超級結電場分布仿真分析

王卉如，揣榮巖，關艷霞

（沈陽工業(yè)大學信息科學與工程學院，沈陽110870）

1 引言

對于硅基功率器件，擊穿電壓和導通電阻始終是一對矛盾參數，國內外研究學者一直在尋找打破“硅極限”的方法。陳星弼教授在國際上首次提出了各種終端技術的物理解釋以及解析理論，論證了結邊緣技術的要害在于邊緣引入的電荷所產生的電場降低了最大電場[1]，并在上世紀80年代末基于終端技術理論提出復合緩沖層（Composite Buffer,CB）結構，其中CB也被稱為電荷平衡（Charge Balance）結構，以此建立起具有劃時代意義的超級結（Super Junction）理論。超級結打破了“硅極限”，它使擊穿電壓和導通電阻由傳統(tǒng)的2.5次冪關系變?yōu)榻€性[2]。自1998年起，國外已有8家公司在制造超級結器件，隨著工藝的改進，成本大大降低，科技成果轉化市場規(guī)模每年超過10億美元[3]。

最初的MOS功率器件為橫向MOSFET，只存在橫向電場。上世紀80年代發(fā)展出了垂直MOSFET，漏極和源極分別做在了芯片的兩個表面，形成垂直導電通道，只存在縱向電場[4]。具有以上兩種結構的DMOS則是由單一導電類型的低摻雜半導體層構成，稱為阻型耐壓層器件。IGBT在垂直DMOS的基礎之上引入了P型層，增加了電導調制效應，使PN結正向大注入非平衡載流子，增加了開態(tài)載流子濃度，稱為電導增強型耐壓層器件。無論是阻型耐壓層器件還是電導增強型耐壓層器件，都只擁有一維電場分布。而超級結器件是利用周期性排列的縱向PN結作為高壓漂移區(qū)，實現(xiàn)了由阻型耐壓層到結型耐壓層的進步[5]，成為功率MOS單極器件的“里程碑”[6]，這主要得益于它獨特的橫向電場分布能夠分擔一部分電壓，使之耐壓性能有了質的飛躍。

2 超級結基本模型

典型的超級結結構仿真圖如圖1所示。當施加正向漏極電壓，器件處于關斷狀態(tài)時，J1、J2和J3結都反偏。耗盡層與二極管一樣具有單向導電性，所以能夠更大限度提高器件的耐壓能力，稱為結型耐壓層器件[7]。

圖1 超級結仿真結構圖

兩種類型器件電場分布情況有所差異，如圖2所示。結型耐壓層器件在漂移區(qū)存在多個垂直PN結，N柱中存在帶正電的施主離子，P柱中存在帶負電的受主離子，因此形成由N柱指向P柱的橫向電場，如圖2(a)所示?；陔妶霪B加原理，總電場E(x,y)是一維電場分量EP(y)和二維電場分量Eq(x,y)的疊加。EP(y)表示外加電壓形成的電勢場，Eq(x,y)表示由PN結電荷耦合形成的電荷場。傳統(tǒng)的阻型耐壓層器件在關斷狀態(tài)時，如圖2(b)所示，電荷場和電勢場方向相同，二者都沿著y方向做電場疊加，縱向電場很大，容易達到臨界電場強度繼而發(fā)生雪崩擊穿，導致器件的耐壓較低。

圖2 兩種類型耐壓器件電場方向示意圖

3 超結器件二維電場分布

基本超結結構（超結PiN結構）如圖3所示。標記出A、A′、B、B′、C、C′、O、O′八個特征點和由這些特征點進行連線的特征電場線。漂移區(qū)厚度LD=60μm，元胞寬度Wcell=4.6μm，P柱和N柱寬度相等，皆為W=0.5Wcell=2.3μm，N柱摻雜濃度為1.5×1016cm-3，P柱摻雜濃度為1.405×1016cm-3。此超結模型的擊穿電壓可達1000V。

圖3 基本超結結構

在此超級結模型中電場分布如圖4所示?？擅黠@看出峰值電場出現(xiàn)在A、B和O′點，電場最小值發(fā)生在A′和B′點，柱區(qū)內部電場分布比較均勻[8]。沿著AA′、BB′和AB這些電場線同時發(fā)生雪崩擊穿時可以得到最小的導通電阻Ron[9]。如果對各個特征點進行任意兩點連線，可以得到以下四類有代表性的直線段，分別為：

①縱向PN結耗盡層中心（例：CC′）；

②漂移區(qū)P柱或者N柱縱向中心（例：AA′、BB′。此類特點是從電場峰值連接到電場谷值，還有與之相似的是線O′A′）；

③兩個電場峰值的連線（例：AB、AO′）、兩個電場谷值的連線（例：A′B′）；

④超級結漂移區(qū)橫向的電場分布（例：B′A、OO′、BA′）。

圖4 超結模型電場分布圖

對以上四類特征點連線構成的特征電場線分別進行仿真分析。按照圖3中所示，以AA′的中點作為原點建立平面直角坐標系。第一類是在以線CC′（x=-W/2）為代表的縱向耗盡層中心，類似的直線還有x=W/2和x=-3W/2。此類縱向耗盡層中心電場分布如圖5所示，漂移區(qū)中三個縱向PN結的電場值與耗盡程度大致相同，在反向漏電壓為1000V時，柱區(qū)內部的平均電場為2.8×105V/cm。從圖5中可以觀察到在距離兩側襯底d=3μm位置都結束了電場的漸變過程。d值與襯底厚度、襯底濃度和漂移區(qū)摻雜濃度有關，漂移區(qū)中間位置（3~57μm）保持電場恒定峰值。

圖5 縱向耗盡層中心電場分布

第二類是P柱和N柱的縱向中心，也就是直線AA′和直線BB′，它們都是從電場的最大值指向電場的最小值，與之類似的特征線還有O′A′。電場分布情況如圖6所示。

可以觀察到AA′和BB′兩個圖像幾乎完全重合。同樣，在距離襯底d=3μm處結束電場值的漸變過程，漂移區(qū)中部保持電場的恒定。圖6中都是以電場的最大值為起點，以電場的最小值為終點，A、B和O′點的電場值大致相等，約為3.25×105V/cm。A、B兩點只擁有縱向電場，O′點只擁有橫向電場，這說明器件中橫向峰值電場和縱向峰值電場同時達到相同臨界擊穿電場，避免器件提前發(fā)生雪崩擊穿。A′點和B′點電場的最小值也大致相等，約為0V/cm。

第三類是以電場的兩個峰值連線（AB、AO′）或兩個谷值連線（A′B′），電場分布情況如圖7所示。曲線AB的獨特之處在于它橫跨三個電場峰值，且電場峰值大致相等，說明在此超結模型中橫縱電場的峰值相等，能夠同時達到臨界擊穿電場發(fā)生雪崩擊穿。

圖7 兩點極值連線的電場分布

第四類為漂移區(qū)橫向的電場分布，仿真結果如圖8所示。LD表示漂移區(qū)厚度，分別取漂移區(qū)的上表面（y=LD/2）、中間（y=0）和下表面（y=-LD/2）。由于超級結結構擁有二維電場，縱向的電荷場對橫向的電荷場有調制作用，上下表面的橫向電場不再是傳統(tǒng)器件的折線分布，而是近似正余弦函數分布。只有漂移區(qū)中間位置（y=0）缺少縱向電荷場的調制作用，幾乎只有橫向的電荷場，所以依舊是折線分布。這說明越靠近襯底縱向電荷場調制作用越明顯。

圖8 漂移區(qū)上、下表面及中部橫向電場分布

4 超級結模型改進

在襯底位置引入P-和N-緩沖層，襯底厚度變?yōu)?μm，P-緩沖層厚度（LP-）設為2μm，經如此改進的超結結構仿真圖如圖9所示。因為中子嬗變技術能形成非常低、非常均勻的N型摻雜，而且對于給定的電壓等級，P+N允許比N+P厚度更?。üβ拾雽w器件的損耗約為厚度的平方），所以對于1000V以上的高壓半導體器件來說，漂移區(qū)通常是N型低摻雜，在此只增加N-緩沖層的厚度，漂移區(qū)的厚度則相應減小，確保元胞的總厚度不變。

圖9 N-緩沖層半超結改進模型電場分布

經仿真，得到N-層厚度在17μm時耐壓能力存在一個小峰值1074V。由圖9也可以觀察到，超結部分的電場分布和前文所描述的并無二致，區(qū)別在于N-緩沖層的電場很低，且不會改變器件的耐壓能力。半超結可以減少一步外延生長和離子注入的工序，從而降低工藝難度和成本，基于此，制造高壓器件只需要調整緩沖層的厚度和摻雜濃度，超結層的結構不變。改進后的模型還具有軟反向恢復特性，且恢復噪聲很小，總導通電阻降低[10]。

沿著直線AA′和直線B′B，對縱向電場分布進行仿真，得到的圖像如圖10所示。N柱和P柱的電場強度在超結層是一個定值，為1.745×105V/cm，電場的峰值和谷值大致以此上下對稱；緩沖層的電場線性微微下降，電場值變化不大，在x=60μm處為1.612×105V/cm。

圖10 半超結沿直線AA′和B′B的電場分布

5 結束語

超級結器件利用電荷耦合概念在傳統(tǒng)器件的漂移區(qū)引入橫向的電荷場，實現(xiàn)了從阻型耐壓層器件到結型耐壓層器件的飛躍。通過仿真，對于超結器件的電場分布特點可有直觀準確的把握。擊穿電壓有可能發(fā)生在橫向電場峰值處和縱向電場峰值處，不同點位置的電場峰值大致相同，能夠同時達到臨界擊穿電壓。襯底的地方縱向電荷場越大，調制作用越明顯。通過改進超結模型，引入N-緩沖層，對電場線變化趨勢完成分析，縱向電荷場對橫向電荷場的調制作用也同時得以驗證。