（微电子学与固体电子学专业论文）基于高压mos功率器件的高压集成电路的研究.pdf

摘要 摘要 功率集成电路( p l c ) 的出现对提高系统的可靠性，降低其成本、重量和体积，实现 汽车电子、工业控制、通讯等领域中系统的小型化、智能化有着重要的意义。本文设 计的脉宽调制功率放大器是用于中小功率直流电机控制的p i c 系统，该系统包含了控 制电路，驱动电路和高压h 桥。 在高压器件的研究中，设计了适用于高低压电路集成的l d m o s 器件结构，采用 d o u b l er e s u r f 技术和场板技术，耐压可达7 0 0 伏。本文借助二维器件模拟软件 m e d i c i ，分析了器件的参数对击穿电压和导通电阻的影响，从而实现了器件的高耐 压和低导通电阻的要求。 在电路设计中，本文给出了系统及各子电路的设计，同时使用c a d e n c e 下的e a d 工具对电路进行了仿真模拟。仿真结果表明，所设计电路的性能参数基本满足设计指 标。 以标准的p 阱c m o s 工艺为基础，参考了国际上流行的b c d 工艺，设计了适合本 电路的高低压兼容工艺，在此工艺基础上完成了电路的版图设计。 关键词：高压集成电路b c d 工艺l d m o sm e d i c i 控制电路 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ee m e r g i n go fp o w e ri n t e g r a t e dc i r c u i t 锻e ) i si m p o r t a n tt oi n c r e a s et h es y s t e m s r e l i a b i l i t ya n dr e d u c ei t sc o s t ，w e i g h ta n dv o l u m e i te n a b l e st h ed e s i g na n dp r o d u c t i o no f 钾m o r em i n i a t u r i z e da n ds m a r ts y s t e m sf o rd i f f e r e n ta p p l i c a t i o n si nt h ef i e l do f a u t o m o t i v e ，i n d u s t r i a la n dt e l e c o m m u n i c a t i o n i nt h i sp a p e r ，ap u l s ew i d t hm o d u l a t o r a m p l i f i e rh a sb e e nd e s i g n e ds u c c e s s f u l l y i ti sat y p i c a lp i c ，w h i c hc a nb eu s e dt oc o n t r o l m i c r om i d id cm o t o r i nt h i ss y s t e m ，c o n t r o lc i r c u i t , d r i v ec i r c u i ta n dh i g hv o l t a g eh b r i d g ea r ec o n t a i n e d i nt h er e s e a r c ho ft h eh i g hv o l t a g ed e v i c e , u s i n gd o u b l er e s u r fa n df i e l d - p l a t e t e c h n o l o g y , a nl d m o sd e v i c ef o rh i g h l o wv o l t a g ei c sw a sp r o p o s e d t h eb r e a k d o w n v o l t a g ec a nm o u n tt o7 0 0 v e f f e c t so fd e v i c ep a r a m e t e r s0 1 1t h eb r e a k d o w nv o l t a g ea n d o n - r e s i s t a n c ew e r ea n a l y z e db yu s i n g2 dd e v i c e ss i m u l a t o rm e d i c i h e n c e ，t h e r e q u i r e m e n t so fh i g hv o l t a g ea n dl o wo n - r e s i s t a n c ew a sa c h i e v e d i nt h ed e s i g no ft h ec i r c u i t ，a u t h o rd i s c u s s e dt h ed e s i g no fe a c hs u b - c i r c u i t i tw a s s i m u l a t e db yt h ec a dt o o l so fc a d e n c e t h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w e dt h a tt h ec i r c u i t d e s i g n 湖s a t i s f yt h et a r g e t b a s e do nt h es t a n d a r dp w e l lc m o st e c h n o l o g y ，a f t e rr e f e r e n c e dt h ee p i d e m i c a lb c d t e c h n o l o g yi nt h ew o r l da n dc o n s i d e r e dt h es p e c i a l t yo ft h ec i r c u i t ，t h ec i r c u i t sh i g ha n d l o wv o r a g ec o m p a t i b l et e c h n o l o g yw a sd e s i g n e d a u t h o rd e s i g n e dt h ec i r c u i t sl a y o u t b a s e do nt h et e c h n o l o g y k e yw o r d s ：h i g hv o l t a g ei n t e g r a t e dc i r c u i t b c dt e c h n o l o g yl d m o sm e d i c i c o n t r o lc i r c u i t 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学分和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师 指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢 中所罗列的内容以外，论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果：也不包含 为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：煞崔 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在 校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留送交论 文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许 采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究 课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本人签名： 导师签名： 日期塑2 j ：笙 日期趟! 厶堑 车 第一章绪论 第一章绪论弟一早殖下匕 1 1 课题背景 电力电子技术在国民经济中的地位和作用越来越突出，是信息产业和传统产业的 重要接口，是弱电和强电之间的桥梁，是传统产业现代化和发展机电一体化及其它高 科技技术的关键基础技术。电力电子器件及其技术的出现为人类有效利用电能提供了 新的方向1 9 j 。 电力电子学诞生以后，人们把相应的半导体学科分为两个分支：一个是以集成电 路为核心的微电子学，另一个则是以大功率半导体器件为代表的电力电子学。前者集 成度越来越高，后者功率越来越大。近年来，随着应用领域的不断扩大，要求集成电 路内既有控制电路又有功率器件，这又把半导体学科的两个分支有机地结合起来，于 是出现了功率集成电路，它使微电子技术和电力电子技术相辅相成，把“信息 和“功 率 合为一体。 电力电子器件在节省电能方面有很大的潜力，同时由于m o s 器件的加入，使它 在中小功率中的应用有了迅速发展。过去认为节约能量只对功率很大的工业控制才重 要，现在认识到对量大面广的日用电器节能也十分重要。单个日用电器虽然用电不多， 但因为量大，其电能的消耗也是非常巨大的。节能甚至对功率很小的便携式电器也有 必要，因为它可延长电池的使用时间。在便携式电器中，由于采用新一代m o s f e t ， 其电池的使用寿命可增加1 - 4 倍，这对便携式电器是非常有利的。 功率集成电路是近几年来发展很快的一个方向，其基本功能是使功率和信息合 一，成为机、电的重要接口，由于装置采用p i c ，可使装置内电源部分的体积缩小、 重量减轻、寄生参数减小、性能改进、可靠性提高、从而使装置的成本降低。它利用 可在同一芯片上实现双极、c m o s 和d m o s 器件兼容的b c d 技术，实现包含有功率、 传感、逻辑控制和保护等功能的电路集成，已被广泛应用于开关电源、电机驱动、工 业控制、汽车电子、日常照明、家用电器等方面。 由于功率集成电路在各个领域有广泛的用途，国外在这方面做了深入的研究，比 如国际上一些半导体公司，包括t e x a si n s t r u m e n t 、a t & t 、h a r r i ss e m i c o n d u c t o r 、 i n t e r n a t i o n a lr e c t i f i e r 、p o w e ri n t e g r a t i o n s 、p h i l i p s 和s g st h o m s o n ，都在向这方面 发展，但是国内对于这方面的研究还处于起步阶段，无论是电气参数，还是可靠性等 2 基于高压m o s 功率器件的高压集成电路的研究 级水平方面均呈明显的劣势。因此，研究和设计功率集成电路有助于弥补我国在这方 面的空缺，促进我国电子行业的发剧1 3 1 。 1 2 功率集成电路发展概况 功率集成电路( p i c ) 是指将高压功率器件与信号处理系统及外围接口电路、保护电 路、检测诊断电路等集成在同一芯片上的集成电路。以前一般将其分为智能功率集成 电路( s v i c ) 和高压集成电路( h v i c ) 两类，但随着p i c 的不断发展，两者在工作电压和 器件结构上( 垂直或横向) 都难以严格区分，己习惯于将它们统称为功率集成电路。广 义而言，p i c 是控制电路与功率负载之间的接口电路，其最简单的电路包括电平转移 和驱动电路，它的作用是将微处理器输出的逻辑信号电平转换成足以驱动负载的驱动 信号电平。功率集成电路是微电子技术和功率电子技术相结合的产物，其基本功能是 使动力和信息合而为一，成为机和电的关键接口，是s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 搀核心技术 之一 p i c 出现于七十年代后期，由于单芯片集成、p i c 减少了系统中的组件数、互连 数和焊点数，不仅提高了系统的可靠性、稳定性，而且减少了系统的功耗、体积、重 量和成本，但由于当时的功率器件主要为双极型晶体管、g t o 等，功率器件所需的驱 动电流大，驱动和保护电路复杂，p i c 的研究并未取得实质性进展。自至八十年代， 由m o s 栅控制、高输入阻抗、低驱动功耗、容易保护等特点的新型m o s 类功率器 件，如功率m o s f e t 、i g b t 等的出现，使得驱动电路简单，才迅速带动了p i c 的发 展，但复杂的系统设计和昂贵的工艺成本限制了p i c 的应用。进入九十年代后，p i c 的设计与工艺水平不断提高，性能价格比也随之上升，p i c 逐步进入了实用阶段。美 国c s f b 公司2 0 0 1 年5 月2 3 日公布的资料表明：全世界p i c 的销售额已超过1 0 0 亿 美元，并将以超过1 0 的速度增长，叫2 0 0 6 年p i c 的市场份额接近2 0 0 亿美元 1 1 1 1 o p i c 按集成形式可分为两类：一类是单片集成式p i c ，其典型代表为l r 公司的 i r 2 1 1 0 、i r 2 1 3 0 系列功率m o s 驱动i c 。i r 2 1 1 0 ，i r 2 1 3 0 在5 0 0 v 或6 0 0 v 电压下工 作，最大峰值电流2 a ，工作频率5 0 0 k h z 。i r 2 2 3 3 ，i r 2 2 3 5 工作电压可高达1 2 0 v ， 输出驱动电流0 4 a ，t o n 舯签为7 5 饼7 0 0 n s 。另一类为混合集成式p i c ，以东芝公司 的i p m 系列模块( i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e ) 为典型代表。它把控制电路、保护电路、输 出功率管i g b t 集成于一体，具有过流、欠压、过温保护能力，可直接驱动负载1 1 2 1 。 该系列中最高工作电压可达1 7 0 0 v ，最大输出电流为1 2 0 0 a 。 p i c 总的技术发展趋势是工作频率更高、功率更大、功耗更低和功能更全。目前 第一章绪论 3 p i c 的主要研究内容为：开发高成品率、低成本的工艺和兼容于c m o s 的研究，针对 包括多个大功率器件的单片p i c 的研究，能在高温下工作并具有较好稳定性的p i c 的 研究，大电流高速m o s 控制并有自保护功能的横向功率器件的研究。p i c 的下一个 目标是将多个高压大电流功率器件与低压电路集成在同一芯片上，使之具备系统功 能，进而实现单片式功率系统的集成。 p i c 的设计与制造应着重考虑以下四个方面：高低压器件之间的隔离，高低压兼 容工艺，高压输出功率器件及各种控制和功能电路。 1 3b c d 集成电路技术的发展状况 目前最重要的一种单芯片功率集成电路技术是b c d ( b i c m o s d m o s ) i 艺1 2 5 1 1 2 6 1 。 这是一种结合了双极、c m o s 和d m o s ( 双扩散m o s ) 结构的单片i c 制造工艺。s t 公 司最先于1 9 8 6 年发明的第一代b c d 工艺，是一种4 p m 6 0 v 工艺，在传统的结隔离双 极工艺中，整合了纵向d m o s ，相对于传统的双极功率工艺，b c d 工艺具有显著的 优势。最基本的优势就是设计者可以在高精度模拟的双极，高集成度的c m o s 和作 为功率级的d m o s 之间自由选择。由于d m o s 和硅栅c m o s 兼容，并且具有高效率 ( 低损耗) 、高强度( 无二次击穿) 、高耐压、固有的源漏二极管的存在( 作用类似续流= 极管) 和高速的开关特性，因此，d m o s 结构特别适用于功率集成电路。 一些世界知名的功率半导体厂商走在开发b c d 工艺的前列，比如s t s e m i c o n d u c t o r ，n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r ，p h i l i p s ，p o l a r f a b ，a t m e l ，b c ds e m i c o n d u c t o r ， p o w e ri n t e g r a t i o n ( p i ) 。一些汽车业的巨头也针对汽车电子，开发了相应的b c d 工艺， 如丰田，三菱等。s t 公司是欧洲功率半导体的最大厂商，其首创的b c d 工艺在1 9 8 0 年代中期引入时，马上就成为几乎所有智能功率应用的首选。随后，其工艺水平不断 改进、分化。s t 公司开发了一系列对全球功率i c 影响深远的b c d 工艺，如b c d 3 、 b c d 4 、b c d 5 、b c d 6 。最新的b c d 工艺是基于v l s i c m o s 平台的0 1 8 f l m b c d ，0 1 私m 的工艺也正在开发中。可以看出，b c d 工艺与c m o s 工艺水平已十分接近。s t 公司 的b c d 系列工艺广泛应用在通信、汽车电子、消费电子产品、电源管理等各个领域。 n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r 的a b c d ( a n a l o g yb c d ) - v 艺系列主要应用在电源管理领域。 p o l a r f a b 拥有p b c 31 5 肛m ，p b c 40 靴m ，p o l a r 3 5 b c d 0 3 靴m 系列产品。它提供了 一套完整的工艺设计工具，包括所有器件的模型，数字元单元库和设计手册等。a t m e l 最新的技术是命名为s m a r t i s 的0 5 雎m 高压s 0 1 b c d 工艺。这种工艺能够实现中 型复杂逻辑电路( 例如状态机或微控制器核) 与高压d m o s 器件的集成。p h i l i p s 的 a - b c d ( a d v a n c e x ib c d ) 系列工艺，是一种低成本的s 0 1 b c d 工艺。汽车业巨头丰田 4 基于高压m o s 功率器件的高压集成电路的研究 和三菱开发了能够满足新一代4 2 v 汽车系统的b c d 工艺。由于b c d 工艺应用的广 泛性和灵活性，在经过近2 0 年的发展后，根据不同的应用标准，b c d 集成电路技术 可分为高压b c d 、高功率b c d 、v l s i b c d 、r f - b c d 和s o i b c d 等五个方向。 到目前为止，b c d 工艺是功率i c 单芯片化的最佳选择。这种工艺通常被描述成 一种混合工艺，因为它不仅是在单片上双极、c m o s 和d m o s 器件的整合，磊且也 是模拟和数字、信号和电源、厚薄金属化层的混合。随着功率i c 市场需求的飞速膨 胀，b c d 工艺将朝着更精细的光刻，更宽的电压范围，更多种类组件的集成，更加模 块化、灵活化的方向发展。 1 4 本文研究的内容和意义 功率集成电路作为微电子技术和电力电子技术结合的产物正成为国际上迅速发 展的离新技术领域并成为一种热门的研究课题囝。功率集成电路鸯新型功率m o s 器 件问世以来得到长足进展，已深入到工业生产与人民生活的各个方面。功率集成电路 正朝着高温、糍频、低功耗、高功率容量以及智能化、系统他方向发展，新结构、新 工艺硅基功率器件正不断出现并逼近硅材料的理论极限，新材料功率半导体器件正不 断走向成熟，内此可见，功率集成电路的发展将越来越快。 近年来，随着世界对高效、节能和低嗓音嚣呼声高涨，宠大豹马达控制市场展露 出勃勃商机。根据来自f o r w a r dc o n c e p t s 的统计资料，销量预计将增至3 亿块以上。 美国仿真器件( a d o 、德髑仪器、a p e x 、s t 、摩托罗控半导体、a l l e g r o 、飞凳 ( f a i r c h i l d ) 半导体、m i c r o c h i p 、i n t e r s i l 等等都对马达控制电路进行了研制和产品开发。 丽国晦自主研制和生产的产品较少，实际应用多为弓l 进的国外的产品。在电机控制中， 典型的产品有i r 2 1 3 0 、i r 2 2 3 3 、s a 0 3 、s a 5 1 等等。其中s a 0 3 、s a 5 l 通过二次集成 技术将控制电路、驱动电路和故障保护电路集成在起；i r 2 1 3 0 、i r 2 2 3 3 主要是一次 集成的驱动电路。 本次毕设宪成的脉宽调制功率放大器是一个典型的p i c 系统，采用一次集成实现， 包括了控制电路、驱动电路，用于控制中小功率壹流电机，这样不但可以降低电机控 制芯片的成本，而且体积小、重量轻、效率高。 羔5 本文的主要工作 本论文设计的脉宽调制功率放大器，可用来驱动中小功率的直流电机。按照参数 指标进行了电路设计，对电路进行c a d e n c e 下韵模拟仿真。同时采用二维器件模拟软 第。4 章绪论 5 件m e d i c i 对高压器件进行模拟仿真，分析了其击穿电压和导通电阻。最后，进行了 版图设计和工艺设计。 本论文共分五章。各部分内容如下： 第一章：绪论部分，指出了选取该课题的背景和意义。 第二章：对高压m o s 功率器件进行了分析，确定了采用的器件结构，分析了器 件各部分参数对击穿电压和导通电阻的影响。 第三章：p w m 功率放大器电路的设计，包括了控制电路和驱动电路的设计。采 用c a d e n c e 的e d a 仿真工具，对电路进行了模拟仿真。 第四章：系统的工艺和版图设计。在p 阱c m o s 工艺的基础上，参照b c dt 艺， 对所设计的电路进行了工艺设计和版图设计，同时给出了版图设计中需要注意和考虑 的问题。 第五章：总结与展望。首先对本系统已经做的工作进行总结，进而展望接下来的 工作。 第二章高压m o s 功率器件的研究 第二章高压m o s 功率器件的研究 7 高压m o s 器件具有横向和纵向之分，纵向v d m o s ( 纵向双扩散m o s ) 所占芯片 面积小，但其漏极不在芯片表面，在芯片中需要通过深结扩散引出，而且l c 工艺中 经济实用的外延层厚度一般限制在2 0 u r n 以内，使得垂直型器件的耐压难以高于 2 5 0 v 。 横向器件的漏、源、栅极都在芯片表面，易于与其它电路相集成，并且耐压可以 做的较高，因而在高压功率集成电路中较为常用。l d m o s ( 横向双扩散m o s ) 具有理 想的开关特性和良好的安全工作区，并且制造工艺简单，成本低，易与低压c m o s 工艺相容。 本章重点讨论l d m o s 的器件结构以及器件各参数对其击穿电压和导通电阻的影 响，耐压可达7 0 0 v 。 2 1 器件击穿的理论分析 l d m o s 的反向耐压是高压器件研究中的一个关键问题，而雪崩击穿是器件反向 击穿的主要机理【1 1 。 2 1 1 碰撞电离 在p n 结两端施加反向偏置电压，如果电压比较高，使得耗尽层中存在较强电场， 载流子在很强的电场下运动时，在两次碰撞间由电场加速所积累的动能可能比禁带宽 度大。粗略讲，如载流子能量大于1 5 e g ( e g 为禁带宽度) ，则它与晶格碰撞有可能使 价带电子获得能量而激发到导带从而产生所谓二次电子一空穴对。这种过程称为碰撞 电离。 单位距离内由一个电子( 或空穴) 产生的二次电子一空穴对的数目称为电子的电离 率a n ( 或空穴的电离率) 口口。 2 1 2 雪崩击穿 碰撞电离使p n 结的反向电流增加。在没有碰撞电离的条件下，p n 结反向电流有 两种：一是由势垒区外部产生的少数载流子扩散到势垒区所形成的扩散电流；二是势 8 基于高压m o s 功率器件的高压集成电路的研究 垒区内部产生：复合中心产生电子一空穴对，电子和空穴向结两边运动形成复合电流。 如果p n 结中的电场足够强，以致电离率不能忽略的话，那么上述两种原生载流子( 或 叫初级载流子) 在势垒区中将产生电子一空穴对二次载流子。这种二次载流子同 样产生电流，而且它们本身还可能产生下一代的载流子，继续引起电流。载流子的这 种繁殖过程称为雪崩倍增。它使p n 结的反向电流大于原生电流。 耗尽区 辩 鏊 ：r i 一隧 ：j h 仅+ 筠隶 ：心l 、 x = o 叫缸h - - x = x d 图2 1 耗尽区甲载流于倍增引起的电流变化 根据理论计算可以得到下列式子： 1 - 击。r c x p 【0 ( 口，一q 协 式( 2 1 ) 其中m ，- 专戋譬为空穴的雪崩倍增因子 1 - 击。r q c x p 【( 川，协 式( 2 2 ) 其中m - 专晏等为电子的雪崩倍增因子。 如果式( 2 1 ) 右端接近于l ，则h 郇一，这代表极小的初级空穴电流可导致无穷大 的电流，这就是所谓由空穴发动的雪崩击穿。同样地，如果式( 2 - - 2 ) 9 5 端接近于1 ， 则发生由电子发动的雪崩击穿。这就是器件击穿的原因了，实际的击穿电压决定于哪 一种击穿条件最先发生。 采用l 晦界电场e c 来考虑高压器件的击穿问题。硅临界电场的定义是当器件层内 有某个区域的电场达到该电场e c 值时，就可认为器件发生击穿。雪崩击穿的表达式 如下： a d x 一1 式( 2 3 ) 其中，为耗尽区宽度，a 为载流子的碰撞电离率，从硅雪崩击穿的表达式来看， 第二章高压m o s 功率器件的研究 9 其积分项的贡献主要来自口在最大电场e m 及其邻近处的值，这样就限制了e c 变化： 如e m 稍低，则积分就会小于1 ；反之，则积分就会大于1 ，而击穿的条件为积分等 于1 。因此各种结的形式中电场分布虽然不同，但击穿时的e m 却差不多。将该电场 定义为临界电场e c ，能较好地反映实际情况并大大简化分析过程。 严格讲e c 不是一个常数，它随杂质浓度而变化，近似的经验公式可表示为 e - 4 0 1 0 1 胆不过，由于这种关系很微弱，可近似地将e c ( 对硅而言) 定为2 2 3 1 0 5 v c m 之间。当认为临界电场为一常数，如果器件的表面各点在器件击穿时都能 同时达到临界电场，此时器件的耐压v b 可达最大值：v b = e c xl d ，其中l d 为漂移 区长度，如图2 2 所示。 图2 2 理想的表面电场分布图2 3 实际的表面电场分布 实际情况是p n 结的表面曲率效应影响使得器件表面的最大电场出现在漂移区的 两端，表面电场并不能均匀分布，造成器件耐压难以达到理想情况，器件的耐压受到 限制，此时器件的表面电场如图2 3 所示。 由于电压是电场曲线下的面积，而击穿受限于最大电场不能超出临界电场e c 。因 此在各种结构中，要达到最大的击穿电压v b ，则电场分布应尽可能平坦，且平坦的 区域要尽可能地宽。对高压器件的表面电场己经有较好的解决方法，可以采用多种结 终端技术来解决，从而获得较均匀的表面。 2 2 结终端技术 对于平行平面结来说，我们可以通过改变掺杂浓度、浓度分布、结两边区域厚度 等常规手段来提高器件的击穿电压。但实际中我们使用平面工艺来制造器件，在硅片 上通过用光刻掩膜开窗口后做扩散工艺来形成p n 结，其结果是：在窗口中间大部分 地区，冶金结面近于平面，但在边、角之处，冶金结面近似于圆柱面及球面，这种结 称为平面结( p l a n a rj u n c t i o n ) 。 由于冶金结面在边、角处存在的曲率常导致器件表面电场比体内的高，因此实际 平面结的击穿电压比理想的平行平面结的击穿电压低，从而器件耐压常常由表面击穿 l o 基于高压m o s 功率器件的高压集成电路的研究 来决定。而且，当碰撞电离发生于表面时，电离过程所产生的热载流子易进入二氧化 硅，在那里形成固定电荷，改变电场分布，导致器件性能不稳定，可靠性下降 1 1 1 1 7 1 。 为此，对于有一定耐压要求的器件，不仅材料参数、结构参数等要选择得在给定 电压下不发生体击穿，而且还要采取一些特殊结构，使表面最大电场减小，表面击穿 电压符合要求。这些特殊结构称为结终端技术或简称终端技术( j u n c t i o nt e r m i n a t i o n t e c h n i q u e ，缩写为j 1 砷。常用的结终端技术有场板、场限环、斜表面、结终端扩展、 横向变掺杂等技术。同时，我们还可以充分利用器件特性，使击穿点由表面转移到体 内，从而使器件的击穿电压提高，如r e s u r f 技术及d o u b l er e s u r f 技术等。下面 就本文所用的结终端技术作一介绍。 2 2 1 场板技术 场板是为了降低曲率效应影响，用来提高器件表面耐压的常用方法之一，如图 2 4 ( a ) 所示，在p n 结反偏时，它可有效地降低p n 结的峰值电场，避免p n 结过早击 穿。 + v ( b ) 图2 4 场板技术 图2 郇) 是没有场板和有场板结构时表面电场的比较情况。从图中可以看出，没 有场板时p n 结的冶金结接口处出现一高电场峰值，很容易造成p n 结击穿；当应用 了场板后，p n 结的电场峰值大大降低。因为有场板时，一部分电力线从半导体的表 面出发终止于场板，相当于在结的表面引入了附加电荷，附加电荷的电场方向和原来 的空间离子电荷的电场方向相反，降低了结的电场。但附加电荷也造成在场板的边缘 第二章高压m o s 功率器件的研究 出现了一新的电场峰值。 场板边缘出现峰值电场的原因如下：n + p 结的场板有电力线从板向半导体发出， 在半导体表面有电力线进入，这等效于半导体表面有正电荷，它对电场的影响可看作 是无穷大的半导体中间增加了一层电荷，这些正电荷除产生垂直于表面的场外，也将 产生平行于表面的场。每一正电荷在其左边产生指向左的场，在其右边产生指向右的 场。所以在场板下面的多数区域内，正电荷产生的横向场是互相削弱。然而在场板的 边缘所有正电荷产生的横向场是互相加强的。结果在那里造成一个横向场的峰值。 为了避免场板边缘的电场峰值对器件击穿电压的影响，可采用斜场板和阶梯场板 结构。 2 1 3 场限环技术 场限环，又称浮空场限环( f l o a t i n gf i e l dl i m i t i n gr i n g ) ，该技术就是在p n 结附 近掺杂一个或几个环，如图2 5 所示。作为器件的p n 结称为主结，其周围的场限环 与主结及其它电极并无电接触。 当主结反偏压v 0 之值大到使耗尽区扩展到场限环时，环中的电子在电场作用下 将流入主结，使环由中性变成带正电荷，此正电荷分布在一个薄耗尽区内，正电荷在 表面产生的电场在主结到环的区域中与原有电场方向相反，因此使该区电场减弱；在 环的外侧区域则正好相反。其耗尽区变化如图2 6 中虚线所示，这样一方面使得主结 尖峰电场降低，同时在场限环右端引入另一尖峰电场，这样使得表面的最大电场降低。 在硅器件中，特别是在横向高压半导体器件中，常采用场限环以降低结表面曲率 效应引起的高电场，提高击穿电压。 v 0 图2 5 场限环技术 1 2 基于高压m o s 功率器件的高压集成电路的研究 2 2 3r e s u r f 技术 r e s u r t d l 】的直译为降低表面场( r e d u c es u r f a c ef i e l d ) ，r e s u r f 技术的大致 方法是先在衬底上做一个轻掺杂的外延层，然后在外延层上做器件，在器件达到击穿 电压前漂移区全部耗尽，表面电场分布更加平坦，从而改善表面击穿的特性，使击穿 点从表面转移到体内。 以r e s u r f 二极管为例来讲一下r e s u r f 的原理，如图2 6 所示： n 4 - 图2 6 r e s u r f 二极管 图2 7v = 3 7 0 v o l t 时表面击穿 图2 8v = 3 7 0 v o l t 未击穿 第二章高压m o s 功率器件的研究 图2 9v 豫= l l s o v o l t 体内击穿 在外延层厚度为5 0 , m 、反偏压为3 7 0 v 时，外延层并未全部耗尽，但此时表面电场强 度e s 首先己达到雪崩击穿临界电场强度e c ，故击穿发生在表面，击穿电压为3 7 0 v ( 见 图2 7 ) 。在外延层厚度为1 5 9 m ，反偏压为3 7 0 v 时，外延层仍未全部耗尽，表面电场 强度e s 和体内电场强度e b 均小于e c ，故此时末击穿( 如图2 8 ) ；当反偏压为1 1 5 0 v 时，外延层全部耗尽，体内电场强度首先达到e c ，故击穿发生在体内，击穿电压为 1 1 5 0 v ( 如图2 9 ) 。由此可见，在r e s u r f 二极管中，在外延层全部耗尽的情况下，由 于外延层耗尽区中的电场与衬底耗尽区中电场的相互作用，使得表面电场降低，从而 使击穿点由表面转移到体内。使器件的击穿电压提高。 2 3 高压l d m o s 器件结构 人们为了满足在不同领域中各自不同的电学要求如高速、高压、大电流或高压大 电流等各种需要，通过使用各种技术已经设计出多种多样l d m o s 结构，目前对于高 耐压功率m o s 的研究其主要设计与优化目标有两个：提高击穿电压和降低导通电阻。 目前，已研究出的高压l d m o s 结构有：普通的r e s u r fl d m o s 、具有埋层的 r e s u r fl d m o s 、有s i p o s 覆盖的r e s u r fl d m o s 、采用内场限环的l d m o s 、双 层浮空场板l d m o s 、普通双r e s u r fl d m o s 、掩埋降场层双r e s u r fl d m o s 、p 型横向变掺杂双r e s u r fl d m o s 和p 型多环结构双r e s u r fl d m o s 结构等。 d o u b l er e s u r f 技术1 1 4 】【1 5 】是目前横向高压器件设计中普遍采用的技术，在保证 器件高的击穿电压的前提下可获得比较小的比导通电阻。 2 3 1 器件结构分析 l d m o s ( 横向双扩散m o s ) 是用双扩散技术，在同一窗口相继进行硼磷两次扩 散，由两次杂质扩散横向结深之差可精确地确定沟道长度【1 1 。为了提高耐压，在有源 1 4 基于高压m o s 功率器件的高压集成电路的研究 区到漏之间有一个高阻层，此层在高漏电压下全耗尽，如同v d m o s 的外延层，此层 称为漂移区。 本文将对图2 1 1 所示的d o u b l er e s u r fl d m o s 结构进行具体的分析。同时由 于电子的迁移率比空穴高i 阍，为了获得较大的电流和较高的工作速度，一般的l d m o s 都是采用n 型沟道，因此主要针对n 型l d m o s 器件进行研究。在该结构( 如图2 1 0 和图2 1 1 所示) 中，由p 阱和源端n + 有源区扩散的结深之差形成所要的沟道长度，n 型外延提供漂移区n e p i 。并且栅端和漏端均采用了比较常用的场板技术。其中在p 阱中做了p + 重掺杂，以实现与金属之间的欧姆接触，防止闩锁效应的产生。 玢砂矽社劂恸 !剀 n 外延 也 蟊 疆 p衬底 图2 1 0 s i n g l er e s u r fl d m o s 如图2 1 0 所示，r e s u r f 结构由一个横向p + n 二极管( p 阱n 外延) 和一个纵向 p - n 二极管( p 衬底n 外延) 构成。此横向二极管决定了器件导通电阻的特性，此纵向 二极管则提供了维持高耐压的空间电荷耗尽区。r e s u r f 结构的基本原理由三个参数 来决定：衬底杂质浓度& s u b ) ，n 型漂移区即n 外延( 假设为均匀掺杂) 杂质平均浓度 ( n e p i ) 和n 外延的厚度( d n e p i ) 。因此n e p i 中积分电荷为q 印f - ，当q n e p i 在一定范围内时，纵向二极管在n e p i 侧的耗尽区与横向二极管在n e p i 侧的耗尽区连 接，使得横向二极管耗尽区宽度与没有p 型衬底横向二极管的耗尽区宽度相比有大幅 度的增加。因此在p + n 外延结处的横向电场比一维二极管的明显降低，从而可提高 器件击穿电压。要求在横向电场达到临界击穿电场前n e p i 漂移区全部耗尽，此时 r e s u r f 结构获得最大击穿电压。如图2 1 0 所示，n e p i 漂移区纵向耗尽区是由p 衬 底n 外延这一个结提供的，所以称之为s i n g l er e s u r f 结构，此时器件击穿特性主 要由n e p i 漂移区中积分电荷q n e p i 决定。 第一二章高压m o s 功率器件的研究 协力7 呀皿卫到恸 鞘、蚓。讲笋 ， 也 凝 图2 1 1d o u b l er e s u r fl d m o s 如图2 1 1 所示，在n e p i 漂移区中注入p 型降场层，此时n e p i 漂移区的纵向耗尽 区由p 衬底n 外延和p t o p n 外延两个结来提供，因此称之为d o u b l er e s u r f 结构， 即为本论文所要研究的结构。d o u b l er e s u r f 器件为了维持高的反向击穿特性，要求 在器件击穿前p 降场层( p t o p ) 和n e p i 必须完全耗尽。因此其n e p i 积分电荷q n e p i 增 加为s i n g l er e s u r f 时的两倍，从而有效降低器件导通电阻。 2 3 2d o u b l er e s r u f 的电荷平衡 r e s u r f 器件要求有严格的电荷控制，关键层电荷的变化将降低器件击穿电压， 使器件性能受到限制。如果不能采用严格的工艺控制和电荷平衡方法，满足一定耐压 的r e s u r f 器件工艺制各的重复性将变得很差。这种电荷平衡敏感性和其引起的击穿 电压变化也是d o u b l er e s u r f 器件设计的关键问题。实际上，在d o u b l er e s u r f 器 件中的p 降场层对其电荷控制要求更加严格，这无形增加了器件设计和制备的复杂程 度。 目前，器件设计师们通过调节优化工艺变量来满足器件版图设计的要求。这里将 通过简单的注入剂量的控制来研究d o u b l er e s u r f 器件的电荷控制容差范围。在满 足r e s u r f 原理的优化工艺容差范围内可以获得器件高的击穿电压。为了分析简便， 这里假设n e p i 和p 降场层- t o p ) 为均匀掺杂区。 s i n g l er e s u r f 器件结构如图2 1 0 所示，当漏端外加电压v d 时，横向二极管 ( p + n e p i ) 击穿电压为b v s r ， b 圪。等警 式( 2 4 ) 刎v 叫 纵向二极管( p s u b n e p i ) 在n e p i 一侧的耗尽区宽度为0 n e p i ， 螂，一爵 式( 2 5 ) 1 6 基于高压m o s 功率器件的高压集成电路的研究 虬一( 嵋+ 瑶) 4 由式( 2 5 ) 和( 2 - 6 ) 可得， 露叫彤) - 式( 2 6 ) 式( 2 - 7 ) 这里，占。为硅介电常数，e c 为硅临界电场，q 为电子电荷。为了满足r e s u r f 原理，获得最优器件性能，要求在横向二极管击穿前n e p i 漂移区纵向全部耗尽。由 于横向二极管处电场最高，即该处为低击穿点，满足这样的条件时该处的最大电场降 低，使得器件在其它比式( 2 - 4 ) 所述击穿电压还高的击穿点击穿。因此为了保证n e p i 漂移区纵向全耗尽，要求 d 叫p 匕) 2d 咧 式( 2 - 8 ) 这里d n e p i ( b v s r ) 是当击穿电压为b v s r 时，n e p i 漂移区的纵向耗尽层宽度。因此， 在s i n g l er e s u r f 器件中优化的n e p i 漂移区积分电荷一为 p 匕) = 将式( 2 4 ) 带入上式即可得 2 x 1 0 1 2 式( 2 9 ) 式( 2 一l o ) 由于在i c 工艺技术中为了获得合理的杂质浓度和结深，n e p i 漂移区杂质浓度必 须比p 衬底的杂质浓度高，即 p 柚。当厶时，由式( 2 1 0 ) 可以获得q n e p i 的理论上限值为 鳐m 1 4 x 1 0 1 2 式( 2 - 1 1 ) 同理，对于d o u b l er e s u r f 器件结构如图2 1 1 所示，p 降场层的杂质浓度需满 足 厶。此时，器件最低击穿点在横向n + p t o p 结处，此击穿电压为 b - 筹 式( 2 1 2 ) 如前所述，d o u b l er e s u r f 结构为了获得高的击穿电压，要求n e p i 漂移区和p 降场层全部耗尽。与s i n g l er e s u r f 结构一样，全耗尽要发生在横向n + p t o p 结雪崩 击穿前。因此，在d o u b l er e s u r f 器件结构中必须满足以下两个条件： 第二章高压m o s 功率器件的研究 1 7 1 ) d 脚p ) x 脚，这里d 脚p 吃) 是击穿电压为口吃时p 降场层纵向耗尽区 宽度，x 脚是p 降场层结深。 2 ) d 。，p ) + 以2 p 屹) ，这里d 。是p - t o p n e p i 结在n e p i 漂移区侧的纵向耗 尽区宽度，以：是p s u b n e p i 结在n e p i 漂移区侧的纵向耗尽区宽度。 条件1 ) 避免器件在横向n p - t o p 结处过早击穿，而条件2 ) 贝l j 保证器件不在横向 p + n e p i 结处过早击穿。因此，优化的p 降场层积分电荷- 彳脚和优化的 n e p i 漂移区积分电荷一d 叫可以改写成如下形式： ：2 x 1 0 1 2 一删2 + 式( 2 1 3 ) 式( 2 1 4 ) 在式( 2 - 1 5 ) 和( 2 - 1 6 ) 的基础上可以得到q p d f 和q n d r 的上限 q 署- 1 4 x 1 0 1 2式( 2 - 1 5 ) q # 一2 8 x 1 0 垃式( 2 1 6 )