朱 筠 李思淵

（1.西安郵電學(xué)院電子工程學(xué)院 陜西 西安 710121；2.蘭州大學(xué)微電子研究所 甘肅 蘭州 730000）

復(fù)合結(jié)構(gòu)靜電感應(yīng)晶體管的終端造型

朱 筠1李思淵2

（1.西安郵電學(xué)院電子工程學(xué)院 陜西 西安 710121；2.蘭州大學(xué)微電子研究所 甘肅 蘭州 730000）

為了克服幾何形狀（曲率效應(yīng)）造成的邊角電場對平面擴(kuò)散結(jié)擊穿性能的劣化效應(yīng)，對應(yīng)于靜電感應(yīng)器件的復(fù)合結(jié)構(gòu)，采用限場環(huán)與切斷環(huán)作為終端造型，使結(jié)邊界處的耗盡層寬度反窄化效應(yīng)而展寬，以分散電力線并降低表面電場。

復(fù)合結(jié)構(gòu)SIT；限場環(huán)；切斷環(huán)

0 引言

靜電感應(yīng)晶體管（SIT）是唯一具有類三級管特性的半導(dǎo)體器件，一般為常開型器件[1－5]。其注入功耗低、功率容量大、工作頻率高、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)，可廣泛用于高速、高壓、低功耗場合。根據(jù)柵體結(jié)構(gòu)、分布和制造工藝的不同，靜電感應(yīng)器件可分為：埋柵、表面柵、復(fù)合柵、絕緣蓋柵、槽柵和雙柵等結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)的共同特點(diǎn)是都具有垂直溝道，且溝道被柵體環(huán)圍在中間，源極區(qū)和漏極區(qū)分別位于芯片的上下兩個(gè)表面，這種布局有利于高耐壓、大電流設(shè)計(jì)，是電力電子器件通用的布局方式。

復(fù)合結(jié)構(gòu)SIT（如圖1）的源區(qū)（陰極區(qū)）由大面積平面擴(kuò)散方法形成[6]，簡化了制造工藝，提高了成品率。兼有表面柵和隱埋柵的特點(diǎn)。復(fù)合結(jié)構(gòu)SIT的柵壓可正可負(fù)，既可以工作在正向?qū)顟B(tài)，也可以工作在正向阻斷狀態(tài)。器件可以做成常閉型也可以做成常開型。但由于源（陰）擴(kuò)散層和柵區(qū)以及溝道區(qū)存在一定程度的雜質(zhì)補(bǔ)償，其主要缺點(diǎn)是柵－源（陰）擊穿電壓不高。

圖1 復(fù)合柵結(jié)構(gòu)SIT

為提高器件的耐壓特性，除了體內(nèi)各參數(shù)之間的配合，有效的辦法是對表面終止的pn結(jié)進(jìn)行處理，以改善邊緣的電場分布、緩和表面電場集中。常用結(jié)構(gòu)有場板技術(shù)、限場環(huán)技術(shù)、橫向變摻雜技術(shù)以及結(jié)終端擴(kuò)展（JTE）技術(shù)。這些方法的基本思想在于使結(jié)邊界處的耗盡層寬度反窄化效應(yīng)而展寬，以分散電力線并降低表面電場。對應(yīng)于靜電感應(yīng)器件的復(fù)合結(jié)構(gòu)，采用了限場環(huán)與切斷環(huán)作為終端造型。

1 終端造型

1.1 限場環(huán)的設(shè)計(jì)

限場環(huán)(Field-limiting Rings)簡稱FLR，其結(jié)構(gòu)如圖2所示[7]。限場環(huán)結(jié)構(gòu)是功率器件的常用終端技術(shù)之一，它通過限場環(huán)分壓，降低了結(jié)表面區(qū)由曲率效應(yīng)引起的高電場，從而提高主結(jié)的擊穿電壓。

圖2 限場環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖

在器件的作用區(qū)域或主結(jié)的周圍，人為的添加一道或多道精確控制間距和寬度的環(huán)形結(jié)，與主結(jié)同時(shí)擴(kuò)散形成了一連串適當(dāng)間隔開的與主結(jié)同心的p型圓環(huán)，各環(huán)的寬度wi和環(huán)間距di可以相等，也可以不等。當(dāng)給主結(jié)上施加一定的反偏壓時(shí)，主結(jié)上的反偏電壓上升使器件的邊緣電場增強(qiáng)，當(dāng)邊緣電場達(dá)到臨界電場時(shí)便出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象。然而，加上限場環(huán)之后反偏電壓上升使pn結(jié)耗盡層與限場環(huán)穿通，當(dāng)外加電壓繼續(xù)上升則由限場環(huán)來承擔(dān)，主結(jié)電場增加就會得到控制。加上限場環(huán)的作用就是相當(dāng)于在器件的邊緣增加了一個(gè)電壓的分壓器，由于FLR的存在使電壓分配在更長的一段距離內(nèi)，從而阻止了由于電場過高而出現(xiàn)的擊穿，使器件能夠承受更高反偏壓。

限場環(huán)的基本作用原理是當(dāng)主結(jié)的反偏壓V遠(yuǎn)低于其擊穿電壓VB時(shí)，其耗盡層已穿通到了第一限場環(huán)上，進(jìn)一步增加的電壓將主要由第一限場環(huán)所分擔(dān)，并伴隨著第一限場環(huán)耗盡層的擴(kuò)展直至穿通到第二限場環(huán)上，如此繼續(xù)下去，使得主結(jié)上的反壓不斷升高，逼近其平行平面結(jié)擊穿電壓。各限場環(huán)起了分壓器的作用，分壓的多少隨環(huán)間距di試的大小、環(huán)的寬度wi而不同。實(shí)際器件的擊穿電壓近似等于環(huán)間穿通電壓之和再加上最后一個(gè)環(huán)柱面結(jié)的擊穿電壓。一旦出現(xiàn)穿通，每個(gè)保護(hù)環(huán)承受的電壓大體隨主結(jié)上的外電壓做線性變化。分析指出[8]，相鄰兩環(huán)間電壓近似為：

di、ri的意義均如前圖所示。所需環(huán)的數(shù)目，可用等間距、等寬度的限場環(huán)做出粗略的估計(jì)：

其中，ND為n-區(qū)的輕摻雜濃度。

相鄰環(huán)間距為：

針對復(fù)合結(jié)構(gòu)的SIT，電性能要求：Imax=30A，阻斷電壓600V。取柵間距d=14μm，襯底摻雜濃度 ND=8×1013cm-3，a0=3.4μm，（a0為柵溝p+-n-結(jié)零柵壓下的自然耗盡層寬度），夾斷因子β=2.4，得出溝道厚度dc=8.16μm，橫向擴(kuò)散系數(shù)按0.5計(jì)算，因此擴(kuò)硼結(jié)深lc≈xjB≈6μm。邊柵墻，即主結(jié)的邊緣擴(kuò)散結(jié)深的曲率半徑也是6μm，即：

參考平行平面結(jié)的擊穿電壓，我們?nèi)B=2000V，用等間距、等寬度的限場環(huán)做粗略的估計(jì)，由（式6），可得：

因此，我們設(shè)計(jì)了7道限場環(huán)，距離主結(jié)越遠(yuǎn)，環(huán)寬逐漸減小，環(huán)間距也逐漸減小，環(huán)間距的平均值取42μm。環(huán)間距加大可以加強(qiáng)環(huán)結(jié)的分壓效果，但必須同時(shí)考慮結(jié)面處的電場不得超過半導(dǎo)體的擊穿電場。限場環(huán)是p+環(huán)，為了在實(shí)際工藝中簡化流程，因此版圖設(shè)計(jì)中往往將其與柵版放置在同一張版圖中，限場環(huán)與柵體同時(shí)形成，不必增加任何工序就可以完成。

1.2 切斷環(huán)的設(shè)計(jì)

切斷環(huán)（Channel Stopper）是為了切斷表面電荷感應(yīng)形成的表層反型溝道而設(shè)計(jì)的。Si表面有自然 型化的傾向，SiO2－Si界面以及SiO2中的正電性表面電荷的影響，在管芯有效圖形外區(qū)域的高阻n-區(qū)靠近氧化層表面處往往會出現(xiàn)電子堆積，使之增加為n+層，造成表面電場集中。另外，硅片表面的機(jī)械損傷也容易引起雜質(zhì)聚集，也會造成表面劣化。這都會導(dǎo)致?lián)舸╇妷合陆?，漏電增大?/p>

圖3 限場環(huán)環(huán)與切斷環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖

在限場環(huán)的外圍設(shè)計(jì)的一道n+環(huán)，它本身是最不容易反型的，使表面電荷和機(jī)械損傷劣化的面積在切斷環(huán)處被切斷，即切斷器件表面自然n型化的表面溝道，從而改善擊穿特性。切斷環(huán)是n+環(huán)，版圖設(shè)計(jì)時(shí)，可將其與源極區(qū)的擴(kuò)磷版放置在同一張版圖中，便于工藝中同時(shí)打開窗口擴(kuò)磷，并不增加工序。我們版圖所設(shè)計(jì)的切斷環(huán)寬為36μm，距離第七道限場環(huán)40μm。如圖3所示。圖中所標(biāo)尺寸的單位均為μm。出于等電位的考慮，第一道限場環(huán)和切斷環(huán)均作為等位環(huán)而打開窗口蒸鋁。

2 限場環(huán)與切斷環(huán)的版圖繪制

限場環(huán)的制造工藝簡單，但設(shè)計(jì)時(shí)必須精確控制各結(jié)的曲率半徑以及各結(jié)的間距，才能保證環(huán)結(jié)發(fā)揮作用。原理上講，只要增大相鄰兩結(jié)的間距，兩結(jié)的電勢差就增大，就能獲得較大的耐壓。但是較高的電勢差，同樣也使結(jié)的邊緣處的電場增大，造成環(huán)結(jié)有可能先于主結(jié)擊穿，應(yīng)綜合考慮。

版圖設(shè)計(jì)中，限場環(huán)與管芯邊柵墻四周的間距必須是相等的，并且不能出現(xiàn)銳角和直角，盡可能設(shè)計(jì)成圓形或鈍角。復(fù)合結(jié)構(gòu)SIT管芯形狀是八邊形，圖形尺寸為9600×9328，兩側(cè)柵電極為梯形，寬1200。所以限場環(huán)也必須是八邊形，而且一定要保證斜邊處限場環(huán)距離管芯邊柵墻的距離不變，見圖4。

圖4

此版的限場環(huán)有7道，是非等間距、非等寬度，從柵墻邊界向外，限場環(huán)間距逐漸增加，環(huán)寬依次減少。環(huán)寬分別為：42μm、40μm、38μm、36μm、32μm、30μm、28μm，第一道限場環(huán)距離邊柵墻30μm，第一道至第七道限場環(huán)之間的間距依次為：34μm、38μm、42μm、46μm、50μm、54μm的。切斷環(huán)寬36μm，距離第七道限場環(huán)40μm。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5 復(fù)合結(jié)構(gòu)SIT特性曲線及VGK

在相應(yīng)的工藝條件下，復(fù)合結(jié)構(gòu)SIT有良好的混合I-V特性，柵壓調(diào)變靈敏，阻斷電壓可達(dá)200V，柵源擊穿VGK=6V/10mA，有明顯擊穿點(diǎn)（如圖5）。

4 結(jié)論

限場環(huán)與切斷環(huán)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合考慮襯底的摻雜濃度、結(jié)的曲率半徑和半導(dǎo)體的擊穿電場等各種限制因素，設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)和最終目的就是要把器件結(jié)區(qū)的電場控制在半導(dǎo)體的擊穿電場以下。從設(shè)計(jì)技術(shù)上看，可根據(jù)一定的襯底濃度和結(jié)的曲率半徑精確地調(diào)整主結(jié)與環(huán)結(jié)或環(huán)結(jié)與環(huán)結(jié)間的距離以控制結(jié)區(qū)的電場。

［1］J.Nishizawa,T.Terasaki,and J.Shibata.Field-Effect transistor Versus Analog Transistor(Static Induction Transistor).IEEE Trans.on Electron Devices,vol.22,No.4,pp.185-197,April 1975.

［2］李思淵.靜電感應(yīng)器件作用理論.蘭州大學(xué)出版社，1996.

［3］李思淵.靜電感應(yīng)器件：物理、工藝與實(shí)踐.蘭州大學(xué)出版社，2001,4.

［4］西澤潤一監(jiān)修，村岡公裕，龍?zhí)镎?主編.圖解靜電感應(yīng)器件.科學(xué)出版社，1998.5,

［5］S.Y.Li and J.H.Yang.Study of the Static Induction Transistor with Complex Structure and with Triode-like I-V Characteristics.Proc.ICPE’95,Souel,South Korea,1995.

［6］李思淵，劉肅，劉瑞喜，楊建紅,等.“復(fù)合結(jié)構(gòu)的靜電感應(yīng)器件”應(yīng)用科學(xué)學(xué)報(bào)，1996，14（2）：243-247.

［7］遇寒，沈克強(qiáng).功率半導(dǎo)體器件的場限環(huán)研究.電子器件，2007（30）.

［8］唐瑩.電力靜電感應(yīng)器件的研制[D].蘭州大學(xué)，2007.

甘肅省攻關(guān)項(xiàng)目(GS012.A52-064。

王爽］