六角形超結(jié)VDMOS器件的終端結(jié)構(gòu)設(shè)計

孫華芳，荊吉利，孫偉鋒

(東南大學(xué)國家專用集成電路系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，南京 210096)

在大力發(fā)展節(jié)約能源，動態(tài)控制，噪音減少等技術(shù)的今天，電力電子半導(dǎo)體器件由于其具有精度高，速度快和功耗低的特點而得到了在功率電子系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用。為了降低功耗，要求功率半導(dǎo)體器件在斷態(tài)時能承受較高的電壓，在通態(tài)時有較低的導(dǎo)通電阻。而超結(jié)的概念正是基于上述原因提出的。超結(jié)MOS的結(jié)構(gòu)和電場分布如圖1所示。它的臨界電場沒有傳統(tǒng)MOSFET那樣的大斜率，幾乎為恒定值，這就使得擊穿電壓僅僅依賴于漂移區(qū)的厚度，而與摻雜濃度無關(guān)，從而導(dǎo)通電阻與擊穿電壓的關(guān)系得到很大改進，由傳統(tǒng)的平方關(guān)系變?yōu)榫€性關(guān)系，這使得超結(jié)器件具有更加優(yōu)越的性能和特點[1～3]。高壓功率器件通常會受到結(jié)曲率效應(yīng)的影響導(dǎo)致電場在結(jié)附近聚集，因此可以利用場限環(huán)，場板等技術(shù)來避免終端結(jié)的曲率效應(yīng)[4～6]。隨著超結(jié)器件的發(fā)展，超結(jié)的終端技術(shù)問題也隨之產(chǎn)生。本文針對六角形晶格單元結(jié)構(gòu)的超結(jié)VDMOS器件的終端技術(shù)進行了研究，設(shè)計了600 V超結(jié)VDMOS器件所需要的終端結(jié)構(gòu)、工藝等參數(shù)。

圖1 超結(jié)MOSFET的器件結(jié)構(gòu)和電場分布

1 超結(jié)終端技術(shù)原理

由于平面結(jié)終端彎曲造成的局部場強增高，以及熱氧化使表面區(qū)域雜質(zhì)濃度升高使平面結(jié)的終端區(qū)電場強度遠(yuǎn)高于體內(nèi)，使得pn結(jié)表面附近以及pn結(jié)彎曲處的擊穿電壓比平行平面結(jié)的擊穿電壓低，出現(xiàn)了結(jié)終端表面提前擊穿的現(xiàn)象。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的終端技術(shù)中，為了使主結(jié)彎曲處的電場積聚作用被削弱，通常采用了場限環(huán)，場板等技術(shù)，擊穿電壓因此得到提高。而超結(jié)器件中的終端技術(shù)不僅要考慮主結(jié)彎曲處的電場分布，還必須考慮終端區(qū)縱向的電場分布，如果不考慮這一點，終端區(qū)的擊穿電壓可能比有源區(qū)的要低很多[7]。因此，超結(jié)器件終端的設(shè)計比一般功率器件要有更多的考慮。

利用相互交疊的P柱和N柱構(gòu)成可以實現(xiàn)超結(jié)VDMOS終端結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。其中P柱的寬度為Wpi， NA是P柱的摻雜濃度。 N柱的寬度為WNi， ND是N柱的摻雜濃度。

圖2 一個帶有終端的原胞結(jié)構(gòu)

終端結(jié)構(gòu)中，每一個P柱和N柱都形成一個超結(jié)，對終端結(jié)構(gòu)上的第i個PN結(jié)——PiNi結(jié)進行獨立的分析， PiNi結(jié)的寬度為WPi到WNi之間的距離，即WPi+WNi。 PiNi結(jié)的寬度總有WPi+WNi＜ri成立，對于高壓器件隨著i的增加， WPi+WNi?ri， PiNi結(jié)的電荷面密度可近似表示為：

方程(1)中有四個參數(shù)是需要我們確定的。另外，在原胞部分， N柱和P柱的摻雜濃度應(yīng)相等。離子注入的工藝過程應(yīng)在原胞和終端區(qū)同時完成，所以N柱和P柱的濃度也近似相等。為了節(jié)省工藝成本，終端結(jié)構(gòu)下的P柱的寬度也應(yīng)相等即公用一塊光刻板。于是就有NPi=NNi=Nc， WP1=WP2=…WPi=WP， WNi可由下式表示：

其中

由(2)式可以知道， WNi僅與ri有關(guān)， Wp， k為常量。隨著ri的增加， WNi隨之增加， 并且逐漸滿足WPi+WNi?ri。但需要注意的是不管WNi怎樣增加，都要滿足WNi＜WP。 WNi隨著ri增加而增加并且保持WNi＜WP，便可以滿足式(2)。這也就意味著終端結(jié)構(gòu)中N柱的寬度要從原胞區(qū)的邊界到終端區(qū)不斷增大，而P柱的寬度卻是固定不變的。

利用上述超結(jié)器件終端技術(shù)的原理，文獻[7]已經(jīng)通過模擬得到了 600 V超結(jié) VDMOS的終端結(jié)構(gòu)。

2 六角形晶格終端結(jié)構(gòu)設(shè)計

超結(jié)結(jié)構(gòu)有許多形式的晶格單元，四種常用的晶格單元形式有：叉指式，六角形，方形和格子形晶格單元。雖然各種晶格單元在形式上有很大差異，我們根據(jù)實際應(yīng)用的需要可以采用不同的晶格單元，但是原理都是一樣的，即利用電荷補償效應(yīng)降低電場峰值提高耐壓的同時減小導(dǎo)通電阻。在器件的寬深比較小時，有源區(qū)的形狀對超結(jié)結(jié)構(gòu)的影響已不是主要因素，補償效果最差的叉指式原胞晶格和補償效果最好的六角形原胞晶格的優(yōu)化結(jié)果相差已不是很大。當(dāng)器件的寬深比較大時，六角形原胞晶格的優(yōu)勢就顯現(xiàn)出來了。而且隨著寬深比的增加，優(yōu)勢更明顯[8]。考慮到常用的寬深比下，六角形原胞晶格的設(shè)計結(jié)果確實是最好的。六角形原胞晶格的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 六角形有源區(qū)晶格的示意圖

在六角形晶格的終端部分，如果P柱之間的位置關(guān)系滿足式(2)，會使終端部分的六角形晶格版圖的排列不均勻，導(dǎo)致?lián)舸┰诮K端提前發(fā)生。為了使終端不提前擊穿，終端P柱和N柱的寬度就必須要比有源區(qū)P柱和N柱的寬度小。這就使有源區(qū)和終端區(qū)之間的六角形版圖排列形狀不規(guī)則，出現(xiàn)了有源區(qū)和終端之間的電荷不平衡，使擊穿電壓下降。為此在六角形的排列晶格結(jié)構(gòu)中，采用的處理方法是使有源區(qū)和終端區(qū)的六角形原胞晶格形狀相同，終端P柱和N柱的寬度均為有源區(qū)原胞晶格的一半，使擊穿可能會發(fā)生在終端區(qū)域與有源區(qū)之間的版圖不規(guī)則的地方而不是終端的位置。盡管六角形有源區(qū)的原胞晶格設(shè)計結(jié)果是最好的，但是六角形有源區(qū)的原胞晶格版圖排列的不規(guī)則使得超結(jié)VDMOS的擊穿位置常常發(fā)生在有源區(qū)和終端之間的區(qū)域，但這也是不可避免的。由于P柱和N柱的寬度越小，就越容易耗盡，因此擊穿電壓隨著P柱和N柱的寬度的減小而增加。設(shè)計的版圖排列如圖4所示。圖4中，每一個六角形便構(gòu)成了一個晶格單元，在六角形的中心位置有一個圓形，它代表了P柱，晶格單元較大的是有源區(qū)，較小的位置是終端單元。

圖4 六角形原胞及終端結(jié)構(gòu)版圖

在有源區(qū)域和終端區(qū)域之間存在一個過渡區(qū)，如圖所示的與終端區(qū)相鄰的六角形形狀已經(jīng)被終端的六角形形狀所破壞，變得不再規(guī)則；因此它的有源區(qū)和終端區(qū)之間的過渡區(qū)存在電荷不平衡的現(xiàn)象。

當(dāng)有源區(qū)P柱和N柱區(qū)的寬度確定后，再確定耐壓所需要的終端橫向長度就可以了。終端橫向長度與P柱的個數(shù)有關(guān)。

3 仿真結(jié)果討論

以600 V六角形晶格單元的超結(jié)VDMOS為例，設(shè)計它的終端部分。圖5是六角形的終端區(qū)域示意圖，在如圖所示的場板結(jié)構(gòu)中，使用了與主結(jié)相連的金屬場板和多晶硅場板結(jié)合的多級場板，與截止環(huán)相連接的多晶硅場板，以及浮空場板。其中多級場板使主結(jié)漸漸耗盡并且耗盡層向外側(cè)擴展，由于在多級場板的邊緣位置與硅之間電位差很大，所以多級場板邊緣處出現(xiàn)一個峰值電場；為了減小多級場板末端的峰值電場，可以在末端附近的位置增加浮空場板，調(diào)整多級場板末端與浮空場板之間距離的大小可以減小級場板末端峰值電場。

圖5 六角形終端結(jié)構(gòu)示意圖

由于六角形的終端區(qū)域P柱的寬度是有源區(qū)域P柱寬度的一半，當(dāng)有源區(qū)P柱和N柱區(qū)的寬度確定后，確定600 V所需要的終端橫向長度就可以了。終端橫向長度與P柱的個數(shù)有關(guān)，在P柱寬度和N柱寬度均確定的情況下，僅需確定P柱的個數(shù)。在六角形的有源區(qū)內(nèi)P柱和N柱的寬度都是7.5 μm，六角形的終端區(qū)域內(nèi)P柱和N柱的寬度是有源區(qū)原胞晶格的一半，故取3.75 μm。終端區(qū)域內(nèi)P柱的個數(shù)和擊穿電壓的關(guān)系如圖6所示，要達(dá)到600 V的擊穿擊穿電壓， P柱的數(shù)量要在18個以上。

圖6 終端區(qū)域內(nèi)P柱的個數(shù)和擊穿電壓的關(guān)系

表面電場，表面電勢的分布情況分別如圖7， 8所示。在圖7中發(fā)現(xiàn)表面電場從左到右出現(xiàn)了3個峰值電場，它們分別在場氧鳥嘴，多級場板末端及浮空場板末端。在這3個峰值電場附近表面電勢上升的很快，如圖8所示。在圖9中，垂直電場在有源區(qū)域(x=8.5 μm)和終端區(qū)域(x=30 μm)都呈矩形分布，電荷達(dá)到平衡，從而達(dá)到最高的擊穿電壓。

圖7 表面電場分布

圖8 表面電勢分布

圖9 在水平位置x=8.5 μm和30 μm的縱向電場線

4 結(jié)論

功率器件設(shè)計中要考慮原胞和終端兩個部分。對于終端設(shè)計，應(yīng)該使表面的電場峰值轉(zhuǎn)移到體內(nèi)，避免在較低電壓下終端提前發(fā)生擊穿。六角形超結(jié)VDMOS有源區(qū)原胞晶格的電荷補償效果是最好的，但如果它的終端設(shè)計按照其它晶格單元設(shè)計方法一致，會使終端部分的六角形晶格版圖的排列不均勻，導(dǎo)致?lián)舸┰诮K端提前發(fā)生。為此提出了一種與有源區(qū)相似的六角形終端結(jié)構(gòu)，終端P柱和N柱的寬度均為有源區(qū)原胞晶格的一半，使擊穿可能會發(fā)生在終端區(qū)域與有源區(qū)之間的版圖不規(guī)則的地方而不是終端的位置。

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