VDMOSFET的终端优化设计

辽宁大学学报JOURNAL OF LIAONING UNIVERSITY自然科学版Natural Sciences Edition第33卷第3期2006年Vol.33 No.3 2006VDMOSFET的终端优化设计孙嘉兴杨颖林爽(辽宁大学物理系辽宁沈阳110036)商要主要介绍了VDMOSFET的终端优化设计,讨论了已有终端结构中的场环、场板技术,工作原理.以-种新型的高频VDMOSFET与模拟栅相结合的结构为例详细讨论了场板在减少反馈电容、提高器件的击.穿电压、降低导通电组、改善跨导、提高输出电阻、改进安全工作区方面的理论机制及作用.关键词:VDMOSFET结终端击穿电压中图分类号:TN861 .3文献标识码:A .文章编号:1000-5846( 2006 )03-0228-04能力.对于VDMOSFET这种结构,反偏电压的击1简介穿主要是以突变结PN结的雪崩击穿方式决定VDMOSFET一直以来都因其较高的可靠性和的,而且由于没有少子贮存效应,不存在二次击成熟的制造技术而应用于宽频和射频方面.由于穿,因此简化了击穿特性的研究.他们的高电压容量,VDMOS 器件仍然在大功率射要提高VDMOSFET的输出功率需要提高漏频应用中处于主导地位.但场控器件的终端结构源击穿电压,所以提高击穿电压的问题在功率设计一直是提高器件击穿电压增加VDMOS功率MOS管的制造中占有重要地位4-6].提高MOS管控制量的关键技术.已开发的高压终端结构有1]的击穿电压主要在于提高漏衬PN结雪崩击穿电表面成形技术21、电场限制环技术3]、场板技术[4]压和漏源势垒穿通电压提高漏源势垒穿通电压结表面扩展技术[51、耗尽区腐蚀法等其中场板技主要是通过加入一个P+区来解决.要提高PN结术可用常规平面工艺实现,且工艺简单,占用面积雪崩击穿电压主要在于增加漏漂移区长度减少小提高耐压效果明显是一种改善表面击穿特性漏区浓度这可以通过外延层最佳化解决.但在一常用的有效方法.本文将介绍场板、场环的结构，般的MOS管结构中，实测的击穿电压总是低于平并以-种新的模拟栅VDMOSFET结构为例,说明坦PN结的击穿电压，这是因为实际形成的PN结场板的功能.此种结构的模拟栅是在有源栅之间的结面是弯曲的.结面弯曲对PN结的击穿特性的其功能是作为场板去减少漏极与栅极间的反有很大影响.因为在-定的电压下,随距离变化的馈电容.这种结构还有-个低的导通电阻,-一个改电场强度在结面弯曲处更加集中,这样此处就可善的跨导,一个高的输出电阻和改善的安全工作在较低的反向电压下达到足以击穿的临界电场,区.使PN结比理想的平面结提前发生击穿,即击穿2雪崩击穿及漏源穿通电压中国煤化工导体表面也存在弯曲CNMHG大于体内最大电场，因漏源击穿电压BV。规定为V。=0时漏源间此边介元肥时衣面仔仕有强电场器件的耐压常所加的最大反偏电压,它表征了器件的耐压极限常由表面击穿来决定,还有由于二氧化硅中存在作者简介:孙嘉兴( 1966-)男,吉林通化人辽宁大学高级实验师,从事电子技术研究.收稿日期2005-11-25第3期孙嘉兴,等 :VDMOSFET的终端优化设计229表面玷污的固定正电荷改变了半导体中的电场分和场板长度L的优化组合才能使场板发挥作用布,导致器件性能不稳定,可靠性下降.为此对于否则对于一定的介质层厚度ts 如果场板长度Lp有一定耐压要求的器件不但材料参数、结构参数过短则半导体表面耗尽区得不到有效展宽,击穿等要选择在给定的电压下不提前发生体击穿,而发生在靠近主结处.而场板长度L,过长场板上且还要采取-些特殊结构使表面最大电场减小,的感应电荷又会使场板边缘处的峰值电场加强,表面击穿电压符合要求. VDMOSFET各个元胞在使击穿发生在场板边缘处.此外,设计过程中还需表面处于基本相同的电位元胞之间不存在击穿考虑实际工艺情况及芯片面积的利用状况.现象但在边界元胞与衬底外延层之间存在着高.下面以一种新的模拟栅VDMOSFET(DG-压.结终端处理的目的就是降低平面结终止区局.VDMOSFET)为例,见图2.具体解释场板的作用.部强电场以提高表面击穿电压耐量.-般我们采这种结构与传统结构的不同点在于:除了把栅极取场板、浮场限制环和深结扩散等办法来实现.分裂成两部分覆盖沟道区域之外,--个虛拟的栅极被放在有源栅之间.3简单场板结构SourceCateSoure单场板结构由结接触的金属延伸超过P*N结构成适用于平面工艺形成的扩散结场板下的介质层起着分压的作用,控制着引入半导体表面电场的强弱,因此场板结构能够有效改善靠近表面的耗尽区的造型,有效地控制表面电荷从而提高击穿电压.以N沟VDMOS 为例，当管子正常工N作时,栅极上施加正电压,于 是场板电压大于零,因此表面耗尽层的扩展和电力线的分布趋向于缓和，如图1所示.。DrainG图2a)传统分 裂栅极VDMOSFET结构GalcDummv Cale GateSourcx1PN-N+图1简单场板结构及电力线分布图2b)模拟栅极VDMOSFET结构当PN结外加反向偏置电压BV时,根据高中国煤化工斯定律场板上的感应负电荷与半导体耗尽区内YHCNMHG栅氧化层的单位面积相反极性的电荷相互作用,使半导体表面耗尽区电容Co 和Si体电容Cg.模拟栅结构的模拟栅是展宽,展宽状况决定了器件的耐压程度.但P'N接地的，这就使载流子在正向漏偏压下从表面流结耗尽区的展宽程度取决于场板下介质层厚度走.因此耗尽区不仅仅在P体区侧,也存在于B,ts和相关的场板长度L的大小.介质层厚度t和B,间的表面,更深的耗尽区导致了更低的Cs.230辽宁大学学报自然科学版2006年因此在DG- -VDMOSFET结构中,C。和Cs都被降不会扩展到场环场环上保持着轻掺杂P区的电低了.位.随着主结反向偏压的增大它的耗尽层增加直3.2导通电阻和跨导到它到达场环,此时场环上的电压与场环和主结因为模拟栅电路结构比传统结构的反馈电阻间的最小间距有关.实际上,一旦这种穿通发生,低使得在模拟栅结构中可以得到更长的栅极长场环.上的电位就与主结上所施加的电位有关了.度.一个到达衬底的长栅极重叠长度将帮助形成.一个更低的导通电阻,即使在高电流的情况下也能确保一个高的跨导.在模拟栅结构的情况下反A. Si02馈电容比传统中的要低,并且反馈电容对栅极长度的依赖性也不像分裂栅极器件的高.因此与传P，P统结构相比在模拟栅结构中导通电阻和反馈电容被极大地改善了.耗尽层1-.3.3输出电阻.在功率放大应用中,RF VDMOSFET的输出电阻希望是越大越好.为了得到一个高的输出电阻,关键是抑制沟道调制效应的作用.在DG一VD-MOSFET中的模拟栅极是在漏极的附近,由于模图3场环结构剖面 示意图拟栅下面的区域屏蔽效应漏极偏压使电场区进入沟道的更少一些耗尽层扩展进入沟道的也更X.B. Chen曾给出提高击穿电压的理论,随着.少.因此,沟道的长度调制效应极大地降低了，从主结反向偏压的增加,它的耗尽层扩展直到它穿而有一个更高的输出电阻.通到场环在主结的耗尽层到达场环后场环中的3.4击穿电压电子将在电场的作用下进入主结,因此场环不再对于DG- -VDMOSFET ,，雪 崩击穿效应和穿通是电中性的而是呈现正电位的这些正电荷存在问题都被大大降低了.因为模拟栅极的场屏蔽效于场环内部的薄耗尽层里并产生电场.在主结的应等电位分布线是相当平直的电场区域降低了，附近这个电场的方向与原来固有的电场方向相这提高了雪崩击穿电压.使用模拟栅的另一个优反.因此,降低了主结边缘电场的峰值.但是在场点是它阻止了电场区域扩展入沟道区减少了耗环的外面产生的正电荷将生成一个新的峰值电尽层扩展进入p-区这防止了穿通问题.场.所以,在场环结构中为了得到最大的击穿电压必须找到最佳的主结一-环间距.4浮场限制环我们知道有着平面边缘终端的浅结功率器件5结论可能会比其内在的浅掺杂的本征区有着更低的击介绍了VDMOSFET的终端设计及其重要性.穿电压.这个低的击穿电压是与在平直的边缘形主要解释了场板、场环的工作原理和理论机制并成的柱形结处电场集中相联系的.- -种减小边缘通过一种新型带有场板结构的VDMOSFET与传处电场的方法就是通过放置浮场限制环.当场环统的VDMOSFET在各个主要电参数的比较具体被放置在离开主结的厚耗尽区内时,它的电位不中国煤化工中的作用.结果表明是由主结上施加的偏压决定的，当场环被放置在:MHCNMHG馈电容比传统的VD-离开主结的厚的耗尽区内时,它的电位是介于所MOSFET降低了大约51%导通电阻降低了21% ,加偏压与零之间的某值.它的作用就是沿着表面输出电阻增加了一倍,另外,线形区被改进了扩展耗尽层的边界降低柱形结处的电场.当主结50% ,击穿电压和安全工作区也被改进了.上施加一个低的反向偏压时它的耗尽层很小并且第3期孙嘉兴,等 :VDMOSFET的终端优化设计231华中理工大学学报,1990 229.参考文献:[4]张颖、赵野.终端带单一场环的P+N结击穿电[1] H Esaki, 0 Ishikawa A. 900MHz ,100Watt ,VD - MOS-压分析[ J].辽宁大学学报(自然科学版),2001 ,28 .FET with Silicide gate self - aligned channel in IEDM Tech(2) :148.[5] 高嵩,石广元.双极晶体管导通状态对功率纵向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 .(责任编辑 郑绥乾)中国煤化工MHCNMHG