（微电子学与固体电子学专业论文）高压功率半导体开关器件结终端的比较研究.pdf

摘要 摘要 本文主要研究高压功率半导体器件的结终端技术。利用仿真手段设计与验证 了四种适用于1 7 0 0 v 功率器件的结终端，包括场限环( f l r ) 、具有偏移场板的 场限环、结终端延伸( j t e ) 、深槽( d t ) 等。其中，场限环终端利用双曲线法得 到；具有偏移场板的场限环终端利用现有的结构对环宽、环间距、场板长度等参 数做适当的调整得到优化的结构；结终端延伸结构是通过调整注入区的注入剂量、 注入区长度、注入区结深等参数实现：深槽终端是在深槽中填充低介电常数电介 质，通过调整深槽的宽度与深度实现的。对这四种结终端技术在漏电流与击穿硬 度、面积效率、终端效率、对界面电荷的敏感程度和动态下对结终端的影响等方 面做了分析比较。 仿真结果显示，这四种结终端技术各有优缺点。场限环终端的面积效率与终 端效率都较低，分别为8 0 2 与8 1 3 ，对界面电荷比较敏感，界面电荷密度增 大到1 1 0 c m 2 时击穿电压下降了7 4 8 ，击穿电压随着d v d t 的增大而减小； 具有偏移场板的场限坏终端的面积效率与场限环终端相近，对界面电荷不太敏感， 同样的界面电荷条件下击穿电压下降6 0 2 ，动态下击穿电压基本保持恒定；j t e 终端面积效率居中，达到8 6 6 4 ，终端效率比场限环稍高，达到8 1 1 ，对界面 电荷比较敏感，击穿电压随着d v d t 的增大而增大；深槽终端面积效率与终端效 率最高，分别为9 3 7 和9 5 1 8 ，对界面电荷不太敏感，击穿电压随着d v d t 的 增大而增大。在四种结构中，深槽终端的各项特性都比较好，但需要刻蚀深槽， 工艺上较难实现。 关键词：结终端；面积效率：终端效率；界面电荷；d v d t a b s t r a c t a b s t r a c t t h ea i mo ft h i sp a p e ri st or e s e a r c ho nj u n c t i o nt e r m i n a t i o nt e c h n i q u e so fh i g h v o l t a g ep o w e rs e m i c o n d u c t o rd e v i c e s f o u rk i n d so f j u n c t i o nt e r m i n a t i o n ( 17 0 0 v ) a r e d e s i g n e dt h r o u g hd e v i c es i m u l a t i o n ，i n c l u d i n gt h ef i e l dl i m i t i n gr i n g ( f l r ) ，t h ef i e l d l i m i t i n gr i n gw i t ho f f s e tf i e l dp l a t e ，t h ej u n c t i o nt e r m i n a t i o ne x t e n s i o n ( j t e ) a n dt h e d e e pt r e n c h ( d t ) t h ef l rs t r u c t u r ei sd e s i g n e dt h r o u g hb v - d i s t a n c ec u r v e ；u s i n ga n e x i s t i n gs t r u c t u r ea n dr e g u l a t i n gt h ew i d t h so fr i n g s ，d i s t a n c eb e t w e e nr i n g sa n d l e n g t ho fp l a t e s ，t h ef l rw i t ho f f s e tf i e l dp l a t es t r u c t u r ei sa c h i e v e d t h ej t e s t r u c t u r ei sa c t u a l i z e dt h r o u g ha d j u s t i n gi n j e c t i o nd o s e ，l e n g t ha n dd e p t ho fi n j e c t i o n z o n e t h ed ts t r u c t u r en e e d st of jl lt h et r e n c hw i t hl o wp e r m i t t i v i t yd i e l e c t r i ca n d c h a n g et h ew i d t ha n dd e p t ht oa c h i e v et h eb r e a k d o w nv o l t a g en e e d e d f o u rs t r u c t u r e s a r ec o m p a r e di nl e a k a g ec u r r e n t ，a r e ae f f i c i e n c y , e f f i c i e n c yo fj u n c t i o nt e r m i n a t i o n ， i n f l u e n c eo fi n t e r f a c ec h a r g ea n dd y n a m i cb e h a v i o r t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a te a c ht e r m i n a t i o ns t r u c t u r eh a sm e r i t sa n d d r a w b a c k s t h ea r e ae f f i c i e n c ya n dt e r m i n a t i o ne f f i c i e n c yo ft h ef l rs t r u c t u r ea r el o w , t h e f o r m e ri s8 0 2 a n dt h el a t t e ri s8 1 3 ，t h i ss t r u c t u r ei ss e n s i t i v et oi n t e r f a c ec h a r g e ， w h e nt h ei n t e r f a c ec h a r g ei n c r e a s et olx10 11 c m 2 ，t h eb r e a k d o w nv o l t a g ed e c r e a s e 7 4 8 ，a n dt h eb r e a k d o w nv o l t a g ei n c r e a s ea sd v d ti n c r e a s e ；t h ea r e ae f f i c i e n c yo f t h ef l rw i t ho f f s e tp l a t es t r u c t u r ei sc l o s et of l r s t r u c t u r e ，a n dt h i ss t r u c t u r ei sn o t s os e n s i t i v et oi n t e r f a c ec h a r g e ，a tt h es a m ei n t e r f a c ec h a r g ec o n d i t i o nt h eb r e a k d o w n v o l t a g ed e c r e a s e6 0 2 u n d e rd y n a m i cc o n d i t i o nt h eb r e a k d o w nv o l t a g ek e e pt h e s a m e t h et e r m i n a t i o n e f f i c i e n c yo fj t es t r u c t u r ea c h i e v e s8 6 6 4 ，t h ea r e a e f f i c i e n c yi s81 1 w h i c hi sh i g h e rt h a nf l rs t r u c t u r e t h i ss t r u c t u r ei ss e n s i t i v et o i n t e r f a c ec h a r g ea n db r e a k d o w n v o l t a g ei n c r e a s ea s d v d t i n c r e a s e ；t h ea r e a e f f i c i e n c ya n dt e r m i n a t i o ne f f i c i e n c yo ft h ed ts t r u c t u r ei st h eh i g h e s t ，a c h i e v i n g 9 3 7 a n d9 5 18 ，t h i ss t r u c t u r ei sn o ts os e n s i t i v et oi n t e r f a c e c h a r g ea n d b r e a k d o w nv o l t a g ei n c r e a s ea sd v d ti n c r e a s e t h ep r o p e r t i e so ft h ed e e pt r e n c h s t r u c t u r ei ss u p e r i o r , b u tt h i ss t r u c t u r en e e d st oe t c hd e e pt r e n c h e sw h i c hi sn o te a s yt o r e a l i z e d k e yw o r d s ：j u n c t i o nt e r m i n a t i o n ；a r e ae f f i c i e n c y ；t e r m i n a t i o ne f f i c i e n c y ；i n t e r f a c e c h a r g e ；d v d t 独创性声明 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的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业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 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 型芝：! ：窭 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：l 拯乒导师签名： 日期： 第1 幸绪论 1 1 引言 第1 章绪论 在过去的几十年中，随着功率电子( 也称电力电子) 的发展，功率半导体器 件也经历了快速的技术变革。早在五十年代初，第一只双极结型晶体管研制成功， 到五十年代末第一只晶闸管才真正进入商业领域，从而使电力电子器件达到了应 用阶段，也标志着固态电力电子技术的开始。从那以后的几十年中，功率半导体 器件物理和工艺技术方面的突破，使得功率器件得到了突飞猛进的发展。从晶闸 管( s c r ) 、双极功率晶体管( b j t 或g t r ) 、到最近静电感应晶体管及晶闸管( s i t 、 s i t h ) 、绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 、功率m o s f e t 和包括智能器件在内的功率 模块技术如i p m 等m o s 栅功率器件的发展获得了巨大的进步，有力的促进了电 力电子应用的迅速增长，其应用领域包括工业、商业、家用、运输、公用事业、 航空和其他包含新一代发电系统的新兴领域【lj 。图1 1 展示了功率半导体器件的 发展进程。 粗略的说，硅功率半导体器件大致可以分为以下四个有代表性的发展阶段。 五六十年代作为第一代大功率半导体器件的晶闸管，给变流技术带来了革命性的 突破，但它最大的不足是没有自关断能力，在许多应用场合必须采用强迫关断措 施，这就大大增加了变流装置的成本。另外，它的开关频率较低，一般只能满足 工频需要。七十年代，有自关断能力的第二代大功率半导体器件发展起来。其主 要代表是可关断晶闸管( g t o ) 、双极大功率晶体管等，它们有较高的开关频率 和简单的控制方法，在各种大功率自动控制装置中得到了广泛的应用。到了八十 年代，第三代大功率半导体器件发展起来，使电力电子技术中使用的工作频率可 以提高到几十千赫兹以上，因而电力电子装置的能量利用效率得到大幅度提高， 成本大幅度下降。典型的器件有功率m o s f e t 、静电感应晶体管和晶闸管、双 极静电感应晶体管( b s i t ) 、绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 和m o s 控制晶闸管 ( m c t ) ，它们有更高的开关频率。九十年代以后，出现了把驱动保护电路也集 成到模块中去的第四代功率器件，构成了“智能化”的功率模块( i p m ) ，使功率 装置不但缩小了体积更方便了设计制造。 研究和发展功率半导体器件的目的就是为了实现电能的高效传输、转换及其 过程中的有效控制。它在工业、商用、民用、航空和军事等方面得到广泛的应用 和发展。我国当前面临的能源短缺问题，正在努力建设节约型社会，节约用电、 高效用电、合理用电正成为迫切的时代要求；同时面临新科技革命的挑战，国家 间的科技竞争同趋激烈，努力掌握电力电子学的核心技术也是我国国民经济发展 北京t 业人学t 学硕f 学f 口论文 的客观需要。 1 9 5 01 9 7 01 9 8 0 1 9 9 0 iiii 不可控锁 广三端双向s c r 定器件 l 品i 司管c 品闸管 - l 旦闹咎 ， 日日l ￥日 一一一- i 光触发 i 一口口l f 吕一 l 一一一一一一一一。 n l n 一 - 一一一一一一一一一。 u l u 一 可控非锁 -，一slth一一一一 - - s i t 7 一- 定器件 - b j t 模块 i r u t pu jj l 天贝 bb j t 模块一 功率m o s f e t m o s 栅控 i 、卜一t o 率m i 天罗 i v l i 模块 器1 _ ，| ：和功 、小鞋习 1gbt-模块 ii 率模块 l i p m i l 一。一一。一。一一一- 一功率i c 新的m o s 栅器件 图1 1 功率、t - 导体器件发展进程 f i g1 一ld e v e l o p m e n to fp o w e rs e m i c o n d u c t o rd e v i c e s 在功率电子学领域，功率半导体器件作为关键部件，其特性对系统性能的实 现和改善起着至关重要的作用。功率半导体器件最主要的特点之一是其阻断高压 的能力。根据应用场合的不同，硅器件的击穿电压可以从用于电源的2 5 v 以下 到用于电力传输和分配的6 5 k v 以上。 器件阻断高压的能力主要取决于器件结构中特定p n 结的反偏击穿电压。p n 结外加反向偏压时，从p 区抽取的电子流和从n 区抽取的空穴流的密度都很小， 在空间电荷区电场中漂移的载流子不断与晶格发生碰撞，两次碰撞之间的自由程 内受电场加速而获得动能。随着反向电压的增大，空间电荷区电场增强，载流子 获得的动能也因而增加。当能量高到一定数量值时，通过碰撞将价带电子激发到 导带，产生一对电子一空穴对，这个过程口l 做碰撞电离。新产生的电子及空穴在 电场中沿相反的方向漂移，也将从电场中获得能量并实现电离，产生第二对电子 第1 章绪论 一空穴对。如此连续繁殖导致电子流和空穴流密度迅速增大，这种现象叫做雪崩 倍增。雪崩击穿是由雪崩倍增引起的，雪崩击穿是限制功率器件最大工作电压的 主要因素i 2 j 。 在功率器件中，受p - n 结弯曲或p n 结终止处表面非理想因素的影响，反偏 p - n 结击穿电压又受限于发生在表面附近或结弯曲处局部区域相对于体内平行平 面结提前出现的击穿现象。结终端就是为了减小局部电场、提高表面击穿电压及 可靠性，使器件实际击穿电压更接近平行平面结理想值而专门设计的特殊结构。 在纵向导电器件中它通常分布在器件有源区的周边，是有源区内用于承受外高压 的p - n 的附属结构；而在横向器件中，由于承压p n 结两端的电极通常设置在同 一表面上，所以用于提高耐压的结终端部分则往往分布在有源区范围内。 1 2 影响击穿电压的几个因素 理想的器件击穿电压是指p - n 结为平行平面结的情况，由于没有考虑结终端 效应的影响，这时器件的击穿电压仅由器件掺杂浓度和衬底厚度等器件参数所决 定。但是，由于实际器件的情况，以及生产工艺流程中某些因素的影响，使得实 际器件的击穿电压要低于理想平行平面结的击穿电压。 1 2 1 平面工艺p n 结扩散对击穿电压的影响 随着平面扩散工艺的发展，通过氧化层掩膜进行有选择的杂质扩散可以在一 块晶片上制造很多器件。平面工艺在越来越多的半导体器件制造中得到应用，功 率半导体器件的制造也不例外。采用这种器件制造技术时，由于杂质不但从表面 向内部做纵向扩散，同时也沿水平方向做横向扩散，如图1 2 所示。因此实际形 成的p n 结面并不是真正的平面，仅在扩散窗口内可以看成是平行平面结。例如 用矩形掩膜窗口形成的结面，包含平面、柱面和球面三部分，如图l 一3 所示。 平行平面部分的电场分布为一系列的平行线，而结终端处的电场分布与平行 平面结部分不同。因为结的两侧必须满足电中性要求，结面的弯曲就导致了结面 处电场的集中。因此弯曲处的电场强度就可以在较低的反向电压下达到击穿的临 界电场强度，从而使p - n 结比理想的平行平面结提前发生击穿。所以结面弯曲常 使击穿电压降低。由图1 4 可见，结深越浅时曲率半径越小，电场越容易在结终 端弯曲处积聚，击穿就越容易发生。现在日益得到广泛使用的第三代功率半导体 器件，如功率m o s f e t 、i g b t 等大多数为浅结器件，因此结终端的形状器件耐 压有很大的影响【j j 。 北京t 业人学t 学硕 j 学化论文 s i 0 2 l 露黝缓缀缀溯暖磁猫缓搿嬲 7 j j 上孓 图l - 2 杂质的纵向与横向扩散 f i g1 - 2v e r t i c a la n dh o r i z o n t a ld i f f u s i o no fi m p u r i t y 图1 3 结弯曲效应 f i g1 - 3j u n c t i o nc u r v a t u r ee f f e c t 1 2 2 界面电荷存在对击穿电压的影响 结区域 结区域 结区域 一般的，电子在硅中的迁移率要比空穴在硅中的迁移率高很多，因此通常的 半导体器件都是以n 型硅作为衬底，功率半导体器件也不例外。在器件的生产工 艺流程中，多次氧化的氧化过程( 主要是热氧化) 使得氧化层中不可避免地存在 一些正电荷。这些电荷一般可以归为以下四种基本类型。这些正电荷包括沾污引 起的n a + 等可动f 电荷，以及s i 0 2 层中过剩硅离子形成的固定氧化物电荷等。 由于这些正电荷的位置非常靠近s i s i 0 2 界面( 一般与界面的距离只有几十 纳米) ，且衬底为n 型，这将在硅衬底的近表面处形成一个由氧化层指向硅衬底 的垂直电场，这一电场与表面处耗尽层电场的合电场将在p - n 结外侧的硅表面处 第l 币绪论 积聚，同时耗尽层的形状在表面收缩变窄，如图1 5 所示。当给器件加反偏压时， p - n 结外侧硅表面处的场强会高于其它地方( 甚至高于结弯曲处的场强) ，过强的 表面电场将导致器件表面击穿，所以器件的击穿电压与无界面电荷存在的理想平 面扩散结相比会有所降低。 浅结时的情况 s h a l l o wj u n c t i o n 深结时的情况 d e e pj u n c t i o n 图1 4 不同结深电场集中效应 f i g1 - 4e l e c t r i cf i e l dc r o w d i n ge d g e so fd i f f e r e n tj u n c t i o nd e p t h 图1 5 界面电荷对击穿电压的影响 f i gl - 5i n f l u e n c eo fi n t e r f a c ec h a r g eo nb r e a k d o w nv o l t a g e 界面电荷对击穿电压的影响也可以形象的解释为：由于界面电荷的存在使n 型硅中的电子( 多子) 向表面聚集，从而表面的电子浓度高于体内，表面电阻率 随之降低，所以耗尽层将会在这里收缩变窄，击穿可能在器件表面提前发生。 1 。2 3 杂质在si 、si0 ：中具有不同的分凝系数对击穿电压的影响 对于一般功率半导体器件来说，其衬底一般为n 型硅。当掺有杂质的硅( n s i ) 在进行热氧化过程中，靠近s i s i 0 2 界面处的s i 中的杂质会在界面两侧的s i 和 s i 0 2 中进行再分布，造成这种情况的原因是杂质在s i 和s i 0 2 界面处的分凝系数 不等于1 。杂质在s i s i 0 2 界面处的分凝系数定义为m - 聊= 旦c ( 1 。) s i a ， 其中：c s i 和c s i 0 2 分别为系统处于平衡时杂质在s i 和s i 0 2 中的浓度。实验测定， 对磷、砷等n 型杂质，分凝系数m 1 0 t 引，即平衡时杂质在s i 中的浓度远高于 s i 0 2 中的浓度。所以，在热氧化生长过程中，被氧化的表面硅层中所含有的n 型杂质( 如磷) 会因为分凝作用而被部分地排出s i 0 2 层，积聚在s i s i 0 2 界面附 近的s i 中，这种n 型杂质的再分布作用会使硅中表面处杂质浓度进一步升高， 耗尽层会在器件表面进步收缩变窄，器件的击穿更容易在表面发生，这样的结 果是器件的击穿电压会进一步降低。 1 3 本文研究的主要内容及意义 本文主要利用仿真工具i s e t c a d ，对现代功率半导体器件常用的几种结终 端技术包括场限环( f l r ) 【5 】、具有偏移场板的场限环1 6 j 、结终端延伸( j t e ) 1 7 】 1 8 1 ，及最新报道的深槽结( d t ) 【9 】 i o 】构终端进行仿真和优化，为1 7 0 0 v 高压功 率设计高效终端结构，在此基础上对这几种终端结构的漏电流与击穿硬度、面积 效率、终端效率、界面电荷对四种终端影响程度、不同的d v d t 对四种终端结构 特性的变化进行比较。本研究的意义在于通过比较总结这几种终端技术在高压功 率器件应用中的优缺点，为高压功率器件结终端的选择提供指导方向，并为合作 单位设计高压终端提供技术准备。 其中，漂移区浓度及厚度、p 阱深度及浓度的选择参考了文献 1 1 】中1 7 0 0 v 场限环结构，本文中四种终端结构都是以此为基础进行仿真的。 1 4 本章小结 本章介绍了功率半导体器件的发展进程及影响功率半导体器件击穿电压的 几个因素，并对本研究的主要内容及意义进行了简要的概括。 第2 章结终端技术及j e 新发展 第2 章结终端技术及其新发展 由于平面结终端区结弯曲造成的局部场强增大，以及热氧化使表面区域杂质 浓度升高( 指p + n 结) 使平面结的终端区电场强度远高于体内，因而平面结击穿 电压远低于理想的平行平面结。为了尽量减小甚至消除器件表面及结终端弯曲部 分对器件击穿电压的不利影响，提高器件的耐压，就必须采取各种改进措施。这 些措施的理论依据、有效程度、制造工艺以及它们之间的相互配合已经发展成为 一门专门的技术结终端技术。 结终端大致可分为延伸型和截断型两大类，也有少数结构是二者的结合。前 者是在主结边缘处( 常是弯曲的) 设置一些延伸结构，这些延伸结构实际上起到 将主结耗尽区向外展宽的作用，从而降低其内的电场强度最终提高击穿电压。这 类终端通常用于平面工艺，如场板( f p ) 眩j 【乃j 、场限环( f l r ) 、结终端延伸( j t e ) 、 横向变掺杂( v l d ) u 4 1 5 】、阻性场板【1 6 1 ( 如掺氧多晶硅( s i p o s ) 1 7 】【1 8 1 ) 、r e s u r f f l 9 】 等。而截断型终端则是用湿法腐蚀曲面槽、划片及引线焊接后的边缘腐蚀、圆片 的边缘磨角、干法刻蚀深槽等手段，将p - n 结截断并利用截断的形貌影响表面电 场分布，再结合良好的表面钝化实现表面击穿的改善，通常适用于台面或刻槽工 艺。 2 1 延伸型终端及其新发展 2 1 1 场板 最早的场板结构是1 9 6 7 年a s g r o v e 等人提出的偏置场板结构，这种结 构需要在场板上加独立的偏置。1 9 7 2 年，f c o n t i 等人改进了偏置场板，做出 了现在广泛使用的偏移场板。后来又出现了高电阻率阻性场板、多级场板、多段 浮空场板和与其他结终端技术( 如场限环) 结合使用的场板等技术。 2 1 1 1 偏移场板 通常偏移场板是连接主结的覆盖在硅表面s i 0 2 层上的金属或者掺杂多晶硅 极板，通过在场板上加偏压可以使耗尽层沿着表面向主结外侧扩展，以此来提高 击穿电压。金属场板与多晶硅极板制造非常简单，其中金属场板可以与器件电极 一起形成，在功率m o s 和i g b t 工艺中，多晶硅极板可以与m o s 栅极一起制 作，无需增加单独的工艺步骤。偏移场板对介质中电荷的吸引作用，使得采用这 种终端技术的器件对界面电荷( 尤其是可动电荷) 不是很敏感。这一技术的缺点 北京t 、l p 人。弩厂亨：帧i 学位论义 在于场板边缘处场板与硅之间电位差很大，所以此处电场强度较大，击穿容易在 较低电压时提前发生，而且有可能发生在表面处，对介质层有较高的要求。因此 单独使用这一技术不适合于要求较高击穿电压的分立器件，而仅适用于较低耐压 的分立器件及功率集成电路1 6 j 。 2 1 1 2 高电阻率阻性场板 由于偏移场板会在场板的术端产生高电场，这就限制了击穿电压的提高。针 对这一情况，1 9 7 2 年，c l a r k 等人【1 4 】提出了利用高电阻率的多晶硅覆盖于高电场 区的氧化层上，该场板的两端分别与主结和沟道截止环相连。在反偏时，多晶硅 中的电位分布是从主结到沟道截止环近似线性上升，而s i s i 0 2 界面处s i 表面电 位分布却上升得更快些，这样就消除了普通的偏移场板术端的高电场，使得沿 s i 表面的电场强度分布变得平坦，且任何处场板电位都低于s i 表面，这对增 加表面处p - n 结耗尽区的宽度是有利的。因此，击穿电压能够得到提高。 s i p o s 在氧s i p o s 在氧用p s g 化层之j ：化层之下代替 _ 。一 ，i 。一 一一j _ _ 一， 一 刖p 选 n 图2 1 三种s i p o s 晶体管截面 f i g 2 - 1c r o s ss e c t i o no fat r a n s i s t o rw i t hs i p o s s i 0 2 p s g s i 0 2 m a t s u s h i t a 基于这一原理在1 9 7 5 年提出了s i p o s 技术i i 7 j l l 引。s i p o s 是通过 c v d 或者p e c v d 在硅表面淀积掺氧或者掺氮的多晶硅薄膜。由于这种薄膜的半 绝缘性，一方面起上述阻性场板的作用，另一方面对钝化也有贡献。电荷不会在 s i p o s 层中积累而是在界面缓慢的放电，当掺氧的多晶硅薄膜中存在可移动的离 子时，在硅表面将产生相反的电荷，这些电荷会漂移进钝化层，然后中和掉。掺 氮的多晶硅薄膜可以阻止水汽禾i n a * 进入硅界面。当掺氮浓度较高时，其作用类 似于s i 3 n 4 。在s i 0 2 层上淀积s i p o s 薄膜，可以阻止高电场下s i p o s 薄膜的击穿。 1 9 8 5 年am i m u r a 等人研究了s i 0 2 一s i p o s ( o ) 一s i 0 2 ，s i p o s ( o ) - s i p o s ( n ) - s i 0 2 ， s i 0 2 一磷硅玻璃( p s g ) s i 0 2 三种终端结构的晶体管，如图2 1 所示。测试结果显 示位于s i c h 层上的s i p o s 结构的因场板效应而具有最高的b v c b o ，b _ b v c b 0 与f 层 热氧化的s i 0 2 厚度无关。这种结构比s i p o s 位于底层的结构具有更小的精电流， h k 也得到了改善。 根据实际制造的结果采用s i p o s 结构作为终端结构的器件其击穿电压可 达几千乃至上万伏。由于电荷沾污少，因而可靠性很高，所以这一技术非常适 合高压器件的制造。但是s t p o s 技术制造工艺复杂，且生产过程参数( 掺氧比 例) 不易控制。 1 9 9 4 年，k o i c h ie n d o 等人口”把高电阻率多晶硅做成卷轴状( s c m o ls h a p e ) 覆盖于高电场氧化层上，并将其两端连接到电极，形成一种卷轴型阻性场板 ( s r f p ) 如图2 2 所示。利用多晶硅中微小的漏电流来改变表面电势的分布，得 到场板下耗尽区的扩展和电压梯度的均匀分布。这种卷轴型场板与传统的阻性场 板相比有更高的终端效率，例如文献2 1 1 中传统的终端耐压只能达到2 8 0 v ，而采 用了这种卷轴型终端耐压可以增n n s s o v 。与s i p o s 终端相比，这种结构能实现 更好的工艺兼容。 p 图2 - 2 卷轴型场饭 f i g2 - 2s c r o l ls h a p e dr e s i s t i v ef i e l dp l a t e 2113 多级场板 使用偏移场板做结终端时，结终端区域电压阻断能力与介质层的厚度密切相 关，均匀厚度介质场板结构下电场分布并不平坦限制了器件耐压的提高。因此 北京t 业人亨：t 学硕i ! 4 t 论义 理想的场板结构为由主结向外介质逐渐变厚的斜坡形。但由于斜坡形的场板结构 在工艺上很难实现，故可以采用多级场板结构来实现【2 2 】【2 3 】。多级场板的简单模 型是有源区向外场板下氧化层厚度像台阶一样逐级增加，实际的实现可根据情况 做巧妙安排，以便与制造工艺更佳兼容。例如文献 2 2 】( 1 9 8 2 年) 中的多级场板 结构，第一级与第二级场板是通过覆盖在热氧形成的氧化层上的掺杂多晶硅场板 形成，第三级场板是覆盖在s i 0 2 淀积层上的金属铝场板形成，如图2 3 所示。 此图中功率m o s 在d s 承受高压时，g s 之间是短接的。1 9 9 0 年，t l a s k a 2 4 j 最 早研制n p t - i g b t 时就利用这种多级场板结构提供2 0 0 0 v 的终端，并且在场板 区注入n 电荷提高体浓度，以此来提高击穿电压。 图2 3 多级场板 f i g 2 - 3m u l t i - s t e pf i e l dp l a t e 浮空场板 p 衬底 图2 4 多段浮空场板 f i g 2 - 4m u l t i p l es t e pf i e l dp l a t e 2 1 1 4 多段浮空场 t t e r a s h i m a 等人1 2 5 l 在1 9 9 3 年提出了一种应用于6 0 0 vi c 的多段浮空场板终 端结构。该结构由一多晶硅层和一铝层组成，中间以s i 0 2 层隔开，且多晶硅层 是分段的，如图2 4 所示。两端的两段多晶硅与主结相连，中间几段多晶硅与铝 第2 币结终端技术及j c 耵f 发联 曼曼曼曼i l l 曼曼曼曼曼曼! 皇曼曼罡曼蔓量曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼皇曼曼! 曼曼曼曼曼曼皇皇曼曼曼皇! 曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼! 曼曼皇曼鼍曼 层都处于浮空状态，这样就形成了一个耦合电容。这个耦合电容使电压沿着多晶 硅与铝层逐渐下降，且浮空的场板能够减小两端场板末端的电场强度。因此，多 段浮空场板能够补偿硅表面电场。仿真结果显示，多段浮空场板能够使硅表面电 场强度降低3 0 。试验结果表明，多段浮空场板终端效果要明显优于传统的单级 场板，且对连接主结的第一段场板长度不敏感。t t e r a s h i m a 又于1 9 9 5 年对这种 结构做了改进，将铝层也做成分段的，得到了耐压超过1 0 0 0 v 的l d m o s f e t 和 i ，i g b t l 2 6 。 2 1 2 场限环 场限环技术是目前功率器件中“古老的”最为普遍采用的一种终端技术之一。 它的工艺非常简单，可以与主结一起扩散形成，无须增加工艺步骤。场限环的结 构如图2 5 所示，当反向电压加的电极上时，随着所加反压的增大，主结的耗尽 层向外扩展。主结和p l + 环距离的选取为主结在雪崩击穿之前，p l + 环穿通。这样 就减小了主结附近的最大电场，反向电压的继续增加由p l + 环承担，直到耗尽层 穿通了p 2 + 环。主结与场限环的间距、结深、环的宽度及环的个数都会影响到击 穿电压的大小。如果间距选取的合适，使得主结与环结的电场强度同时达到临界 击穿场强，则可以获得最高的击穿电压。一般的，击穿电压随着环的个数的增加 而增大，但并非线性增加。环的个数越多，占用芯片面积越大，设计时应考虑环 个数与击穿电压大小。尽管这种终端使用了很长时间且为广大技术人员所熟知， 但此技术在近些年获得的改进与新发展仍然值得关注。 0 i t ：1 二- ， ：。? + ，砂；甲 r 一：乡飞蔓j ； 一耗尺篡度一，j j f 乡，h 道轰止环 二。篓警二：鎏，7 n + 北京t 业人学t 学硕l 学位论文 2 1 2 1 与场板相结合的场限环 文献 3 】给出了场限环与偏移场板相结合的终端结构，但仅限于一个场板， 且此场板位于最外层环上。1 9 9 1 年，y i l m a z i t 6 】对这种结构做了改进，使每个场 限环上都有一个偏移场板。这种结构结合了场限环和偏移场板的优点，不仅可以 达到较高的击穿电压，而且有较好的可靠性。这种技术的缺点仍然是对结深要求 较为严格。如果采用多个环时，每个环上场板长度的确定也是一个难点。 1 9 9 2 年，r y us a i t o h 等人f 2 7 】比较研究了场限环、具有偏移场板的场限环、覆 盖s i p o s 薄膜的偏移场板场限环结构。结果显示第三种结构的终端虽然比前两 种的漏电流大些，但可以实现更高的击穿电压。场限环与具有偏移场板的场限环 结构的击穿电压分别为1 5 0 0 v 与1 9 0 0 v 左右，而增加覆盖了s i p o s 薄膜后击穿 电压可以增加到约为2 4 0 0 v 。 1 9 9 3 年s l k o s i e r 等人【2 8 】提出了一种适用于功率集成电路的场板与场限环相 结合的终端结构。与偏移场板场限环不同的是这种结构的场板只有一个，从主结 出发完全覆盖在场限环的上方，并向两侧延伸，如图2 6 所示。研究显示这种结 构能够实现8 8 的平行平面结击穿，比单独使用场限环或场板都要高。 图2 - 6 用丁功率i c 的场板与场限环结合结构 f i g 2 - 6t e r m i n a t i o nw i t hf i e l dp l a t ea n df i e l dl i m i t i n g ；r i n gu s e di nd o w e ri c s 2 1 2 2 减小表面电荷影响的的改进结构 氧化层界面电荷会对表面电势产生很大影响，使击穿电压降低。为了解决这 个问题，1 9 9 9 年，s u b h a sc h a n d r ab o s ej v 等人【2 9 】【3 0 1 提出的具有p + 偏移区的轻掺 杂场限环，利用这种结构能够减小表面电场，相邻环之间的穿通电压也能够得到 优化，阻断电压的能力和结终端的可靠性得到提高，如图2 7 所示。实验结果显 示，实现1 8 0 0 v 耐压，这种结构比传统的场限环结构从主结边缘到末端环的距离 第2 辛结终端技术及j e 新发股 要多6 0 “m ，但其饱和耐压会从1 8 0 0 v 提高至1 2 4 0 0 v 。另一种场限环的改进结构为 2 0 0 0 年t r a j k o v i c 等人【3 i 】提出的深p + 环与浅n 环、浅p 环相连的结终端结构，如图2 8 所示。浅n 环的作用是防止氧化层中负电荷在表面形成空穴反型层，浅p 环的作用 是减小氧化层中的正电荷在表面形成的电子积累层形成的电场尖峰。如果界面电 荷的极性已知( 例如正电荷) ，就可以选用一种类型的浅环( 浅p 环) 。这种结构 已经成功的应用于耐压1 4 0 0 v 的终端，且随着耐压的提高这种结构的终端效率也 会进一步提高。 图2 - 7 具有p + 偏移区的轻掺杂场限环结构 f i g 2 - 7f l rs t r u c t u r ew i t hal i g h t l yd o p e dp - w e l la n das h a l l o wo f f s e tp r e g i o n 图2 - 8 场限环改进结构 f i g 2 - 8i m p r o v e m e n to ff l rs t t u c t u r e 2 1 2 3 浅槽场限环 2 0 0 6 年，m i n w o oh a 等人提出了一种在场限环一侧加浅槽的终端结构 如图2 - 9 所示。这种结构的工艺与槽栅i g b t 工艺兼容，浅槽可以与槽栅一并用 1 3 北京t 、l k 人学t 学硕卜学位论文 反应离子刻蚀来实现，槽中填充的s i 0 2 是刻蚀槽后利用化学气相淀积来形成的， 比后面要介绍的深槽结构终端更容易实现。文献 3 2 研究了场限环结深为5 9 m ， 槽深分别为2 5 9 m 、3 9 m 、3 5 9 m 的情况，结果显示槽深为3 9 m 时能够实现更高 的耐压。分别选用5 、6 、7 个槽时能实现的耐压分别为9 3 8 v 、1 0 4 2 v 、1 1 5 6 v ， 采用七个槽时终端区的长度为1l8 9 m ，丽普通的7 个环的场限环结构耐压仅为 1 0 5 6 v ，终端区长度却为1 3 2 9 m ，在不牺牲击穿电压的情况下这种结构比传统的 场限环结构的终端区长度能够减少1 5 , - - 2 1 。 2 1 2 4 螺旋p 型环 u 严剀 w i t hs i 0 2 n + c a t h o d e 图2 - 9 浅槽场限环终端结构 f i g2 - 9s h a l l o wt r e n c hf l rs t r u c t u r e 另一种形式上与场限环极为相似的终端结构为螺旋p 型环结构。1 9 9 2 年，v m a c a r y 等人i j3 j 在理论上研究并比较了偏置环( b i a s dr i n g ，通过在相邻两环之间 设置电阻，并使最内环通过电阻与主结相连，最外环通过电阻与衬底相连，最终 在每个环上都施加有依次增大的特定偏压) 与场限环结构，发现这种偏置环结构 对坏间距与界面电荷不敏感。1 9 9 6 年，d e j a nk r i z a j 基于这一原理提出了螺旋p 型 环终端1 3 4 儿3 5j 。与上述偏置环不同的是这种结构通过宽度逐渐减小的连接阳极与 阴极的螺旋形扩散电阻构成，如图2 1 0 所示。反偏时，通过螺旋形电阻的漏电流能 够使电势沿表面线性上升，改变了表面的电场分布，有效降低主结附近电场集中。 采用这种结构耐压能够达至i j l 3 0 0 v ，实现9 2 的平行平面结击穿电压。这种螺旋p 型环结构，实质作用相当于阻性场板，因其截面形貌与场限环相似而且也起到电 场限制作用，虽机理有所不同，仍将其归于此类。 ! ：i ：! ! ：堡些! 螺 c a t h o d e 图2 - 1 0 螺旋形终端结构 f i g 2 - 1 0s p i m lt e r m i n a t i o ns t r u c t u r e 2 12 53 dr e s u r f 场限环 吲2 - 1i3 d r e s u f r 结构图 f i z2 - 1 13 d r e s u r fs t r u c t u r e 3 d r e s u r f ( 也称m u l t i r e s u r f 3 7 1 ) 的原理与超结( s u p e r j u n c t i o n ) 原理相似， 只是将纵向结构改为横向。3 d - r e s u r f 场限环是通过在浮空p 环之间交替排列的 更高掺杂的p ，n 相间的漂移区形成的，如图2 一i l 所示。这些交替的漂移区会在终端 区图中z 轴方向上产生一个r e s u r f 效应，使得产生的耗尽区电场为矩形，而没 有这种交替排列漂移区形成的耗尽区电场为三角形，这样就大大提高了相邻两环 北京t 业人学q - 学硕l 学 论文 之间所承受的电压，降低了电场尖峰。采用这种结构解决了困扰高压器件设计中 结终端区面积过大和器件制作过程中引入的界面电荷所引起的雪崩耐量退化的 的问题。这种结构的i 迮s u r f 区域是通过离子注入实现的，因其注入区厚度较薄， 所以比纵向超结器件更容易实现。2 0 0 1 年，