(jié)深Xj，則用Xj代替上式中的ri即得所需的環(huán)間距。但上式的結(jié)論是在一些假設(shè)以及近似

13、的前提下得到的，具有一定的安全性，并不是最優(yōu)的環(huán)距離。根據(jù)文獻【9】, 按最外環(huán)寬度為2 2.5X j (X j 為主結(jié)與環(huán)結(jié)的擴散深度) , 環(huán)寬度由外向內(nèi)遞增、環(huán)間距由外向內(nèi)遞減的原則, 選擇環(huán)寬度和環(huán)間距。并根據(jù)W 1+ D 1W 2+ D 2W n+ D n取環(huán)間距值。文獻【3】也給出了場限環(huán)個數(shù)的公式：Vi,i+1 =3.87(NB/1016) ri2ln(1+5.19/ ri (NB/1016)-7/8)+ (5)20(NB/1016)1/8 ri ln(1+5.19/ ri (NB/1016)-7/8)-1將上式除主結(jié)電壓再減去1，即得最小場限環(huán)個數(shù)。33 場板和場限環(huán)復合使用模

14、擬仿真本文根據(jù)上述理論設(shè)計了一3個場限環(huán)結(jié)合4個場板（3flr4fp）的結(jié)終端技術(shù)，利用工藝仿真軟件athena【10】以及器件仿真軟件atlas【11】，對結(jié)深為4um的P+N結(jié)（P+NN+結(jié)構(gòu)）進行了仿真，其中場板采用金屬鋁場板。 圖8 3flr4fp的剖面圖具體參數(shù)如下：resistivity of the n+ substrate 0.016 ohm-cmn+ substrate thickness 450 umdoping concentration in the n- epitaxial layer 2.0e14 cm-3epitaxial layer thickness 48 u

15、mP+ implant dose 2.0e15 cm-2P+ depth 4.0 umGate oxide thickness 1000 AField oxide thickness 1.2 umDielectric-oxide thickness 1.0 umMetal field plate length 20.0umField limiting ring W1=14um D1=25um W2=12um D2=27um W3=10um D3=29um在主結(jié)沒有采取任何終端措施時，耐壓只有275V左右；當加上場板和場限環(huán)后，耐壓提高到了600V左右。見圖9和圖10。 圖9 主結(jié)及其擊穿電壓

16、圖10 帶有場板和場限環(huán)的主結(jié)及其擊穿電壓4. 總結(jié)通過以上的理論分析和仿真結(jié)果，可見場板和場限環(huán)及其復合使用技術(shù)確實有效的提高了器件的擊穿電壓。通過理論計算及實驗仿真可實現(xiàn)最優(yōu)耐壓值，且它們在工藝上很容易實現(xiàn)以及兼容性好。因此它們在高壓器件中具有十分重要的作用。參考文獻1王陽元, T.I.卡明斯, 趙寶瑛等。多晶硅薄膜及其在集成電路中的應用?？茖W出版社。20012 唐本奇，粱蘇軍，羅晉生。高壓平面結(jié)終端結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化方法分析。電力電子技術(shù)。1996.53陳星弼。功率MOSFET與高壓集成電路。東南大學出版社。1990.54V.P.ONeil and P.G.Alonas,IEEE Trans

17、.Electron Devices.ED-26,1098(1979)5葉潤濤，李世誠，王正儒。場效應和雙極性功率晶體管原理?？茖W出版社。19986萬積慶，陳迪平。場限環(huán)與場板復合結(jié)構(gòu)淺平面結(jié)高壓器件設(shè)計。微細加工技術(shù)。No.2 19967Adrian rusu and constantin bulucea IEEE transactions on electron devlcesJ , 1979 ,26(3) :201 - 204.8張穎,陳炳全,石廣元。VDMOSFET 終端場板的設(shè)計考慮。遼寧大學學報。Vol .28 No. 4 20019Brieger K P, Gerlach W , Pelka J. Block ing Capability of Planar Devices with Field Limiting Rings. S S Electron,1983; 26 (8) : 73910ATHENA Users Manual.SIL