張 昕，喬 明

（電子科技大學電子薄膜與集成器件國家重點實驗室，成都 610054）

一種Divided RESURF高壓互連結構研究

張 昕，喬 明

（電子科技大學電子薄膜與集成器件國家重點實驗室，成都 610054）

高壓互連是功率集成電路中的重要技術，隨著PIC在結構功能上的發(fā)展和應用范圍上的增大，人們對功率集成電路中的高壓互連技術的要求也與日俱增。圍繞高壓互連技術進行研究，使用Divided RESURF技術設計一種橫向雙擴散金屬氧化物半導體場效應晶體管，通過進行二維仿真，優(yōu)化其結構和摻雜濃度等參數(shù)，器件的擊穿耐壓達到903 V，可用于600 V高壓集成電路中。

高壓互連線；擊穿耐壓；Divided RESURF

1 引言

高 壓互 連 線（High voltage Inter-connection，HVI）把電流信號在同一顆芯片上的高壓端與低壓端之間進行傳遞。該種結構中的互連線金屬的高電勢會影響其下方器件的電場分布，導致局部出現(xiàn)極高的電場峰值，這會使橫向雙擴散金屬氧化物半導體場效應晶體管（Lateral Double Diffused MOSFET，LDMOS）的擊穿電壓出現(xiàn)顯著的降低。在反向偏置時，HVI相對于器件表面帶正電荷，從而引入了額外的縱向電場，這可能導致器件的提前擊穿，還可能會造成嚴重的熱載流子注入問題。

HVI問題在超過600 V的高壓集成電路中比較常見，但該現(xiàn)象在200 V左右的較低電壓集成電路，甚至低于100 V的電路中也會存在。傳統(tǒng)的具有高壓互連的高壓驅動電路結構如圖1所示。圖1中H1、H2連接了LDMOS的高壓漏端，如果這兩條金屬線沒有被有效地屏蔽，互連線的高電勢會嚴重影響底部高壓結終端的電場分布。對一個原本滿足RESURF條件的結構來說，HVI引入的電荷會導致嚴重的電荷失衡。由于互連線相對于器件帶正電，中性區(qū)中的電子會被吸引到器件表面，從而導致耗盡區(qū)的收縮，令柵場板底端的電場峰值劇烈上升，使器件的擊穿電壓遠低于無HVI時的最優(yōu)耐壓。

傳統(tǒng)工藝中可以通過提高表面絕緣層厚度，即提高HVI與半導體表面之間的距離來進行屏蔽[1]，但這種方法對表面氧化層厚度有較大的限制，并不適用于600 V及以上的高壓互連應用中。結終端擴展結構[2]（Junction Termination Extension，JTE）及線性變摻雜（Linearly Varying Doped，LVD）的雙重表面場降低技術double RESURF[3]（Reduced SURface Field）也被廣泛應用于高壓互連結構中。此外，場板技術也是用來降低HVI對高壓器件擊穿特性影響的常見選擇，包括偏置多晶場板[4]、卷形阻性場板[5]、單層多浮空場板[6]、雙層多浮空場板[7]等結構。

本文研究了一種Divided RESURF高壓互連結構，分析了其屏蔽HVI的原理和優(yōu)勢，并通過仿真對器件的耐壓等特性進行了驗證，達到600 V的互連要求。該技術不需要額外的互連屏蔽結構，其擊穿特性僅取決于器件PN結的耐壓。

圖1 傳統(tǒng)高壓驅動電路結構

2 Divided RESURF高壓互連結構

如圖2所示，Divided RESURF高壓集成電路結構中，高壓互連線為內(nèi)互連，沒有跨過器件漂移區(qū)和高壓結終端，從根本上避免了高壓互連線帶來的有害影響。高壓互連線從LDMOS的漏極連接到高壓控制電路中，互連線金屬僅跨過了P型隔離區(qū)（P-iso）（或P型襯底），當P型隔離區(qū)完全耗盡時，LDMOS的耐壓不會受到互連線電位的任何影響，從而不需要任何場板結構或降場層結構來屏蔽。

圖3給出了Divided RESURF高壓互連結構的LDMOS剖面圖。在LDMOS和高端控制部分之間增加了由高壓P阱（HVP）和P型埋層（Pbl）形成的P型隔離區(qū)。在工藝上，P型埋層可通過外延前注入形成，高壓P阱可通過多次雜質(zhì)注入后，再根據(jù)外延厚度進行適當?shù)臒徇^程，使高壓P阱與P型埋層分別進行縱向上的擴散直到連接到一起，形成P型隔離區(qū)。利用P型隔離區(qū)和N型外延層的反向偏置，消除了LDMOS與高壓控制電路外延之間的漏電流通路。通過在高壓電路區(qū)域增加N型埋層（Nbl）提高高壓控制電路區(qū)域的穿通擊穿電壓，增強該區(qū)域內(nèi)的dV/dt能力，并可以在一定程度上調(diào)節(jié)LDMOS的電荷平衡。

圖2 Divided RESURF高壓互連結構俯視圖

圖3 Divided RESURF高壓互連結構示意圖

3 仿真分析

作者應用二維器件仿真軟件對器件進行了仿真。圖4給出了Divided RESURF LDMOS耐壓900 V時的電勢分布。電勢線分布較均勻，相鄰兩條等勢線間的電勢差為50 V，器件擊穿電壓二維仿真值為903 V。此時，器件耐壓903 V時的最大電場出現(xiàn)在體內(nèi)漏端下的P型襯底和N型外延的冶金結處，屬體內(nèi)縱向擊穿。器件表面電場較平坦，漂移區(qū)全部耗盡。高壓互連線的高電位對器件的擊穿耐壓沒有任何影響。

LDMOS的外延與top層濃度與擊穿電壓的關系如圖5所示。仿真條件如下：漂移區(qū)長度為70 μm，場氧化層厚度D=0.8 μm，外延層厚度為6 μm，P型top層厚度1 μm，P型襯底的摻雜濃度為2×1014cm-3。首先可以看出，N外延層濃度較高或較低時器件的擊穿電壓相比最優(yōu)值都有所下降，而N外延層濃度很高時器件的耐壓下降極為嚴重。只有當N外延層和P-top濃度同時滿足RESURF原理，都在RESURF優(yōu)化區(qū)的情況下才可在較大的范圍內(nèi)獲得高的擊穿電壓。

其次隨著N外延層濃度的增加，滿足RESURF原理的P-top濃度的范圍將逐漸減小。當外延層濃度為3.8×1015cm-3時，使器件能獲得600 V以上耐壓的P-top層濃度范圍已經(jīng)有所減小。分析上述仿真結果，當LDMOS漏端加高壓時，全部耗盡的漂移區(qū)和P-top用于承受電壓。P-top層靠近源端一側的P/Nepi結電場與主結Nepi/Pwell結的電場相反，可有效降低主結尖峰電場。若其濃度過低時，P-top層對主結尖峰電場削弱作用不強，使器件過早在該處擊穿。反之若其濃度過高則P-top層漏端尖峰電場首先達到Si臨界電場Ec，又使器件過早在此處擊穿。

圖4 Divided RESURF結構仿真圖

圖5 不同漂移區(qū)濃度下耐壓與top層摻雜的關系

在LDMOS中，場板起到了平衡表面電場的作用。然而在仿真中發(fā)現(xiàn)，器件的耐壓與柵極場板的長度（圖3中標注為L）之間并非完全的正相關關系，如圖6所示。當柵極場板長度超過最優(yōu)值時，器件的耐壓反而會隨著場板長度的增加有明顯下降。出現(xiàn)上述耐壓變化的原因在于，當器件的柵極場板長度較小，不能達到降低表面場峰值的最佳值時，隨著場板長度的增加，對器件表面電場的優(yōu)化作用也增大。當場板的長度已經(jīng)達到降低表面電場峰值的足夠長度后，場板長度的繼續(xù)增大會減小漂移區(qū)的長度，而優(yōu)化表面電場分布的作用已經(jīng)不太明顯。因此器件的耐壓隨著柵極場板長度的增加出現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律，對于此章中提出的器件結構，場板的最佳長度是7 μm。

圖6 器件耐壓與柵場板長度的關系

圖7為Divided RESURF結構中的P型隔離區(qū)域仿真示意圖。在該結構中，LDMOS的外延層與漏區(qū)相連，高端電路區(qū)域的外延層與高端電路的電源電位相連。當連接到LDMOS柵極的低端電路輸出信號使LDMOS開啟時，LDMOS的漏區(qū)電位將低于高端電路區(qū)域的電源電位。在Divided RESURF結構中，外延層之間具有P型隔離區(qū)，防止LDMOS與高端電路區(qū)域之間出現(xiàn)漏電。在此結構中，漏端電壓VD與高壓電路區(qū)域的輸入端VO之間的P型隔離區(qū)域的穿通擊穿耐壓是該結構中的關鍵參數(shù)。

圖7 P型隔離區(qū)域仿真

使用器件仿真軟件進行仿真，令LDMOS的漏極電位為0，Vo的電位從0逐漸增加，研究該結構的穿通擊穿耐壓。兩電極之間的穿通擊穿耐壓與P型區(qū)域寬度、注入劑量的關系如圖8所示。經(jīng)過仿真，隔離區(qū)的穿通耐壓隨著隔離區(qū)寬度和注入劑量的增加而增大。在普通電平位移電路中，兩電極之間的電壓差的值在0～30 V之間，而當兩個區(qū)域的外延層之間的寬度為3 μm時，穿通耐壓可以達到40 V，充分滿足實際應用的要求。

由于高壓電路區(qū)域中的N型埋層具有較高的電位，其與LDMOS的漏極的距離（圖3中標注為D）也對該穿通耐壓有較大的影響。仿真結果如圖9所示，當N型埋層距離P型隔離區(qū)較近時，穿通擊穿耐壓會下降到70 V以下。隨著N埋層與隔離區(qū)的距離增大，該耐壓也隨之增大，但同時LDMOS的耐壓卻隨之有所降低，因此對于將該寬度取15～20 μm即可同時保證隔離區(qū)耐壓與LDMOS的耐壓滿足應用的需求。這可以作為實際電路設計時對高壓電路內(nèi)部結構布局的參考因素。

圖8 隔離耐壓與隔離區(qū)寬度/劑量的關系

圖9 穿通擊穿耐壓與N型埋層位置的關系

4 結束語

本文對比總結了常用高壓互連結構的應用領域及各自局限，并研究了一種Divided RESURF高壓互連結構。用仿真軟件對提出的Divided RESURF技術進行了工藝仿真，總結出各參數(shù)對器件耐壓與隔離區(qū)穿通擊穿耐壓的影響。最終器件仿真耐壓為903 V，可用于600 V高壓集成電路中。

[1] Sakurai N, Nemoto M, Arakawa H, Sugawara Y. A threephase inverter IC for AC 220 V with a drastically small chip size and highly intelligent functions [A]. In: ISPSD symp, 1993. 310-315.

[2] Falck E, Gerlach W, Korec J. Influence of interconnections onto the breakdown voltage of planar high-voltage p-n junctions [J]. IEEE Trans Electron Dev, 1993, 40（2）: 439-447.

[3] Souza MMD, Narayanan EMS. Double resurf technology for HVICs [J]. Electron Lett 1990, 32（12）.

[4] Murray AFJ, Lane WA. 800 V wiring for HVIC application using biased poly-silicon field plates [J]. Microelectron J, 1996, 27: 209-215.

[5] Endo K, Baba Y, Udo Y, Yasui M, Sano Y. A 500 V 1 A 1-chip inverter IC with a new electric field reduction structure [A]. In ISPSD symp, 1994. 379-383.

[6] Qiao M, Li ZJ, Zhang B, Fang J, Li M. Realization of over 650 V double RESURF LDMOS with HVI for high side gate drive IC [A]. In Proceeding of ICSICT, 2006. 248-250.

[7] Terashina T, Yoshizawa M, Fukunaga M, Majumdar G. Structure of 600 V IC and a new voltage sensing device [A]. In ISPSD, 1993. 224-229.

作者簡介：

只生武（1992—），男，甘肅金昌人，本科，主要研究方向為電源管理、音頻功放、信號處理等。

Research of Divided RESURF HVI Structure

ZHANG Xin, QIAO Ming
（State Key Laboratory of Electronic Thin Films and Integrated Device, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054, China）

High Voltage Interconnection is a key technology of Power Integrated Circuit. With the rapid rise of structures, functions and applying range of PIC comes a rapid rise of influence causing by HVI. Thus, the traditional HVI structure can no longer meet the modern requirement in this field. This dissertation focuses on the HVI technology and proposes a divided RESURF LDMOS, using two-dimension device simulation to complete a requirement of 600 V interconnection with optimization of its structure and concentration. The structure can be used in the power integrated circuit of 600 V application.

high voltage interconnection; breakdown voltage; divided RESURF

TN402

A

1681-1070（2015）07-0024-04

張 昕（1989—），男，山東兗州人，碩士研究生，主要研究方向為功率器件與工藝設計。

2015-04-08