（材料物理与化学专业论文）高压ldmos的参数优化设计.pdf

摘要 近年来，高性能l d m o s 在工业和军事领域得到广泛应用。随着技术指标的 不断提高，高性能l d m o s 的设计不但要求结构创新，也要求更有效率的设计方 法。 由于传统l d m o s 击穿电压与导通电阻的不兼容性，论文分别采用d o u b l e r e s u r f 结构和s u p e rj u n c t i o n 结构设计和开发7 0 0 vl d m o s 大功率器件。本文 提出的优化方案将两种不同结构的设计合二为一，不但缩短了设计时间，还降低 了开发风险。 论文详细解释了新结构如何在击穿电压与导通电阻之间实现平衡。从理论上 对d o u b l er e s u r fl d m o s 击穿电压与导通电阻的关系提出了新的解释。为进 一步改善开态性能，推出s u p e rj u n c t i o nl d m o s 的新结构。 为了提高设计效率，设计了一套新的结构参数优化方案。新的优化方案是在 传统r e s u r fl d m o s 的基础上开发的，保证了工艺的稳定性和开发成功率。 新结构中优化的工艺参数包括：衬底掺杂浓度、漂移区长度、横向隔离区 p b o d y 的掺杂剂量、漂移区深度、漂移区掺杂剂量、p t o p 注入层的掺杂剂量、 p t o p 长度、插入p 阱个数、p 阱掺杂剂量。根据每个参数对器件性能的影响大 小，安排优化顺序，逐个优化。提高了工作效率，缩短了设计周期。 论文工作使用s i l v a c o 软件进行器件模拟，结合优化方案得出各参数对器 件性能的影响，重点模拟了漂移区掺杂剂量、p t o p 注入层的掺杂剂量和长度、 插入p 阱个数和掺杂剂量，得出器件击穿电压为最大值时的一组参数。通过调整 参数，适当降低击穿电压以获得更低的导通电阻。 文中指出了两种新结构的工艺特点，为实际制造提供了参考。并通过模拟数 据说明了s u p e rj u n c t i o nl d m o s 的创新性和制造上的优势。 本文研究的器件结构经过模拟验证可以实现高压低阻的设计要求，已成功地 为上海新进半导体制造公司( s i m b c d ) 开发新产品做好前期的设计工作，并根 据生产条件，对工艺整合提出了参考意见。 关键词：横向双扩散场效应管，降低表面电场，s u p e rj u n c t i o n ，参数优化 中图分类号：t n 3 8 6 a b s t r a c t r e c e n t l y , h i g hp e r f o r m a n c el d m o sh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di ni n d u s t r ya n d m i l i t a r yf i e l d s w i t ht h eg r o w i n go fr e q u i r e m e n t ，h i g hp e r f o r m a n c el d m o s n e e di n n o v a t i o nb o t hi ns t r u c t u r ea n do p t i m i z a t i o n b e c a u s eo ft h ei n c o m p a t i b l eb e t w e e nb r e a k d o w nv o l t a g ea n do ns t a t e r e s i s t a n c eo fc o n v e n t i o n a fl d m o sa7 0 0 vl d m o sp o w e rd e v i c ew a s d e v e l o p e da p p l y i n g d o u b l er e s u r fa n d s u p e r j u n c t i o ns t r u c t u r e r e s p e c t i v e l y t h ed e s i g np e d o da n dd e v e l o pr i s kw e r er e d u c e db yo p t i m i z a t i o n r e s o l u t i o n p r o p o s e d ，w h i c ht h ed e s i g n o ft w od i f f e r e n ts t r u c t u r e sw e r e c o m b i n e dt o g e t h e r i nt h i sp a p e r ，t h ef a c t o fh o wt ob a l a n c eb r e a k d o w nv o l t a g ea n do ns t a t e r e s i s t a n c eo fn e ws t r u c t u r ew a se x p l a i n e de x c e s s i v e l y n e wt h e o r yo r lt h e r e l a t i o nb e t w e e nb r e a k d o w nv o l t a g ea n do ns t a t er e s i s t a n c eo fd o u b l e r e s u r fl d m o sw a sp r o p o s e d i no r d e rt oo p t i m i z eo ns t a t ep e d o r m a n c e ，a n e ws u p e rj u n c t i o nl d m o sw a sp r o p o s e d an e ws e to fo p t i m i z a t i o nr e s o l u t i o no fs t r u c t u r ep a r a m e t e rw a sp r o p o s e dt o e n h a n c ed e s i g n e f f i c i e n c y n e w r e s o l u t i o nw a sd e v e l o p e db a s e do n c o n v e n t i o n a lr e s u r fl d m o s w h i c hg u a r a n t e e d p r o c e s ss t a b i l i t ya n d d e v e l o ps u c c e s s p r o c e s sp a r a m e t e r so p t i m i z e di nn e ws t r u c t u r ea r e ：s u b s t r a t ec o n d e n s i t y 。d r i f t r e g i o nl e n g t h t h es i l v a c os o f t w a r ew a su s e d i nd e v i c e s i m u l a t i o n ，t h ee f f e c t o n p e r f o r m a n c eo fp a r a m e t e r sw e r eo b t a i n e d ，s i m u l a t i o nf o c u s e do nd r i f tr e g i o n d o s e ，p t o pd o s ea n dl e n g t h ，i n t e r s e c t e dp w e l ln u m b e ra n dd o s e ，r e s u l t e di na s e to fp a r a m e t e r sw h e nt h eb r e a k d o w nv o l t a g ei sm a x i m u m t h ej o w e r r e s i s t a n c ec a nb ea c h i e v e db ys l i g h t l ys a c r i f i c i n gb r e a k d o w nv o l t a g et h o u g h p a r a m e t e ra d j u s t m e n t t h ep r o c e s sc h a r a c t e r i s t i cl i s t e dc a nb er e f e r r e di np r a c t i c a lm a n u f a c t u r i n g t h ei n n o v a t i o na n dp r o c e s sa d v a n t a g eo fs u p e rj u n c t i o nl d m o sw e r e u n v e i l e db ys i m u l a t i o nr e s u l t t h ed e v i c es t u d i e di nt h i sp a p e rw e r ep r o v e dt os a t i s f yt h eh i g hb r e a k d o w nl o w r e s i s ts p e c b ys i m u l a t i o n ，w h i c hs u c c e e d e di n p r o d u c td e v e l o p m e n tf o r s i m b c d ，t h es u g g e s t i o no np r o c e s si n t e g r a t i o nw e r ea l s og i v e nh e r e k e yw o r d s ：l d m o s ，r e s u r f ，s u p e rj u n c t i o n ，p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n c l cn u m b e r ：t n 3 8 6 第一章功率器件的应用和发展 近年来，新型功率m o s 器件和以其为基础的智能功率集成电路( s m a r t p o w e ri c ，s p i c ) 随着微电子技术的进步而迅速发展起来，为各种功率变化和能 源处理装置提供了较为理想的开关器件和电路，使得电力电子装置的体积缩小、 效率提高，同时也促进了现代控制理论和智能控制在电力电子技术中的应用 i l l - ”。它们融功率半导体、信息电子学、超大规模集成电路( v l s i ) 、电机学和 计算机辅助设计( c a d ) 为一体，成为未来工业自动化、汽车制造业、航空航 天技术和其他高新技术工业的基础产业，为半导体工业引出了一个巨大的潜在市 场。目前，新型m o s 功率器件已进入实用化阶段，其研究开发着眼于提高器件 的工作频率和功率处理能力，主要集中于器件结构和性能的改进，并展开了新型 半导体材料功率器件的开发研制 4 1 书j 。与此同时，s p i c 的设计与工艺水平不断 提高，性能价格比不断改进，已逐步进入了实用阶段，成为实现功率电子装置小 型化、智能化、节能化的重要途径，尤其对军用装置性能的改进有着重要的意义。 七十年代后期，人们提出将功率器件与集成电路单片集成的功率集成电路 ( p o w e r i c ，p i c ) 。它减少了系统中的元件数、互连数和焊点数，不仅提高了系 统的可靠性，而且减小了体积、重量和成本。但由于双极型晶体管、g t o 和s r c 等的驱动电流大，驱动和保护电路复杂，p i c 的研究并未取得实质性进展【6 】。直 到八十年代，由m o s 栅控制，具有高输入阻抗，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 的出现使得驱动电路简单，且 容易与功率器件集成，才带动了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 价格比不断改进，p i c 逐步进入了实用阶段，广泛用于汽车电子、计算机、电机 控制和显示驱动等领域。 一般将具有高压结构的集成电路分为两大类：功率集成电路( p i c ) 和高压集 成电路( h i g hv o l t a g ei c ，h v i c ) 或智能分立垂直器件和智能功率集成电路 ( s p i c ) 1 8 1 1 ”。但随着p i c 的不断发展，他们在工作电压、工作电流、器件结构 ( 垂直或横向) 和电路功能等方面越来越难以严格区分，已习惯于将它们统称为 s p i c 。广义而言，s p i c 是控制电路与功率负载的接口电路，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的逻辑信号电平转换成足以驱动 负载的电压和电流电平。目前s p i c 的基本功能有功率控制、传感、保护及接口 等，其组成结构如图1 1 所示。 一一 一一 趣圈 l j 图1 i 一种s p i c 组成结构图 f i g1 1d i a g r a mo f a s p i cs t r u c 扎l r e s p i c 正逐步成为工业自动化、电力技术、汽车制造业以及通讯产业等领域 内的实用器件。迄今已有系列s p i c 产品问世。微电子技术与功率m o s 的发展 使s p i c 更具有吸引力。b c d ( b i p o l a r c m o s d m o s ) 2 2 艺的进步为智能功率技术 带来了突破性的变革，推动了面向系统的高智能功率技术的产生和发展。早期的 b c d 工艺采用4 , u r n 设计规则，9 5 年为1 2 p m ，目前正向亚微米级发展i i “。向 小尺寸发展并采用多层金属结构使功率器件的导通电阻降低，电流密度和效率提 高，提高了c m o s 电路的集成度，同时削弱了将s p i c 电路各单元集成在一起时 温度、压力的扩散和电势梯度带来的负面影响。与此同时，b c d 工艺向模块化、 灵活化发展，其基本工序标准化而混合工艺则由这些基本工序组合而成。当今 b c d 工艺中的c m o s 与纯c m o s 完全兼容，现有的图形单元库可以直接被混合 工艺电路调用。b c d 工艺的发展使许多复杂的功能可以集成，s p i c 的设计更加 灵活、方便，设计时间和费用大幅度减少。这样一来，出现了将微处理器，存储 器等系统的核心单元与接口、电源、保护、功率器件等单元单片集成的高智能化 功率系统，也即面向系统的高智能功率技术【l 。 s p i c 总的技术发展趋势是工作频率更高、功率更大、速度更快和功能更全。 目前s p i c 的主要研究内容为：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；开发高成品率、低成本工艺的研究；针对包括多个大功率器件的 单片s p i c 的研究：能在高温下工作并具有较好坚固性的s p i c 的研究，以便将 其直接嵌入设备内。s 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 2 路集成在同一芯片上，使之具备系统功能，进而实现单片是功率系统的集成1 。 s p i c 中的垂直型器件的击穿电压一般限制在2 5 0 v 左右【l ”，单片式功率系 统多采用为横向型m o s 功率器件。目前，单片式功率系统一般用介质隔离技术， 其工作电压和功率较低( 在6 0 0 w 1 k w 范围内) ，且生产成本较高，主要用于军 用和航空航天等领域，而大功率系统中主要采用由驱动和保护s p i c 与分立大功 率器件i g b t 或v d m o s 组成的智能功率模块( i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e s ，i p m ) 13 1 。因此，高性能的横向m o s 功率器件与m o s 栅驱动与保护s p i c 是当前s p i c 研究中的重要内容。其中，横向m o s 功率器件的研究目标是高压、大电流、高 速且具有自保护功能。目前常用的横向m o s 功率器件包括l d m o s 、s i n f e t 、 h s i n f e t 、l e s t 、l m c t 和l i g b t 等多种结构。l d m o s 适用于高频小电流领 域。 在航空、航天、先进的通信系统、武器系统等方面，由于工作在高频甚至微 波频率下，以及要求整机具有极高的可靠性、稳定性和尽可能小的体积，这时 s p i c 有着功率组件和功率模块无法替代的优势。s p i c 的典型应用是舰船领域， 美国海军正加速开展综合电力驱动系统( i d e ) 的研究。i d e 动力装置有便于灵 活布置、不受船体限制、噪声小、不易被探测等优点。新型功率器件和s p i c 是 i d e 的基础。预计今后几年s p i c 在军事领域的市场增长率将达到1 6 。s p i c 在 军事上广泛应用的同时，在汽车电子、计算机、工业自动控制、消费电子等民用 领域中也得到成功的应用，对解决能源匮乏、原材料资源紧张具有积极的作用。 s p i c 的市场十分看好，从1 9 9 2 年以来年平均增长率达到2 0 3 ，值得注意的是， 汽车工业对s p i c 的需求量正迅速增长，过去几年的年平均增长率达到3 2 5 。 s p i c 中通常需将5 0 1 2 0 0 v 的高压功率器件与低压模拟数字电路集成在同一 块芯片上。因垂直型器件的导通电阻远小于横向型器件，需要高压大电流是一般 选择垂直型器结构 1 4 l ，但整个芯片上只能集成一个功率器件。尽管采用n + 埋层 和n + 深阱隔离可以在同一芯片上集成多个垂直型功率器件，但提高器件击穿电 压通常需要降低其漂移区浓度，增大漂移区厚度，致使外延层厚度增大。经济实 用的外延层厚度般限制在2 0 o n 以内，垂直型器件的击穿电压也就难以高于 2 5 0 ve ”l 。为满足高击穿电压的要求，s p i c 中的功率器件一般采用源极、漏极、 和栅极都在芯片表面，与标准集成电路工艺相兼容，易于集成的横向高压m o s 类功率器件 第二章器件击穿原理和l d m o s 的基本结构 2 1 器件击穿原理 功率器件的击穿电压代表其性能的一种工作极限，而且击穿电压同最大正向 电流一起决定了器件的功率控制容量。本文中讨论的l d m o s 器件对电流的阻断 能力是靠一个反向偏置的p n 结承受外加电压而实现的。半导体中p n 结所能承受 的最高电压受到在“击穿点”处产生大量电子一空穴对的限制。这样的产生过程 的出现，既可能是因量子隧道机构( 齐纳击穿) 将电子从价带激发到导带，也可 能是由于碰撞雪崩电离，此时载流子在结的空间电荷区中被电场加速，直至获得 足够能量产生二次电子空穴对。在硅结的情况下，如果击穿电压在7 v 以下，齐 纳击穿效应占优势；而当击穿电压超过1 5 v 时，则以碰撞雪崩电离为主。由于 本文只研究7 0 0 vl d m o s ，所以下面将只讨论雪崩击穿原理。 要了解p n 结所能承受最大电压的能力，需要知道电离系数和电流倍增因子。 但是这些参数推导出的击穿电压只适用于半无穷结的情况。实际的器件的结必定 要进行适当的边界造型。以使其击穿电压尽可能接近半无限结所能达到的理想最 大值。 2 1 1 雪崩击穿原理 功率器件是靠反向偏置的p n 结中的空间电荷区承受外加电压来阻断电流 的。随着电压升高，空间电荷区中的电场与电压成正比地增强，注入到空间电荷 区里的一个自由电子或空穴，不管它是从中性区扩散过来的还是借助于禁带中的 复合能级产生的，当它穿过结的耗尽层时，都会被电场加速，随着电场的增强， 这些载流子在受光学声子散射的间隔内会得到足够的能量去产生二次“电子一空 穴对”。 可以用一个电离系数口来表征产生空穴电子对的这种过程。它被定义为一 个电子或空穴在每厘米距离被产生的空穴电子对的数目。电离系数是电场的函 数，对于硅中的电子和空穴而言，他们并不相等。口和e 的关系可从式( 2 1 1 ) 的经验公式 15 1 中得出 口= a e e ( 2 1 1 ) 式中，a 和b 为常数，对于电子来说，当1 7 5 1 0 5 e 6 0 1 0 5 v a m 。时 4 口= 7 0 3 1 0 5 c m - 1 b = 1 2 3 1 x 1 0 6 v c m 一1 。 对于空穴来说，当 1 7 5 1 0 5 e 4 0 1 0 5 v c m 。 时， a = 1 5 8 2 x 1 0 6 c m b ：2 0 3 6 1 0 6 v c m 。 z 6 1 电离系数同电场强度的关系示于图2 1 1 。电离系数同电场强度强烈正相关。 因此，在反向偏置的p n 结中，大部分碰撞电离将发生在电场分布的峰值附近。 根据这样的特点就可以定义个假定此时能发生击穿的临界电场。在精确的计算 中，应该在整个耗尽层宽度内将碰撞电离率进行积分，以求出击穿电压的精确值。 由于在低掺杂硅的耗尽层中，电场随距离变化得比较慢，于是，在相当大的距离 上，碰撞电离都变得很明显，如图2 1 2 所示，这种效应导致临界电场跟硅的电 阻率发生关系 1 “。i 立注意到临界击穿电场随着硅的电阻率增大而减小，不过， 这种减小是相当缓慢的。对于硅的电离系数存在一个f u l o p s 近似【1 7 】： a = 1 8 1 0 。e 7 ( 2 1 2 ) 这种近似在实际应用中被证明适用于突变的平行平面结、圆柱面边界的结和 球形边界的结。 图2 1 1 硅中电子和空穴的碰撞电离系数 f i g2 1 1c o m p a c t i o n i z a t i o nc o e f f i c i e n to f e l e c t r o na n d h o l e i ns i l i c o n 还可以通过定义一个倍增系数m 来建立有关空间电荷层中强电场下电流的 模型。倍增系数是指在耗尽层中某点处产生的单个初始的电子空穴对，在耗尽 层中再产生的电子空穴对的平均数目。那么，击穿就可以定义为倍增系数变为无 穷大时所发生的现象。可以看出，这个条件也就是发生在电离系数沿耗尽区的积 分变为l 的时候： x = 1 式中，w 为耗尽层宽度。 图2 1 2 硅结中的临界击穿电场 f i g2 1 2c r i t i c a lb r e a k d o w ne l e c t r i cf i e l do fs i l i c o nj u n c t i o n 1 1 蓬突变结和缓变结的击穿 一个突变结被定义为一侧的掺杂浓度非常高，另一侧是均匀衬底掺杂浓度 n 。的结，如果一个平行平面结的几何尺寸为半无穷大，那么泊松方程可以写成 娶：一塑：一盟( 2 1 4 ) 出2d x嬲。 、 7 式中，v 为所加的电压：e 为电场强度；q 为电子的电荷；。为衬底掺杂浓 度( 。一心) ；占为硅的相对介电常数，岛为真空的介电常数。利用耗尽层近似， 这个方程可以求解，从而给出 e ( x ) ：q n b ( x - w ) ( 2 1 5 ) s 占0 v ( x ) ：q n b ( = 2 w x 一- x 2 ) ( 2 1 6 ) 上s 、 式中，w 为耗尽层宽度。击穿的条件定义为电离率的积分等于1 。利用关于 电离系数的f u l o p s 公式，击穿时的耗尽层宽度吸为： 7 吸= 2 6 7 x 1 0 ”n 8 一i ( 2 1 7 ) 同时，突变的平行平面结的临界击穿电场可以表示为 e o p p = 4 0 1 0 n f i ( 2 1 8 ) 把击穿时的耗尽层宽度的表达式带入到式( 2 1 6 ) 中，就可以得到突变的平 面结的击穿电压： 3 b 巧= 5 3 4 1 0 ”b i ( 2 1 9 ) 这个值是一个理想的突变p n 结所能达到的最大击穿电压值。在图2 1 _ 3 中， 把它画成衬底掺杂浓度的函数，与此同时还画出击穿时的耗尽层宽度。这些数值 的正确性已经得到边缘磨成斜角而且加以钝化的p n 结实验数据所证实o ” 。实际 的器件中，往往由于器件边缘处的电场过强，使得观察到的击穿电压都比较低。 但是，一个理想的，或者说一个平行平面结的这些参数还是非常有用的，因为他 们指出了突变结里所能达到的击穿电压的上限。 ”擎。一一“亨 差 | 图2 1 3 硅突变结的击穿电压和最大耗尽层宽度 f i g2 1 3b r e a k d o w nv o l t a g ea n dm a x i m u md e p l e t i o nw i d t ho f a b r u p t j u n c t i o n 通过长时间扩散制成的结并不显示突变结的击穿电压。之所以发生这种现 象，是因为扩散的结果使结区产生一个掺杂剂量的浓度梯度。于是，结两侧的掺 杂浓度变得可以相比。把结两侧的掺杂浓度视为随距离而线性变化，就是对所说 的这种情况的一种近似。设掺杂浓度随距离的这种线性变化的斜率为a ，泊松方 程就可以写成： d 2 v ：d e 一q a x- - 一一- - 一 d 0教 e ) f 2 1 1 0 ) 正如曾对突变的情况做过的那样，对这个方程进行积分，就得到线性缓变结 的击穿电压： b = 9 1 7 x 1 0 9 玎“4 ( 2 1 1 1 ) 线性缓变结的击穿电压的变化示于图2 1 4 ，它是掺杂浓度梯度的函数。值 ；嘲l辨啦雹荦；阻牛昭牛譬斜猷 得指出的是，在线性缓变结中，电压是由结的两侧共同承受的，而在突变结中， 电压只由结的低掺杂侧来承受。 在实际的扩散结中，电压低的时候，耗尽层是在结的两侧扩展，它的性质类 似于一个线性缓变结。但是，在更高的外加电压作用下，耗尽层的展宽主要发生 在结的低掺杂侧。结的扩散侧能承受多少电压，取决于扩散剖面分布的梯度。表 面浓度比较低的深扩散结，比起表面浓度高的浅扩散结，扩散侧应该承受外加电 压的更大一部分。因此，要想使击穿电压提高到超过在突变结情况下所能达到的 值，重要的是，要做到表面浓度比较低的平缓扩散剖面分布。 出 脚 珠 柑 g 盘 _ 睁i ，搿 掣 秣 接杂傲度的黻lc - 图2 1 4 硅线性缓变结的击穿电压 f i g2 1 4b r e a k d o w nv o l t a g eo fg r a d c dj u n c t i o n 2 1 3 结的边缘造型 以上叙述的半无穷结，他们的掺杂剖面或者是突变的或者是线性缓变的，这 些结又都可以认为是平行平面结。但是，实际的功率器件中的结，尺寸都是有限 的，需要对其边界进行适当造型。人们发现，边缘造型的方法是特别关键的，因 为通常在边缘处总是观察到比在体内更强的电场。其次，由于表面处的电离率比 体内的高，在实践中有必要削弱同半导体表面平行的电场。换一种方式，就是可 以认为表面的临界击穿电场总是比体内的低。表面的临界电场跟结表面处的介质 性能有关。具有高介电常数和高介电强度的介质材料对取得较高的击穿电压是有 利的。 2 1 3 1 平面型结 采取掩蔽扩散，把p n 界局限在指定位置，是限制一个p n 结边界的一种最通 用的方法。这种结可以这样来制作：先对掩模刻出窗口，通过这个窗口把掺杂及 扩散到半导体中，从而形成一个平面结。对于矩形窗口，平面结的矩形边缘是被 圆柱形表面所包围，而在窗口的尖角处则是被球形表面包围起来。这里可以指出， 在结的这些弯曲边界处的电场要比起平行平面部分的电场强的多，并且这种结的 击穿电压会受到界的曲率半径的限制。 在圆柱形结的情况下，关于耗尽层中电压分布的泊松方程由下式给出： 一l _ d p 华) 一l _ d ( r e ) ：一盟删1 2 )r 谢谢rd r “ 对于一个曲率半径为r ，的突变结，这个方程的解为 e ( r ) ：些( 生蔓) ( 2 1 1 3 ) z s s “ r 和 v ( r ) ：婴 ( 华) + 曙l n 白】( 2 1 1 4 ) z s z r ， 式中，一为耗尽层边界的曲率半径。为了求得这个结的击穿电压，必须利用 上面给出的电场分布来求电离率的积分。用上述方程无法得到封闭形式的解析 解。但是，可以对电场分布提出某种比较好的近似，设有下面的形式”1 ： e ：= k ， ( 2 1 1 5 ) 由于只有在电场强的地方才发生碰撞电离，故这种近似是合适的。在圆柱形 结的情况下，对于r 小的地方，这种近似是正确的，此处电场沿径向随距离成反 比变化。在电离率的积分中，采用近似条件式( 2 1 1 5 ) ，就得出圆柱形结的临界 击穿电场为 e 。圆柱：( 1 t 8 1 8 x l o s ) v ) f 2 1 1 6 ) 利用该临界电场，就可以得到圆柱形结击穿电压的表达式。为方便起见，以 归一化的形式表示这个击穿电压，即把它除以由方程( 2 1 9 ) 给定的平行结的击 穿电压。于是，可以导出表达式： 畿= 圭【( 彘) 2 + z ( 套；+ 2 ( 争；h ； ( 2 ，l 肿) 可以看到，归一化的击穿电压只跟结的曲率半径与理想平行平面结击穿时的 耗尽层宽度之比有关。根据衬底掺杂浓度，通过方程( 2 1 7 ) 和( 2 1 9 ) ，可以 计算出平行平面结的击穿电压及其耗尽层宽度，于是，任何已知曲率半径的圆柱 形结，其击穿电压都可以利用方程( 2 1 1 7 ) 来计算。 对于球形结的情况，也可以进行类似的分析1 1 9 1 。在这种情况下，耗尽层的 泊松方程可以写成为 专昙( r 2 警) 一7 1 面dp 2 司- 尝_ ( 2 ，t s ) 对于突变结，该方程的解为 附) = 尝( 孚) ( 9 ) 和 矿( ，) ：= q n b 。 ( 、三二) + 右( 土一( 2 1 2 0 ) j s 、2r jr 式中，r ，和0 分别为结和耗尽层边缘的曲率半径。同圆柱形结的情况类似， 碰撞电离同电场强烈相关，因而主要发生在靠近冶金界的地方，这样就可以做出 以下近似，以便于解电离率的积分 e ( ，) ：了k ( 2 1 2 1 ) 于是，可以得出击穿电场为 瓦球：业孳堕 0 7 ( 2 1 2 2 ) 利用这个临界电场连同方程( 2 1 , 2 0 ) ，有可以得到击穿电压。在一次用平行 平面结的击穿电压对这个击穿电压归一化，得到 茄羔= 【( 兹) 2 + 2 1 4 ( 彘) ；一【喏) 3 + 3 ( 彘) 孚】；) ( 2 1 - 2 3 ) 该函数关系也表示在图2 1 5 上，以简化对球形结的击穿电压的计算。根据 图2 1 5 所表示的解，球形结的击穿电压显著低于圆柱形结的击穿电压。所以， 在功率器件的设计中，必须特别留心避免造成球形结。例如，消除扩散窗口的任 何尖角，就有助于实现这种要求。此外，尽管扩散结的击穿电压比突变结的高， 一个类似的击穿电压归一化表达式还是可以使用的j 2 0 j 。 图2 1 5 具有球形、圆柱形和电场环几种边缘造型的硅片平面型扩散结的归 一化击穿电场 f i g2 1 5n o r m a l i z e db r e a k d o w nv o l t a g eo f p l a n ed i f f u s e d j u n c t i o no f s p h e f i c n c y l i n d e ra n d f i e l dr i n g 。 2 1 3 2 带电场环的平面型结 提高平面型结的击穿电压的通用方法之一，就是采用如图2 i 6 所示的电场 环 2 1 1 。器件的这种边缘造型不必增添任何工序就可以制成，因为只要在扩散掩 膜上提供一个适当的窗口，就可以同主结一起，把环绕主结的电场环同时制造出 来。电场环应该这样来设计，即当主结的电场达到临界击穿值之前，就让主结的 耗尽层“穿通”到浮动电场环上。穿通之后，电压再有所提高，就将主要由该浮 动电场环分担。结果，主结的电场就不会像不设电场环时那样急剧增强。一方面， 如果浮动电场环布置在靠主结过近的地方，那么当外加电压比较低的时候就会发 生耗尽层穿通，结果大部分外加偏压将转移到浮动电场环上，击穿电压就会受电 场环处结的曲率所限。另一方面，如果浮动电场环配置得离主结过远，那么转移 给电场环承受的电压只是一小部分，而主结的电场就已经增强到其临界击穿值 了。所以，电场环的最佳分布在于从理论和应用上都达到最高的击穿电压口”。 把最佳配置的浮动电场环加到平面型扩散结的边界，将显著提高它的击穿电 压。带最佳配置浮动电场环的平面型结，其击穿电压也可以归一化，也就是把它 的击穿电压除以用具有相同掺杂水平的材料制成的平行平面结的击穿电压。对曲 率半径小的结，因附加浮动电场环而给击穿电压带来的改善是非常显著的。但是， 如果结的曲率半径给平行平面结击穿使得耗尽层宽度接近，那么，通过附加电场 环给击穿电压带来的改善就很有限了，这样做也许是不合算的，环绕器件的电场 环额外地占据了器件的面积。 f l o a t i n gf i e l dr i n g 。 ：= = 兰：= 办蟛 - - - - - - 一， ， 纂煞= 一二一7 7 a r e rb r e a k d o w n门 图2 1 6 具有单个电场环的平面型扩散结 f i g2 1 6p l a n ed i f f u s i o n j u n c t i o nw i t hm o n of i e l dr i n g 2 1 3 3 带场板的结 无论理论模型还是实验研究都证实，设置一个场板来控制表面附近的电位， 可以提高平面型结的击穿电压f 2 ”。这种提高是由于有效地增加了耗尽层的曲率 半径所致。然而，靠采用单独的场板所实现的击穿电压的提高，等于加到场板上 的偏压。其结果是，这种技术要求采用第二个偏压源，而且击穿电压的这种提高 还是很有限的，除非在场板上施加很高偏压。以上这些情况使这种技术在功率器 件上的应用只有十分有限的作用。作为替代，可以采用一个浮动场板，这样就省 去了第二个偏压源。这种结构示于图2 1 7 。浮动场板沿着氧化层表面配置，成 为一个等位面。此等位面的位置和宽度要视场板相对于平面型结边缘的位置以及 电场屏的宽度而定。关于这些参数对结的击穿电压的影响所作的两维计算机模拟 表明，采用一个浮动场板使击穿电压所能达到的提高，可以同采用一个最佳配置 的电场环所能达到的效果相比 2 4 1 。 ”。“1 。”“。 l _ ：! e ：l 蔷继t t j ! z 9 1 日棚i 矿 n 图2 1 7 具有一个浮动场板的平面型扩散结的边角造型 f i g2 1 7 e d g es h a p eo f p l a n ed i f f u s i o n j u n c t i o n w i t l l a f l o a t i n g f i e l d f l a r e 2 2l d m o s 的基本结构 2 2 1 高压m o s 的种类 高压m o s 管从结构大致分为两类，垂直型和横向型。 常见的垂直m o s 管是d m o s 和v m o s ，它们的结构如图2 2 1 所示 g a t e c r o s ss e c t i o no fd | o sc r o s ss g c t i o no l rv i o s 图2 2 1 垂直型高压m o s 管结构 f i g u r e 2 2 1v e r t i c a lp o w e rm o s f e t s t r u c t u r e 垂直m o s 管的电流在器件表面和底部之间纵向流过，因此它的电极分布在 硅片的上下表面。垂直m o s 管的优点是开关速度高和输入阻抗大，但它的缺点 更加明显：电极不在同一表面导致生产困难；器件没有隔离结构不适于集成。 横向型高压m o s 管主要为横向双扩散m o s 管( 1 a t e r a ld o u b l e d i f f u s i o n m o s f e t ) 即l d m o s 。图2 2 2 为l d m o s 的普通结构。l d 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决 定沟道长度。为了提高耐压，在有源区到漏之间有一个高阻层，此层在高漏电压 下全耗尽，称为漂移区。 由于l d m o s 在工艺上很容易实现2 u m 的沟道长度( 2 u r n 线宽的工艺线) ， 故跨导g 。，漏极电流l o s ，最高工作频率，和速度都较一般m o s 有大幅度的提 高；高阻漂移区的存在提高了击穿电压，并使漏源两极之间的寄生电容得以减小， 这有利于提高频率特性。再者，漂移区在沟道与漏区之间起着缓冲作用，从而使 l d m o s 的短沟道效应得以削弱。由于漂移区是高阻区，。的绝大部分降落在 漂移区上，故在沟道夹断后，基本上没有沟道长度调制效应，从而在y 。增大时， 输出电阻不会降低，并使沟道区也不致穿通。这样l d m o s 的击穿电压将不会受 沟道长度和掺杂水平的限制，可以独立设计。 c r o s ss e c t i o n0 fl d l l 0 s 图2 2 2 l d m o s 结构 f i g u r e 2 2 2l d m o ss t r u c t u r e 第三章r e s u r f 和s u p e rj u n c t i o n 技术 3 1r e s u r f 技术 r e s u r f ( r e d u c e ds u r f a c ef i e l d ) 即降低表面电场技术是一种广泛用于横向 高压低阻器件设计的技术。应用r e s u r f 技术可以将耐压范围从2 0 v 至1 2 0 0 v 的高压器件与双极型和m o s 管集成在一块芯片上。 垂直型器件使用低掺杂的厚外延层以实现高电压击穿，但是研究表明在更薄 的外延层上通过横向隔离扩散工艺制造的器件可以获得更高的击穿电压，原理是 漂移区的二维耗尽降低了表面电场。r e s u r f 效应的最优条件是漂移区注入剂量 q q 约等于1 1 0 ”a t c m 2 。1 9 7 9 年，j a a p p e l s 等人提出了成熟的r e s u r f 技术 【2 5 】1 2 “，在理论上可以制造出击穿电压在1 2 0 0 v 以下的器件，同时导通电阻相对 较低，而且还可以和双极型和m o s 管集成在块芯片上。应用此技术设计的高 压二极管如图3 1 】所示。器件制作于p 衬底( i 7 j 0 1 4 c m 4 ) 上，衬底上面是n 外延层6 1 0 1 4 c m 一，外延层左端被p + 扩散区隔离。这个二极管因此可看成是由 两个二极管构成：由n p + 边界构成的横向二极管；由n - p 一边界构成的纵向二极 管。当外延层厚度为5 0 u r n 时，二极管击穿电压是4 7 0 v ，最大电场在n 一p + 边界 表面。外延层厚度减为1 5 u r n 时，横向耗尽区受纵向n - p 结的影响，即二维耗尽 效应，表面电场被降低，二极管击穿电压是1 1 5 0 v 。电场有两处最大值，第一个 在n 一p + 边界，器件表面；第二个在n + n 结的拐角，体内。两个峰值间的电场分 布平坦。只要横向距离足够大，击穿就将发生在器件体内的n + 区域。 图3 1 1r e s u r f 二极管结构 f i g3 1 1 c r o s ss e c t i o no f ar e s u r fd i o d e a b 图3 1 2 两种外延厚度不同的二极管的电势( 虚线) 和电场分布( 表面和侧 面实线) ( a ) 5 0 啪外延层，击穿电压= 3 7 0 4 7 0 v ；( b ) 1 5 u r n 外延层，击穿电压 = “5 0 v f i g3 1 2 p o t e n t i a l ( d a s h l i n e ) a n d e l e c t r o n i c f i e l d ( s u r f a c e a n ds i d e l i n e ) d i s t r i b u t i o no f v a r i o u so ( a ) f w 2 5 0 u r n ，b v 2 3 7 0 4 7 0 v ；( b ) 0 2 1 5 u m ， b v = 1 j5 0 v 最佳的外延层掺杂浓度可以通过下式近似计算，前提是在横向结击穿之前 纵向耗尽层已经到达了表面 观= 蔫b ，m 黟o ( 疗一) = 将( 3 1 1 ) n 。p l l ：t o p t ) 厂1 面r 、而磊晤瓦了 式代入( 3 1 2 ) 式得 ：生 q 、n + n m ( 3 1 2 ) ( 3 1 3 ) 硅的击穿临界电场e c = 3 1 0 5 v c m ，将二极管的参数代入( 3 1 t 3 ) 式得 0 ，= 9 x l o “册，由此得出外延层单位面积电荷量的近似值 譬：1 x l o t ：c 川- 7 。在其他参数不