一种６００Ｖ　ＶＤＭＯＳ终端保护环结构的设计 Windows保护环结构

　　摘要：本文详细讨论了VDMOS 终端保护环结构各部分,即保护环、保护环间隙和场板的作用及设计方法。结合600V VDMOS 的外延电阻率和厚度，一种600V VDMOS终端保护环结构被成功设计出来。
　　关键词：保护环；保护环间隙和场板
　　
　　The Design about a sort
　　of VDMOS Termination with Breakdown Voltage of 600V
　　
　　GAO Dong-yue
　　（CSMC Technologies Corporation，WuXi 214061,China）
　　
　　Abstract：The role and the design method about guard rings, the gap between guard rings and field plates in VDMOS termination is discussed in the paper in detail. A sort of VDMOS termination is designed successfully according to the resistivity and thickness of epi of VDMOS with breakdown voltage of 600V.
　　Key words: Guard rings；the gap between guard rings and field plates
　　
　　1引言
　　
　　VDMOS的横向结构是由原胞区和终端保护环区构成的，纵向结构是由P-BODY或者P+保护环、N-外延区和N+衬底构成的。当在漏端即衬底上加电压时，原胞区和终端保护环区下面的N-外延区就会耗尽，漏端电压越大，耗尽区就越宽。如果器件终端保护环区尺寸不是无限大，耗尽区中的等势线在终端保护环区则是弯曲的，并最终终结于器件表面，而较小的原胞间距将会使等势线在原胞区下面保持平行。当漏端电压足够大时，P-BODY和N-外延形成的PN结就会击穿，这时的漏端电压就是器件的击穿电压。在PN结击穿时，垂直作用于PN结的电场强度达到了某一临界电场值Ec。电场强度由高斯定理[1]。
　　 φe=∫D・ds =∫Dcosθds （1） 确定。电通量φe表示垂直通过曲面s的电位移线条数,它与垂直通过该处的电场强度大小成正比。θ为面元ds的法线n与电位移D间的夹角。
　　为了说明PN结某点处的电场强度与等势线曲率半径大小的关系，可借助于图1。
　　
　　在图1中A点处取小面元ds，ds足够小，以致可以把它看为平面，并且在ds范围内电位移D的大小和方向可认为处处相同。如果面元ds的法线n与电位移D成θ角，穿过面元ds的电位移线条数可以表示为
　　 dφe= D・ds = Dcosθds（2）
　　 由于电位移线是和等势线相垂直的，等势线越弯曲或者说等势线的曲率半径越小，θ角就越小，dφ就越大，垂直作用于A点处的电场就越强。所以垂直作用于PN结弯曲处的电场强度会随着耗尽区中等势线曲率半径的减小而增强，而该处的击穿电压则会随着耗尽区中等势线曲率半径的减小而减小。
　　VDMOS原胞外围的终端保护环就是决定等势线曲率半径大小的结构。保护环尺寸越大，等势线的曲率半径就越大，PN结弯曲处就越不容易击穿，但同时VDMOS所占用的面积也越大。因此，对于击穿电压给定的VDMOS，选取合适尺寸的终端保护环结构可以使VDMOS的导通电阻和面积的乘积达到最优。
　　
　　2终端保护环的结构、作用和设计
　　
　　终端保护环结构的尺寸是由P+保护环宽度、保护环间隙及场板延伸到保护环外的长度决定的。由于保护环不接电极，只是悬浮于N-外延区中，所以P+保护环对外延将不显电性，是一个电中性的等势体。因此等势线将不会经过或终结于此，保护环下面的等势线也将趋于平行，保护环越宽，等势线的平行性就越好。为此，最终经扩散形成的保护环下底部最好有一个平坦面，以使等势线在此能尽量保持平行，从而增大等势线的曲率半径。在设计时使保护环的宽度大于其横向扩散宽度就可以实现这一目的。为了不影响原胞区的等势线的平行性，靠近原胞区的保护环要宽一些且常和原胞连在一起。为了使等势线在耗尽区边界能平缓的终结于器件表面，离原胞区最远的保护环也要适当宽些。
　　保护环间隙是N-外延区，随着漏端电压的增加，保护环间隙由内及外将会被逐步耗尽。等势线也将由此间隙终结于表面。因此，保护环间隙是决定等势线曲率半径大小的主要因素。为了能使等势线逐步平缓的终结于器件表面，保护环间隙可以采用等差增加的方案，例如，保护环间隙由内及外依次为，1μm，2μm，3μm，…。
　　为了使等势线在耗尽区边界能平缓的终结于器件表面，在离原胞区最远的保护环上面还要有场板，且最好是分层次的，既有在栅氧化层上离N-外延区较近的内场板，通常由多晶硅构成；又有在场氧化层上离N-外延区较远的外场板，通常由金属构成。场板由于是等势体，其下面的等势线将趋于平行，且内场板作用要比外场板的作用强[2]。分层次的内外场板最终可以使等势线平缓的终结于器件表面。
　　
　　如果使内场板延伸到保护环外的长度连同所有的保护环间隙总和等于外延区的厚度，再加上外场板的作用，就可以使等势线在耗尽区边界能自然平缓的终结于器件表面，这样，等势线的曲率半径就不会突然变小，从而保证了的垂直作用于PN结弯曲处的电场强度不会突然变大。由于N-外延区的下面与高浓度的N+衬底相连，当耗尽区边界随着漏极电压的增加达到N+衬底区时，耗尽区电荷将急剧增加，由高斯定理（1）知，朝向衬底一侧PN结处的d?e值将急剧增加，从而致使垂直作用于该处的电场强度达到临界电场，击穿就发生了。而耗尽区边界在终端保护环区随着漏极电压的增加横向扩展时，既不会遇到高浓度的N+区使耗尽区电荷急剧增加，又不会由于上述的终端保护环结构使等势线的曲率半径突然变小，所以击穿不会发生在朝向保护环区一侧的PN结处，而是先发生在朝向衬底一侧的PN结处。这样的VDMOS，其外延就得到了充分利用，其导通电阻就会是最优的。
　　
　　3600V VDMOS
　　终端保护环结构的设计
　　
　　对于击穿电压为600V 的器件，外延层厚通常为52μm [3]。如果采用9个保护环，保护环间隙由内及外将依次为1μm，2μm，3μm，4μm，5μm，6μm,7μm，8μm。内场板延伸到保护环外的长度至少应为12μm,外场板延伸到保护环外的长度则设为24μm,以便能使等势线逐步平缓的终结于器件表面。对于保护环，如果其扩散后的结深为5μm,那么其横向扩散宽度将约为3.5μm,为了使保护环下底部有一平坦面, 保护环宽度设计为4μm。靠近原胞区和离原胞区最远的保护环宽度通过器件模拟确认，在外延电阻率为18Ω.cm时，这两个量最终分别确定为28μm和21μm。最终的器件终端保护环结构如图2所示。
　　通过器件模拟得到的器件击穿电压为676.5V，如图3所示。
　　
　　模拟还得到了器件击穿时的电流流向图，如图4。电流流向图说明VDMOS击穿发生在朝向衬底一侧的PN结处。电势分布图，如图5。由图可以看出等势线在终端保护环区逐步终结于器件表面。电场分布图，如图6。从图可以看出，电场的最强点位于第二个保护环与N-外延形成的PN结弯曲处，但从电流流向图可以看出击穿并没有发生于此，说明该PN结处的面元ds的法线n与电位移D成的θ角致使该PN结处的dφe值不高。击穿发生在和原胞相连的第一个保护环与N-外延形成的PN结平坦处，该处的电场强度虽然次于最强点的场强，但该处的的面元ds的法线n与电位移D成的0度θ角致使该处的dφe值较高，所以击穿发生于此了。
　　
　　4实验结果和结论
　　
　　图7为采用该终端保护环结构的600V VDMOS 的SEM图。 该产品经流片后，击穿电压（BV）的测试结果如图8。由图可以看出BV值约为675V。这说明该600V VDMOS终端保护环结构的设计是成功的。按照该终端保护环结构的设计方法，增加保护环的数目和相应的间隙值，适用于更高击穿电压的VDMOS 终端保护环结构也是可以设计出来的。
　　感谢华润上华DMOS工艺集成工程师胡兴正提供的600V VDMOS终端保护环结构的SEM 图及击穿电压的测试数据。
　　
　　参考文献
　　[1]程守洙，江之永 普通物理学。高等教育出版社，1982，10第四版.P21。
　　[2]维捷斯拉夫・本达，约翰・戈沃，邓肯A・格兰特。功率半导体器件――理论及应用。化学工业出版社，2005，05.P99-104
　　[3]B.Jayant BaligaPower Semiconductor Devices. Publisher: PWS Pub. Co.;1st edition May 2, 1995.P76。
　　
　　作者简介
　　高东岳，硕士，华润上华科技有限公司高级器件工程师，主要从事半导体工艺和器件模拟。