遼寧大學(xué)學(xué)報JOURNAL OF LIAONING UNIVERSITY自然科學(xué)版Natural Sciences Edition第33卷第3期2006年Vol.33 No.3 2006VDMOSFET的終端優(yōu)化設(shè)計孫嘉興楊穎林爽(遼寧大學(xué)物理系遼寧沈陽110036)商要主要介紹了VDMOSFET的終端優(yōu)化設(shè)計,討論了已有終端結(jié)構(gòu)中的場環(huán)、場板技術(shù),工作原理.以-種新型的高頻VDMOSFET與模擬柵相結(jié)合的結(jié)構(gòu)為例詳細(xì)討論了場板在減少反饋電容、提高器件的擊.穿電壓、降低導(dǎo)通電組、改善跨導(dǎo)、提高輸出電阻、改進(jìn)安全工作區(qū)方面的理論機(jī)制及作用.關(guān)鍵詞:VDMOSFET結(jié)終端擊穿電壓中圖分類號:TN861 .3文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A .文章編號:1000-5846( 2006 )03-0228-04能力.對于VDMOSFET這種結(jié)構(gòu),反偏電壓的擊1簡介穿主要是以突變結(jié)PN結(jié)的雪崩擊穿方式?jīng)Q定VDMOSFET一直以來都因其較高的可靠性和的,而且由于沒有少子貯存效應(yīng),不存在二次擊成熟的制造技術(shù)而應(yīng)用于寬頻和射頻方面.由于穿,因此簡化了擊穿特性的研究.他們的高電壓容量,VDMOS 器件仍然在大功率射要提高VDMOSFET的輸出功率需要提高漏頻應(yīng)用中處于主導(dǎo)地位.但場控器件的終端結(jié)構(gòu)源擊穿電壓,所以提高擊穿電壓的問題在功率設(shè)計一直是提高器件擊穿電壓增加VDMOS功率MOS管的制造中占有重要地位4-6].提高M(jìn)OS管控制量的關(guān)鍵技術(shù).已開發(fā)的高壓終端結(jié)構(gòu)有1]的擊穿電壓主要在于提高漏襯PN結(jié)雪崩擊穿電表面成形技術(shù)21、電場限制環(huán)技術(shù)3]、場板技術(shù)[4]壓和漏源勢壘穿通電壓提高漏源勢壘穿通電壓結(jié)表面擴(kuò)展技術(shù)[51、耗盡區(qū)腐蝕法等其中場板技主要是通過加入一個P+區(qū)來解決.要提高PN結(jié)術(shù)可用常規(guī)平面工藝實現(xiàn),且工藝簡單,占用面積雪崩擊穿電壓主要在于增加漏漂移區(qū)長度減少小提高耐壓效果明顯是一種改善表面擊穿特性漏區(qū)濃度這可以通過外延層最佳化解決.但在一常用的有效方法.本文將介紹場板、場環(huán)的結(jié)構(gòu)，般的MOS管結(jié)構(gòu)中，實測的擊穿電壓總是低于平并以-種新的模擬柵VDMOSFET結(jié)構(gòu)為例,說明坦PN結(jié)的擊穿電壓，這是因為實際形成的PN結(jié)場板的功能.此種結(jié)構(gòu)的模擬柵是在有源柵之間的結(jié)面是彎曲的.結(jié)面彎曲對PN結(jié)的擊穿特性的其功能是作為場板去減少漏極與柵極間的反有很大影響.因為在-定的電壓下,隨距離變化的饋電容.這種結(jié)構(gòu)還有-個低的導(dǎo)通電阻,-一個改電場強度在結(jié)面彎曲處更加集中,這樣此處就可善的跨導(dǎo),一個高的輸出電阻和改善的安全工作在較低的反向電壓下達(dá)到足以擊穿的臨界電場,區(qū).使PN結(jié)比理想的平面結(jié)提前發(fā)生擊穿,即擊穿2雪崩擊穿及漏源穿通電壓中國煤化工導(dǎo)體表面也存在彎曲CNMHG大于體內(nèi)最大電場，因漏源擊穿電壓BV。規(guī)定為V。=0時漏源間此邊介元肥時衣面仔仕有強電場器件的耐壓常所加的最大反偏電壓,它表征了器件的耐壓極限常由表面擊穿來決定,還有由于二氧化硅中存在作者簡介:孫嘉興( 1966-)男,吉林通化人遼寧大學(xué)高級實驗師,從事電子技術(shù)研究.收稿日期2005-11-25第3期孫嘉興,等 :VDMOSFET的終端優(yōu)化設(shè)計229表面玷污的固定正電荷改變了半導(dǎo)體中的電場分和場板長度L的優(yōu)化組合才能使場板發(fā)揮作用布,導(dǎo)致器件性能不穩(wěn)定,可靠性下降.為此對于否則對于一定的介質(zhì)層厚度ts 如果場板長度Lp有一定耐壓要求的器件不但材料參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)過短則半導(dǎo)體表面耗盡區(qū)得不到有效展寬,擊穿等要選擇在給定的電壓下不提前發(fā)生體擊穿,而發(fā)生在靠近主結(jié)處.而場板長度L,過長場板上且還要采取-些特殊結(jié)構(gòu)使表面最大電場減小,的感應(yīng)電荷又會使場板邊緣處的峰值電場加強,表面擊穿電壓符合要求. VDMOSFET各個元胞在使擊穿發(fā)生在場板邊緣處.此外,設(shè)計過程中還需表面處于基本相同的電位元胞之間不存在擊穿考慮實際工藝情況及芯片面積的利用狀況.現(xiàn)象但在邊界元胞與襯底外延層之間存在著高.下面以一種新的模擬柵VDMOSFET(DG-壓.結(jié)終端處理的目的就是降低平面結(jié)終止區(qū)局.VDMOSFET)為例,見圖2.具體解釋場板的作用.部強電場以提高表面擊穿電壓耐量.-般我們采這種結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不同點在于:除了把柵極取場板、浮場限制環(huán)和深結(jié)擴(kuò)散等辦法來實現(xiàn).分裂成兩部分覆蓋溝道區(qū)域之外,--個虛擬的柵極被放在有源柵之間.3簡單場板結(jié)構(gòu)SourceCateSoure單場板結(jié)構(gòu)由結(jié)接觸的金屬延伸超過P*N結(jié)構(gòu)成適用于平面工藝形成的擴(kuò)散結(jié)場板下的介質(zhì)層起著分壓的作用,控制著引入半導(dǎo)體表面電場的強弱,因此場板結(jié)構(gòu)能夠有效改善靠近表面的耗盡區(qū)的造型,有效地控制表面電荷從而提高擊穿電壓.以N溝VDMOS 為例，當(dāng)管子正常工N作時,柵極上施加正電壓,于 是場板電壓大于零,因此表面耗盡層的擴(kuò)展和電力線的分布趨向于緩和，如圖1所示.。DrainG圖2a)傳統(tǒng)分 裂柵極VDMOSFET結(jié)構(gòu)GalcDummv Cale GateSourcx1PN-N+圖1簡單場板結(jié)構(gòu)及電力線分布圖2b)模擬柵極VDMOSFET結(jié)構(gòu)當(dāng)PN結(jié)外加反向偏置電壓BV時,根據(jù)高中國煤化工斯定律場板上的感應(yīng)負(fù)電荷與半導(dǎo)體耗盡區(qū)內(nèi)YHCNMHG柵氧化層的單位面積相反極性的電荷相互作用,使半導(dǎo)體表面耗盡區(qū)電容Co 和Si體電容Cg.模擬柵結(jié)構(gòu)的模擬柵是展寬,展寬狀況決定了器件的耐壓程度.但P'N接地的，這就使載流子在正向漏偏壓下從表面流結(jié)耗盡區(qū)的展寬程度取決于場板下介質(zhì)層厚度走.因此耗盡區(qū)不僅僅在P體區(qū)側(cè),也存在于B,ts和相關(guān)的場板長度L的大小.介質(zhì)層厚度t和B,間的表面,更深的耗盡區(qū)導(dǎo)致了更低的Cs.230遼寧大學(xué)學(xué)報自然科學(xué)版2006年因此在DG- -VDMOSFET結(jié)構(gòu)中,C。和Cs都被降不會擴(kuò)展到場環(huán)場環(huán)上保持著輕摻雜P區(qū)的電低了.位.隨著主結(jié)反向偏壓的增大它的耗盡層增加直3.2導(dǎo)通電阻和跨導(dǎo)到它到達(dá)場環(huán),此時場環(huán)上的電壓與場環(huán)和主結(jié)因為模擬柵電路結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的反饋電阻間的最小間距有關(guān).實際上,一旦這種穿通發(fā)生,低使得在模擬柵結(jié)構(gòu)中可以得到更長的柵極長場環(huán).上的電位就與主結(jié)上所施加的電位有關(guān)了.度.一個到達(dá)襯底的長柵極重疊長度將幫助形成.一個更低的導(dǎo)通電阻,即使在高電流的情況下也能確保一個高的跨導(dǎo).在模擬柵結(jié)構(gòu)的情況下反A. Si02饋電容比傳統(tǒng)中的要低,并且反饋電容對柵極長度的依賴性也不像分裂柵極器件的高.因此與傳P，P統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比在模擬柵結(jié)構(gòu)中導(dǎo)通電阻和反饋電容被極大地改善了.耗盡層1-.3.3輸出電阻.在功率放大應(yīng)用中,RF VDMOSFET的輸出電阻希望是越大越好.為了得到一個高的輸出電阻,關(guān)鍵是抑制溝道調(diào)制效應(yīng)的作用.在DG一VD-MOSFET中的模擬柵極是在漏極的附近,由于模圖3場環(huán)結(jié)構(gòu)剖面 示意圖擬柵下面的區(qū)域屏蔽效應(yīng)漏極偏壓使電場區(qū)進(jìn)入溝道的更少一些耗盡層擴(kuò)展進(jìn)入溝道的也更X.B. Chen曾給出提高擊穿電壓的理論,隨著.少.因此,溝道的長度調(diào)制效應(yīng)極大地降低了，從主結(jié)反向偏壓的增加,它的耗盡層擴(kuò)展直到它穿而有一個更高的輸出電阻.通到場環(huán)在主結(jié)的耗盡層到達(dá)場環(huán)后場環(huán)中的3.4擊穿電壓電子將在電場的作用下進(jìn)入主結(jié),因此場環(huán)不再對于DG- -VDMOSFET ,，雪 崩擊穿效應(yīng)和穿通是電中性的而是呈現(xiàn)正電位的這些正電荷存在問題都被大大降低了.因為模擬柵極的場屏蔽效于場環(huán)內(nèi)部的薄耗盡層里并產(chǎn)生電場.在主結(jié)的應(yīng)等電位分布線是相當(dāng)平直的電場區(qū)域降低了，附近這個電場的方向與原來固有的電場方向相這提高了雪崩擊穿電壓.使用模擬柵的另一個優(yōu)反.因此,降低了主結(jié)邊緣電場的峰值.但是在場點是它阻止了電場區(qū)域擴(kuò)展入溝道區(qū)減少了耗環(huán)的外面產(chǎn)生的正電荷將生成一個新的峰值電盡層擴(kuò)展進(jìn)入p-區(qū)這防止了穿通問題.場.所以,在場環(huán)結(jié)構(gòu)中為了得到最大的擊穿電壓必須找到最佳的主結(jié)一-環(huán)間距.4浮場限制環(huán)我們知道有著平面邊緣終端的淺結(jié)功率器件5結(jié)論可能會比其內(nèi)在的淺摻雜的本征區(qū)有著更低的擊介紹了VDMOSFET的終端設(shè)計及其重要性.穿電壓.這個低的擊穿電壓是與在平直的邊緣形主要解釋了場板、場環(huán)的工作原理和理論機(jī)制并成的柱形結(jié)處電場集中相聯(lián)系的.- -種減小邊緣通過一種新型帶有場板結(jié)構(gòu)的VDMOSFET與傳處電場的方法就是通過放置浮場限制環(huán).當(dāng)場環(huán)統(tǒng)的VDMOSFET在各個主要電參數(shù)的比較具體被放置在離開主結(jié)的厚耗盡區(qū)內(nèi)時,它的電位不中國煤化工中的作用.結(jié)果表明是由主結(jié)上施加的偏壓決定的，當(dāng)場環(huán)被放置在:MHCNMHG饋電容比傳統(tǒng)的VD-離開主結(jié)的厚的耗盡區(qū)內(nèi)時,它的電位是介于所MOSFET降低了大約51%導(dǎo)通電阻降低了21% ,加偏壓與零之間的某值.它的作用就是沿著表面輸出電阻增加了一倍,另外,線形區(qū)被改進(jìn)了擴(kuò)展耗盡層的邊界降低柱形結(jié)處的電場.當(dāng)主結(jié)50% ,擊穿電壓和安全工作區(qū)也被改進(jìn)了.上施加一個低的反向偏壓時它的耗盡層很小并且第3期孫嘉興,等 :VDMOSFET的終端優(yōu)化設(shè)計231華中理工大學(xué)學(xué)報,1990 229.參考文獻(xiàn):[4]張穎、趙野.終端帶單一場環(huán)的P+N結(jié)擊穿電[1] H Esaki, 0 Ishikawa A. 900MHz ,100Watt ,VD - MOS-壓分析[ J].遼寧大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2001 ,28 .FET with Silicide gate self - aligned channel in IEDM Tech(2) :148.[5] 高嵩,石廣元.雙極晶體管導(dǎo)通狀態(tài)對功率縱向Dig[ J]. 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And taking a novel high - frequence VD-MOSFET structure with a dummy - gate for example sthis paper discussing the theory and function of the field platein lowering the feedback capacitance ,raising the device breakdown voltage , lowering the on - state resistance , im-proving the transconductance , increasing the output resistance and improving the safe operating are( SOA ).Key words : VDMOSFET ; junction temination ; breakdown voltage .(責(zé)任編輯 鄭綏乾)中國煤化工MHCNMHG