多重場(chǎng)限環(huán)型終端結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)*

卓寧澤，賴信彰，于世珩

（江蘇長晶科技股份有限公司，南京 210000）

1 引言

功率半導(dǎo)體器件作為電力控制的核心電力電子器件，廣泛應(yīng)用于電能的變換和控制[1]。近年來，隨著5G 通訊的發(fā)展，新能源汽車、高速列車、光伏、風(fēng)電、手機(jī)、電腦、電視機(jī)、空調(diào)等各個(gè)領(lǐng)域?qū)τ诠β拾雽?dǎo)體器件的需求量大大增加。金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）[2-4]作為一種重要的功率半導(dǎo)體器件，通過電壓控制其柵極，既能完成器件導(dǎo)通，又可以實(shí)現(xiàn)關(guān)斷，具有高輸入阻抗和低導(dǎo)通損耗的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源、電機(jī)控制、移動(dòng)通訊等領(lǐng)域。溝槽MOSFET 是一種新型垂直結(jié)構(gòu)的MOSFET 器件，其在傳統(tǒng)平面MOSFET 結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上發(fā)展而來，溝槽MOSFET 由于將溝槽深入硅體內(nèi)，在設(shè)計(jì)上可以并聯(lián)更多的元胞，從而降低導(dǎo)通電阻，實(shí)現(xiàn)更大的導(dǎo)通電流和更寬的開關(guān)速度[5-7]。中高壓溝槽MOSFET 器件的終端結(jié)構(gòu)與襯底漏端電壓差很大，容易導(dǎo)致表面電場(chǎng)集中，從而引起MOS 器件終端位置的擊穿，因此為了保證器件可以在中高壓條件下正常使用，需要對(duì)終端結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以降低表面電場(chǎng)強(qiáng)度，提高器件的整體耐壓水平[8-10]。趙磊等[11]設(shè)計(jì)了一種橫向變摻雜結(jié)構(gòu)終端，長度為118 μm 時(shí)，擊穿電壓達(dá)700 V；劉岳巍等[12]設(shè)計(jì)了一種具有分組緩變間距場(chǎng)限環(huán)結(jié)終端結(jié)構(gòu)的碳化硅功率MOSFET，此結(jié)構(gòu)有效調(diào)制并優(yōu)化了結(jié)終端區(qū)域的表面電場(chǎng)強(qiáng)度分布，并基于可靠性評(píng)估了終端結(jié)構(gòu)的穩(wěn)健性和可行性。何進(jìn)等[13]采用與平面結(jié)物理機(jī)理最接近的圓柱坐標(biāo)對(duì)稱解進(jìn)行分析，提出了平面結(jié)場(chǎng)限環(huán)結(jié)構(gòu)的電壓分布和邊界峰值電場(chǎng)的解析理論。本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一種硅基MOSFET 用多重場(chǎng)限環(huán)型終端結(jié)構(gòu)，研究了體區(qū)注入劑量、場(chǎng)限環(huán)寬度和主結(jié)寬度對(duì)終端擊穿電壓的影響，并對(duì)微觀物理圖像進(jìn)行了描述。

2 多重場(chǎng)限環(huán)型終端結(jié)構(gòu)模型

本文設(shè)計(jì)的多重場(chǎng)限環(huán)型MOSFET 終端結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其特點(diǎn)是多重場(chǎng)限環(huán)的實(shí)現(xiàn)不需要額外增加一層光罩，僅在器件體區(qū)光罩中增加對(duì)應(yīng)的終端區(qū)域開窗，即可與體區(qū)注入同步實(shí)現(xiàn)終端場(chǎng)限環(huán)的形成，簡化了流程，降低了制備成本。

圖1 多重場(chǎng)限環(huán)型MOSFET 終端結(jié)構(gòu)

結(jié)合圖1 給出相關(guān)參數(shù)值：外延層阻值1.55 mΩ、厚度8.7 μm，溝槽寬度0.45 μm、深度1.3 μm，源極接觸孔寬度0.45 μm、深度0.4 μm，柵氧化層厚度0.08 μm，隔離氧化層厚度0.5 μm，源極金屬層厚度4 μm，體區(qū)注入劑量1.1×1013～1.7×1013cm-3，源區(qū)注入劑量4.5×1015cm-3，主結(jié)寬度（Wmj）5～11 μm，場(chǎng)限環(huán)寬度（Wring）1～2.5 μm。

3 分析與討論

3.1 體區(qū)注入劑量

不同體區(qū)注入劑量（1.1×1013cm-3、1.3×1013cm-3、1.5×1013cm-3、1.7×1013cm-3）下的擊穿電壓如圖2 所示，可以看出，隨著劑量的增加，擊穿電壓表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)，在1.3×1013cm-3劑量時(shí)具有最大值（106 V）。不同注入劑量時(shí)碰撞電離分布和PN 結(jié)分布如圖3 所示，可以看出，隨著劑量的增加，由于注入-退火過程中的側(cè)擴(kuò)，主結(jié)與場(chǎng)限環(huán)間距逐漸減小，在1.7×1013cm-3時(shí)主結(jié)與其相鄰的兩個(gè)環(huán)相通，這種現(xiàn)象會(huì)引起場(chǎng)限環(huán)分壓降低，導(dǎo)致?lián)舸╇妷航档?；同時(shí)，最大碰撞電離的位置點(diǎn)從元胞區(qū)向終端發(fā)生了移動(dòng)，這種偏移會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品可靠性降低。綜合以上分析，選擇1.3×1013cm-3為注入劑量最優(yōu)值。

圖2 不同注入劑量下的擊穿電壓

圖3 不同注入劑量時(shí)的碰撞電離分布和PN 結(jié)分布

3.2 場(chǎng)限環(huán)寬度

不同場(chǎng)限環(huán)寬度（1 μm、1.5 μm、2 μm、2.5 μm）時(shí)擊穿電壓和電勢(shì)如圖4 所示，圖中X 為終端結(jié)構(gòu)尺寸，擊穿電壓表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢(shì)，寬度為1.5 μm和2 μm 時(shí)具有最大值（106 V），其主要原因是在場(chǎng)限環(huán)寬度較小時(shí)，耐壓主要由主結(jié)承擔(dān)，隨著寬度的增加，場(chǎng)限環(huán)分壓后對(duì)應(yīng)擊穿電壓升高，當(dāng)寬度繼續(xù)增加后，主結(jié)與場(chǎng)限環(huán)會(huì)相互穿通變成一個(gè)環(huán)，從而降低了承壓的能力，從電勢(shì)曲線也可以看出，在2.5 μm寬度時(shí)，存在場(chǎng)限環(huán)相連分壓降低的現(xiàn)象。對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)分布如圖5 所示，可以看出，隨著寬度的變化，電場(chǎng)峰值位置會(huì)移動(dòng)，在寬度為1.5 μm 時(shí)，各電場(chǎng)峰值相差不大，不存在特別高的設(shè)計(jì)弱點(diǎn)，因此選擇1.5 μm作為場(chǎng)限環(huán)寬度最優(yōu)值。

圖4 不同場(chǎng)限環(huán)寬度時(shí)的擊穿電壓和電勢(shì)

圖5 不同場(chǎng)限環(huán)寬度時(shí)的電場(chǎng)分布

3.3 主結(jié)寬度

不同主結(jié)寬度（5 μm、7 μm、9 μm、11 μm）時(shí)的擊穿電壓和電勢(shì)如圖6 所示，可以看出，隨著主結(jié)寬度的增加，擊穿電壓逐漸升高，其原因是在主結(jié)寬度較小時(shí)，耗盡區(qū)連續(xù)性較差，僅有主結(jié)進(jìn)行承壓，場(chǎng)限環(huán)沒有起到明顯的分壓環(huán)作用，即此時(shí)的場(chǎng)限環(huán)對(duì)于主結(jié)形成的耗盡區(qū)曲率半徑?jīng)]有起到調(diào)節(jié)優(yōu)化作用，雪崩擊穿發(fā)生在主結(jié)邊緣處；隨著主結(jié)寬度的增加，其耗盡區(qū)與場(chǎng)限環(huán)能夠形成連續(xù)分布，場(chǎng)限環(huán)的分壓能力得到實(shí)現(xiàn)（從電勢(shì)分布可以看出，隨著主結(jié)寬度的增加，主結(jié)分壓得到優(yōu)化），耗盡區(qū)曲率半徑增加，球面結(jié)影響降低，緩解了電場(chǎng)在耗盡區(qū)拐角處的集中，從而提高了擊穿電壓值。對(duì)應(yīng)電場(chǎng)分布曲線如圖7 所示，可以看到，主結(jié)寬度為5～7 μm 時(shí)電場(chǎng)峰值在主結(jié)處。碰撞電離分布和PN 結(jié)分布如圖8 所示，可以看出，主結(jié)寬度較小時(shí)，雪崩擊穿點(diǎn)在主結(jié)附近，寬度增加到11 μm 時(shí)，擊穿點(diǎn)移動(dòng)至元胞區(qū)，同時(shí)主結(jié)曲率得到了優(yōu)化，因此選擇11 μm 作為主結(jié)寬度最優(yōu)值。綜合以上研究，獲得了多重場(chǎng)限環(huán)型終端最優(yōu)結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)：體區(qū)注入劑量為1.3×1013cm-3，場(chǎng)限環(huán)寬度為1.5 μm，主結(jié)寬度為11 μm，對(duì)應(yīng)擊穿電壓為106 V。

圖6 不同主結(jié)寬度時(shí)的擊穿電壓和電勢(shì)

圖7 不同主結(jié)寬度時(shí)的電場(chǎng)分布

圖8 不同主結(jié)寬度時(shí)碰撞電離分布和PN 結(jié)分布

3.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

終端版圖設(shè)計(jì)如圖9 所示，包含溝槽層、P 注入層、金屬層、金屬接觸層等，根據(jù)實(shí)際流片工藝獲得器件的擊穿電壓為105.6 V，良率為98.65%，說明了此次仿真設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，器件的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性曲線如圖10、11 所示。根據(jù)圖10 可知，對(duì)應(yīng)器件的閾值電壓為2.72 V@250 μA。當(dāng)柵源電壓小于2.72 V 時(shí)，未形成導(dǎo)電溝道，器件無電流流過；當(dāng)柵源電壓大于2.72 V 時(shí)，體區(qū)能帶反型形成導(dǎo)電溝道，并且隨著柵源電壓的增大，電流逐漸增大；當(dāng)柵源電壓增大到一定程度時(shí)，電流的增大趨勢(shì)變緩，由于載流子速度飽和，器件進(jìn)入準(zhǔn)飽和區(qū)，電流隨柵源電壓的增加幾乎保持不變。從圖11 中可以看出，隨著柵源電壓的增加，曲線斜率升高，根據(jù)歐姆定律，器件的導(dǎo)通電阻下降，這是因?yàn)闁旁措妷涸龃螅瑢?duì)應(yīng)反型電荷數(shù)目增加，導(dǎo)電溝道開啟得更徹底，因此對(duì)應(yīng)器件的導(dǎo)通電阻更低。

圖9 終端版圖設(shè)計(jì)

圖10 硅基MOSFET 轉(zhuǎn)移特性

圖11 硅基MOSFET 輸出特性

4 結(jié)論

本文基于仿真工具對(duì)多重場(chǎng)限環(huán)型終端結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和研究，重點(diǎn)研究了體區(qū)注入劑量、場(chǎng)限環(huán)寬度、主結(jié)寬度對(duì)擊穿電壓的影響，并對(duì)其機(jī)理進(jìn)行了分析，同時(shí)應(yīng)用仿真工具對(duì)器件內(nèi)部物理場(chǎng)的變化進(jìn)行了描述。通過優(yōu)化研究，獲得了器件結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)，體區(qū)注入劑量為1.3×1013cm-3，場(chǎng)限環(huán)寬度為1.5 μm，主結(jié)寬度為11 μm，對(duì)應(yīng)擊穿電壓為106 V。試驗(yàn)開版流片器件的擊穿電壓為105.6 V，良率達(dá)到98.65%。以上說明了基于仿真工具研究多重場(chǎng)限環(huán)型終端結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，其不僅可以提高設(shè)計(jì)速度，同時(shí)利用仿真工具對(duì)微觀物理圖像的描繪可以使器件性能調(diào)控機(jī)制更加清晰。