單場限環(huán)結(jié)構(gòu)擊穿電壓的表面電荷效應(yīng)分析

1、半導(dǎo)體學(xué)報CHNESEJOURNALOFSEMCONDUCTORS第19卷第1期1998年1月Vol19,No.1Jan.,1998唐本奇高玉民羅晉生（西安交通大學(xué)微電子工程系西安710049）本文利用計及表面電荷的柱面結(jié)電場分布表達(dá)式并根據(jù)場限環(huán)優(yōu)化條件，首次建立了單場限環(huán)表面電荷效應(yīng)優(yōu)化模型得到了考慮表面電荷效應(yīng)后，優(yōu)化單場限環(huán)結(jié)構(gòu)擊穿電壓以及優(yōu)化環(huán)間距的歸一化計算公式分析了表面電荷密度對場限環(huán)結(jié)構(gòu)耐壓和優(yōu)化環(huán)間距的影響計算結(jié)果與文獻(xiàn)中的數(shù)值模擬結(jié)果相符合推得的公式可應(yīng)用于場限環(huán)結(jié)構(gòu)的實際設(shè)計PACC：2530B,2530E由于平面工藝的硅氧化過程在SO2層及SOz/Si界面上，不可避免地

2、引入一定量的可動離子和固定電荷這些表面電荷對高壓器件及其終端結(jié)構(gòu)的耐壓特性存在著明顯的影響場限環(huán)結(jié)構(gòu)是功率器件常用的結(jié)終端技術(shù)之一，它通過場限環(huán)分壓，降低了結(jié)表面區(qū)由曲率效應(yīng)引起的高電場,從而提髙了主結(jié)的擊穿電壓，文獻(xiàn)1,2通過數(shù)值方法模擬了表面電荷對場限環(huán)結(jié)構(gòu)電場分布及耐壓的影響，文獻(xiàn)3利用泊松方程及拉普拉斯方程圓柱解,得到了有表面電荷時具有場限環(huán)詛結(jié)表面電場與電位分布公式本文利用計及表面電荷的柱面結(jié)電場分布表達(dá)式，根據(jù)場限環(huán)結(jié)構(gòu)優(yōu)化條件，采用解析方法首次得到了考慮表面電荷效應(yīng)后，優(yōu)化單場限環(huán)結(jié)構(gòu)擊穿電壓和優(yōu)化環(huán)間距的歸一化計算公式由此,分析了表面電荷密度對場限環(huán)耐壓和優(yōu)化環(huán)間距的影響計算結(jié)

3、果與文獻(xiàn)中的數(shù)值模擬結(jié)果相符,推得的公式可用于場限環(huán)結(jié)構(gòu)的實際設(shè)計2對于結(jié)深為心外延層摻雜濃度為Nd,表面電荷密度為的“訊突變平面結(jié)，如圖1所示,在門為A10pm,ND為1010,5an0為10l（,4X10a范圍內(nèi)，柱面結(jié)區(qū)域的電場可近似表示為：*本項目得到了國家自然科學(xué)基金的資助唐本奇男.1966年出生.博士生從事功率集成電路及結(jié)終端技術(shù)研究1996-11-15收到.1997-01-20定稿 半導(dǎo)體學(xué)報19卷1期唐本奇等：單場限環(huán)結(jié)構(gòu)擊穿電壓的表面電荷效應(yīng)分析 51期唐本奇等：單場限環(huán)結(jié)構(gòu)擊穿電壓的表面電荷效應(yīng)分析 Eg=K/7(1)其中a(Qt)=1+0.04(ef/io11)1-8,K

4、為與Nd和介電常數(shù)有關(guān)的量對式(1)求Floup電離積分，可得到考慮表面電荷效應(yīng)的柱面結(jié)臨界電場和擊穿電壓的歸一化表達(dá)式：Eco/Ecpp=B/2(2)芒=右W+*2十+i)b曠必皿“(3)其中系數(shù)B=(7(X-l)/8l/7,0=r人為歸一化曲率半徑,人為平板結(jié)擊穿時耗盡層寬度,Ecpp為平板結(jié)臨界電場,Vcpp常數(shù)圖1P*取柱狀結(jié)的表面電荷效應(yīng)模型=EcppIc/2=qVD/c2/26為平板結(jié)擊穿電壓,G為硅的介電對于圖2所示的單場限環(huán)結(jié)構(gòu)，假設(shè)主結(jié)和環(huán)結(jié)的結(jié)深均為乃,主環(huán)結(jié)間距為/s,在優(yōu)化條件下,環(huán)結(jié)曲率部分的電場可等效于上述柱面結(jié)電場與主/環(huán)結(jié)間氧化層表面電荷作用的疊加，因而,環(huán)結(jié)的

5、擊穿電壓可由式確定：Vcpp-2十(0(十1)3曠必產(chǎn)宀(4)其中系數(shù)C與表面電荷密度0、結(jié)深和環(huán)間距人有關(guān)，且0.5C0時,C二1.Q圖2單場限環(huán)結(jié)構(gòu)表面電荷效應(yīng)模型由于場限環(huán)的分壓作用，降低了主結(jié)處的峰值電場，提高了器件的耐壓若假定主結(jié)電場Emo僅由主結(jié)與環(huán)結(jié)間的電勢差決定，對式(1)積分并經(jīng)過歸一化處理，可以得到考慮表面電荷效應(yīng)后柱面結(jié)電位分布的歸一化表達(dá)式:Vm-*VCPP六(瓷)(戶址廠其中mft=K/A為柱面結(jié)峰值電場;ra為柱面結(jié)耗盡區(qū)寬度在場限環(huán)結(jié)構(gòu)優(yōu)化條件下，主結(jié)峰值電場等于環(huán)結(jié)的峰值電場,并同時達(dá)到臨界電場值,其歸一化形式為:Ema/fecpp=Eca/Ecpp=B/將(6

6、)式代入式(5),即可得到考慮表面電荷效應(yīng)后的單場限環(huán)結(jié)構(gòu)擊穿電壓的歸一化表達(dá)式Vcffr/Vcpp=(Vpb/Vcpp)+匸一;Bh*)(7)(X-1其中環(huán)結(jié)擊穿電壓Vpb/Vcpp由式確定，系數(shù)G二(人/兀)，若取圓柱對稱解則G二1.根據(jù)式(7),可以很方便地計算出在不同結(jié)深/不同外延層摻雜濃度Nd和不同表面電荷密度0條件下，優(yōu)化單場限環(huán)的歸一化擊穿電壓值在圖3中，畫了在不同歸一化曲率半徑下,優(yōu)化單場限環(huán)結(jié)構(gòu)歸一化擊穿電壓Vcttr/圖3優(yōu)化單場限環(huán)結(jié)構(gòu)歸一化擊穿電壓隨表面電荷密度0（的變化曲線Vcpp隨表面電荷密度0的變化曲線,其中實線對應(yīng)于80.7的情況，虛線對應(yīng)于C二1.0的情形由圖

7、3可以看岀，場限環(huán)結(jié)構(gòu)耐壓將隨著表面電荷密度增加而降低，且當(dāng)0A2X10nan-?時,這種影響變得十分顯著3環(huán)間距人是場限環(huán)耐壓設(shè)計最敏感的參數(shù),/s過大或過小，將使環(huán)結(jié)或主結(jié)先擊穿,從而削弱了終端結(jié)構(gòu)的耐壓能力.若假設(shè)場限環(huán)的存在不影響主結(jié)空間電荷區(qū)的擴(kuò)展及其電位分布（即設(shè)定為無限窄環(huán)情形），此時，環(huán)結(jié)電位可由下式確定：Ve=()/d/s-(/s/2)其中/戶（于）為主結(jié)電壓為f時的耗盡區(qū)寬度0D對（8）式進(jìn)行等效變換，可以得到：/s-2（yrn/VCPP）勺c/s+（/s/VCPP）VE=0（9）對于優(yōu)化的場限環(huán)結(jié)構(gòu)，主結(jié)和環(huán)結(jié)應(yīng)同時滿足臨界擊穿條件，即：Vm=VcPER和Vf二Uns（1

8、0）=(VCFER/VCPP)-(VCFFR/V在此條件下,解方程（9）,即可得到有表面電荷時單場限環(huán)結(jié)構(gòu)優(yōu)化環(huán)間距的歸一化公式:利用上一節(jié)結(jié)果，可以很方便的得到，在不同結(jié)深荷密度0下,單場限環(huán)結(jié)構(gòu)優(yōu)化環(huán)間距的歸一化值在圖4中，畫出了在不同歸一化曲率半徑下,單場限環(huán)歸一化優(yōu)化環(huán)間距/s/c隨0的變化曲線，其中，實線對應(yīng)于c=0.7,虛線對應(yīng)于C=1.0的情況由圖4可以看出，優(yōu)化環(huán)間距隨著0的增加而減小cpp)-(yFB/Vcpp)l/(11)Qf/10ncm-：圖4歸一化優(yōu)化環(huán)間距隨表面電荷密度0的變化曲線在前面兩節(jié)中，推導(dǎo)了單場限環(huán)結(jié)構(gòu)耐壓和優(yōu)化環(huán)間距的計算公式，下面選取一個具體的單場限環(huán)結(jié)

9、構(gòu)進(jìn)行計算，其參數(shù)如下:外延摻雜濃度 #半導(dǎo)體學(xué)報19卷1期唐本奇等：單場限環(huán)結(jié)構(gòu)擊穿電壓的表面電荷效應(yīng)分析 51期唐本奇等：單場限環(huán)結(jié)構(gòu)擊穿電壓的表面電荷效應(yīng)分析 #Nd=10,4an*3,P+結(jié)歸一化曲率半徑r/l.=0.2,計算得到的擊穿電壓心咖和優(yōu)化環(huán)間距人隨表電荷密度0的變化曲線分別如圖5和圖6所示在圖5和圖6中,還分別給岀了文獻(xiàn)2中對應(yīng)的數(shù)值模擬結(jié)果，從圖中可以看出二者之間的誤差隨著0的增加而增加對于優(yōu)化場限環(huán)結(jié)構(gòu)的擊穿電壓，當(dāng)0在0.13.5X10=22范圍內(nèi)時，解析解與數(shù)值之間的誤差小于5%,當(dāng)0=4.0X10nan-2,者間的誤差達(dá)到最大值13%.對于場限環(huán)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化環(huán)間距當(dāng)

10、0在0.13.0X10=2范圍內(nèi)時，解析解與數(shù)值解之間的誤差小于15%,當(dāng)0=4.0X10怙二者間的誤差達(dá)到了最大值100%,由此可見本模型適用的范圍為5=0.13.0X10an*2.Qf/10ncm2圖5優(yōu)化單場限環(huán)結(jié)構(gòu)的擊穿電壓隨0的變化曲線Qf/10ucm3圖6單場限環(huán)結(jié)構(gòu)優(yōu)化環(huán)間距隨0的變化曲線 #半導(dǎo)體學(xué)報19卷1期唐本奇等：單場限環(huán)結(jié)構(gòu)擊穿電壓的表面電荷效應(yīng)分析 #51期唐本奇等：單場限環(huán)結(jié)構(gòu)擊穿電壓的表面電荷效應(yīng)分析 # 半導(dǎo)體學(xué)報19卷1期唐本奇等：單場限環(huán)結(jié)構(gòu)擊穿電壓的表面電荷效應(yīng)分析 #51期唐本奇等：單場限環(huán)結(jié)構(gòu)擊穿電壓的表面電荷效應(yīng)分析 #該模型主要存在著如下三個方面的

11、誤差：(1)P+-N突變平面結(jié)表面電荷效應(yīng)模型在0值較大時存在著一定的誤差并引入到了場限環(huán)表面電荷效應(yīng)模型中(2)在環(huán)結(jié)模型中，參數(shù)C取常數(shù)值07,正如第二節(jié)所述，參數(shù)C是隨Q.,/s和rj變化的，不同的0對應(yīng)的C值是不同的(3)在場限環(huán)耐壓的計算中，取圓柱對稱解，即參數(shù)G二(/%)1,嚴(yán)格講，圓柱對稱解在邊界上并不適用，它忽略了平面部分與表面電場的相互作用通過圓柱對稱解的電位分布,計算平板結(jié)耐壓下對應(yīng)的圓柱區(qū)耗盡層邊界半徑ra,可以得到：ln(/c/rd)=(/c/rd)2l+(0/2)+In十(1/2)(12)由式(12),可確定在不同下的/.-/rd值,從而可求出在不同5下的參數(shù)G值,在

12、乩的適用范圍內(nèi)可計算出G取值在1.41.4之間本文建立了單場限環(huán)結(jié)構(gòu)表面電荷效應(yīng)的優(yōu)化模型,推導(dǎo)了有表面電荷時，優(yōu)化單場限環(huán)結(jié)構(gòu)擊穿電壓和優(yōu)化環(huán)間距的歸一化計算公式，分析了場限環(huán)結(jié)構(gòu)擊穿電壓和環(huán)間距隨表面電荷密度0的變化規(guī)律計算結(jié)果具有一定的精度推導(dǎo)的計算公式可應(yīng)用于場限環(huán)結(jié)構(gòu)的實際設(shè)計中.1KP.Brieger,.WGerlachandJ.Pelka,Solid-StateElectronics.1983,26(8):73474、2CB.GoudandK.N.Bhat,IEEETransElectronDevices.1992,39(7):1768177Q3陳星弼.電于學(xué)扌艮198&16(5

13、):14-19.4K.Yang-JungKm.Min-KooHanelal,Solid-StateElctronics,1995,38(5):110711085B-J.Baliga,Solid-StaleElectronics,1990,33(5):48548&61陳星弼.功率MOSFET與高壓集成電路.南京:東南大學(xué)出版社.199QAnalysisofBreakdownVoltageforSurfaceChargeEffectonFloatingFieldLinithgRiigStructureTangBenqi,GaoYuminandLuoJinsheng(Dq)arnenI(fMicro

14、electronicEngineering、XanJiaotongUdiversity，Xan710049)Received15November1996,revisedmanuserptreceived20January1997AbstractInthispaper,thenonnalizedexpressbnsofbreakdownvoltageandoptinuinringspacingofsinglefbatingfieIdlinitingring(FFLR)structurearederivedbyuseofthefbnnulaofeletricfieIdincludingthesurfacechargeinthecylindrica