场板和场限环及其复合使⽤技术设计及优化
场板和场限环终端技术的原理及优化设计
摘要：本⽂分别介绍了场板和场限环以及它们复合使⽤的结终端保护技术的基础理论知识，针对它们各⾃具有的敏感参数，通过优化和实验仿真实现最优耐⾼压设计。
关键词：结终端技术场板场限环⾼压功率器件
1．引⾔
现代功率器件是在⼀硅⽚上并联上万个相同的单元组成，各单元间表⾯电压⼤致相同，但最外端（终端）单元与衬底间的电压却相差很⼤。应采取⼀些措施⽤以减⼩表⾯电场，提⾼击穿电压。这种技术便称为结终端技术JTT(Junction Termination Technique) 【1】.
现代硅功率器件⼀般都采⽤浅平⾯结结构，典型的结深值为4-7um 。在这么浅的结深下，器件如果没有加任何终端保护措施，击穿电压将要⽐理想情况下即平⾏平⾯结的耐压值低50%【2】。因此结终端保护成为⾼压器件设计的⼀项关键性技术。
结终端保护技术要解决的问题主要是：
①采⽤平⾯⼯艺制造的PN 结，杂质原⼦在光刻掩模窗⼝的边⾓区经扩散后形成了柱⾯结和
球⾯结, 由于这两个结存在的曲率, 导致电场集中，雪崩击穿将⾸先在这些区域发⽣，从⽽使PN 结的击穿电压降低。这种效应对浅结深PN 结的影响特别显著（如图1）。
图1 浅扩散平⾯结（a ）和深扩散平⾯结（b ）电场分布
②实际平⾯PN 结（⾮平⾏平⾯结）⼀般都采⽤SiO2作保护层，由于SiO2层内存在可移动电
荷和陷阱，SiO2与Si 的界⾯存在固定的正电荷，以及SiO2表⾯还可能粘附其它各种电荷，
这些电荷的存在将造成表⾯电场的集中和不稳定，其值较体内平⾏平⾯结的电场⼤2⾄3倍，从⽽严重影响了器件的耐压特性（如图2）。
图2 氧化层有正电荷时的耗尽区
因此，结终端保护技术主要是通过增⼤扩散结的曲率半径和降低界⾯（或表⾯）电荷的影响来提⾼器件的耐压⽔平。
场板（Field Plates）、场限环(Field Limiting Rings)及其结合使⽤技术是⽬前在实际应⽤中经常采⽤⼜⼗分有效的结终端保护措施。其中“场板”对于解决表⾯电荷引起的低击穿是令⼈满意的，⽽“场限环”对于平⾯结曲率效应造成的低击穿有更明显的改进效果。不同的结终端保护措施具有不同的耐压敏感参数，场板和场限环的耐压敏感参数如表1所⽰。
表1 场板和场限环的敏感参数
2．⼯作原理
2．1场板的⼯作原理
场板是结终端技术中常⽤的⽅法之⼀，它是通过改变表⾯电势分布使曲⾯结的曲率半径增⼤，抑制表⾯电场的集中，从⽽提⾼器件的击穿电压。场板可分为⾦属性场板MFP(Metal Field Plate)和电阻性场板RFP(Resisitive Field Plate)，电阻性场板主要有多晶硅电阻场板和半绝缘多晶硅（SIPOS）电阻场板；场板⼜可分为偏置场板和浮空场板。偏置场板（FP）的基本结构如图3所⽰。它是由结接触的⾦属化延伸超过P+N结所构成的，此时场板的偏置电压和p+极的电压相同。当场板下的氧化层取适当厚度时，加在场板上的电压恰好使场板下的表⾯耗尽，从⽽达到增⼤曲率半径提⾼击穿电压的效果。太薄的氧化层厚度或(和) 较⾼的反向电压可使N 型硅表⾯强反型引起P 型沟道的出现，如果提前与邻近的P 区相连，就可能引起低击穿;⽽太厚的氧化层厚度则使N 区不⾜以耗尽，结曲率半径增加很有限从⽽难达到提⾼击穿电压的效果.
图3 带有场板的P+N结
场板的另⼀形式是浮空场板（Floating FP）.如图5所⽰。它的作⽤机制【3】：本来，p+n结在表⾯的冶⾦结处有最⼤电场。加场板后，由于n区⽐p+区的电位⾼，有⼀部分电⼒线从n区到场板，⼜有⼀部分电⼒线从场板到p区。因为场板是浮空的，这两部分电⼒线的通量相等。它们相当于在半导体耗尽层的n区表⾯引⼊负电荷，p+区表⾯引⼊正电荷，这两种电荷产⽣的电场与原来的相反，因此峰值电场降低。
图4 浮空场板
以上分析说明场板对于提⾼器件终端耐压⽔平是很有效的。但场板存在的⼀个固有的缺点是在其边缘存在峰值电场，影响器件的耐压。⽂献【3】认为场板边缘的峰值电场是因为场板的静电感应，场板边缘下的表⾯电荷产⽣的横向电场互相加强，造成⼀个横向场的峰值。当场板下氧化层厚度⾜够厚时，可以降低峰值电场的影响，所以氧化层厚度存在忧值。所以带有场板结构的平⾯结存在两个峰值电场，⼀个在弯曲结处即如图3中的A点，另⼀个在场板下的B点。根据O’Neil与Alonas的模拟计算结果【4】。具有氧化层厚度t ox场板的边缘击穿电压相当于⼀个结深为（εS/εOX）*t ox=3t ox的突变结的击穿电压。可见，场板边缘的击穿电压在t ox⼩时变得很低。
此外，场板边缘的峰值电场还跟场板的长度有关。如果场板很短，因为平⾯结的边缘在⽆场板时就有很强的电场，⽽场板上所有电荷都是使结边缘的电场减少的，因此，场板愈长，即场板上的电荷愈多，电场峰值则愈⼩。但场板太长浪费芯⽚的⾯积，增加成本。所以场板的长度也存在忧值。
2．2场限环的⼯作原理
在平⾯型⾼压器件设计中，常采⽤场限环来降低结结曲率效应引起表⾯电场的集中，提⾼击穿电压。各
场限环与主结及其它电极没有电接触，因此⼜称浮空场限环（Floating Field Limiting Ring，缩写FFLR）.它的主要优点是：结构简单，在扩散形成主结的同时，在其周
围做同样掺杂的环，不必添加另外的⼯艺。场限环的基本结构如图5所⽰。当加在主结上的电压逐渐增⼤，主结的耗尽区也逐渐往外扩展，电压增⼤到主结的雪崩电压之前，两个结（主结以及场限环）的耗尽区就已经汇合，起到增⼤结曲率半径的作⽤，提⾼击穿电压。场限环在某种程度上起到分压器的作⽤，并有助于明显地减⼩主结耗尽区的曲率。【5】
图5 带有⼀个场限环的P+N 结
主结跟环以及环跟环之间的距离、环的宽度对主结的分压能⼒有明显的影响：主结和环之间以及环跟环之间距离如果太近，则主结的曲率半径增加有限，分压效果就不太明显；距离如果太远，造成主结雪崩击穿之前环与主结的耗尽区还没汇合，则场限环没起到分压的作⽤，所以它们之间存在⼀个起作⽤最⼤的距离。同样环的宽度太⼩，分压作⽤就不明显；如果宽度太⼤，则浪费芯⽚⾯积。
2．3 场板和场限环的复合使⽤
场板结构的击穿电压受氧化层厚度及其致密度影响很⼤，采⽤国内流⾏⼯艺制作场板结构的⾼压器件，
实测值⽐计算值低很多，并且⼀致性与重复性差。⽽场限环结构对表⾯电荷效应⾮常敏感，特别是浅平⾯结的场限环结构，往往因为表⾯电荷影响导致器件击穿电压下降，甚⾄使器件实效。【6】在实际应⽤中，常采⽤场限环和场板结合使⽤的结终端保护技术。场限环对与主结的分压作⽤具有明显的效果，⽽场板对于抑制表⾯电荷效应的影响也⾮常显著。图6所⽰为带有3个场限环和4个场板（3flr4fp ）的结终端结构图。
图6 3flr4fp 结终端结构
3．结终端技术设计及优化
ox3．1 场板的设计及优化
由2.1节分析可知，当选取适当的氧化层厚度和场板长度时，使得pn结和场板边缘两处同时击穿，这时的击穿电压则为耐压最⼤值，即场板的最优设计。
⽂献【7】给出了氧化层厚度的判定标准. 当d = t ox/ w plane≥0. 3 时(w plane为理想平⾯结击穿时耗尽层宽度, w plane = 2.67×1010Nd- 7/8 ) ，场板边缘部分击穿和耗尽区内的平⾏平⾯(中⼼) 部分击穿机会是等同的，即此时场板才能减缓平⾯结电场集中,⽽⼜不在⾃⼰边缘击穿.同时如前⾯所述，太厚的氧化
层厚度也将降低平⾯结的击穿电压。
⽂献【8】指出了场板长度必须⼤于等于横向结深与耗尽层宽度之和，即
L≥0.8X j+W mn(1)
其中,L为场板的长度; X j为结深，且横向扩散为纵向扩散的0.8倍;W mn为击穿时的耗尽区宽度。
W mn= (2εsεo BV/qNd)1/2(2)为了既满⾜耐压要求⼜节省器件⾯积，我们可以取式（1）的临界值。即：
L≥0.8X j+(2εsεo BV/qNd)1/2(3)击穿电压随场板长度的增加⽽增加很快。如图7【8】。
图7 击穿电压与场板长度间关系
3．2场限环的设计及优化
环宽度（Wi）和环间距(Di)的优化是场限环结构设计的关键。根据⽂献【3】给出的场限环间距公式：
d i = [ r i2 + 5.19(N B/1016)-7/8? r i]1/2 - r i(4)
设主结及各环的曲率半径均等于同⼀个结深X j，则⽤X j代替上式中的r i即得所需的环间距。但上式的结论是在⼀些假设以及近似的前提下得到的，具有⼀定的安全性，并不是最优的环距离。根据⽂献【9】, 按最外环宽度为2～ 2.5X j (X j 为主结与环结的扩散深度) , 环宽度由外向内递增、环间距由外向内递减的原则, 选择环宽度和环间距。并根据W 1+ D 1≈W 2+ D 2≈…
≈W n+ D n取环间距值。
⽂献【3】也给出了场限环个数的公式：
V i,i+1 =3.87(N B/1016) r i2ln(1+5.19/ r i?(N B/1016)-7/8)+
(5)
20?(N B/1016)1/8 r i[ln(1+5.19/ r i?(N B/1016)-7/8)-1]
将上式除主结电压再减去1，即得最⼩场限环个数。
3．3场板和场限环复合使⽤模拟仿真
本⽂根据上述理论设计了⼀3个场限环结合4个场板（3flr4fp）的结终端技术，利⽤⼯艺仿真软件athena
【10】以及器件仿真软件atlas【11】，对结深为4um的P+N结（P+NN+结构）进⾏了仿真，其中场板采⽤⾦属铝场板。
图8 3flr4fp的剖⾯图
具体参数如下：
在主结没有采取任何终端措施时，耐压只有275V左右；当加上场板和场限环后，耐压提⾼到了600V左右。见图9和图10。
图9 主结及其击穿电压
图10 带有场板和场限环的主结及其击穿电压
4.总结
通过以上的理论分析和仿真结果，可见场板和场限环及其复合使⽤技术确实有效的提⾼了器件的击穿电压。通过理论计算及实验仿真可实现最优耐压值，且它们在⼯艺上很容易实现以及兼容性好。因此它们在⾼压器件中具有⼗分重要的作⽤。
参考⽂献
1．王阳元, T.I.卡明斯, 赵宝瑛等。多晶硅薄膜及其在集成电路中的应⽤。科学出版社。2001
2．唐本奇，粱苏军，罗晋⽣。⾼压平⾯结终端结构参数的优化⽅法分析。电⼒电⼦技术。1996.5
3．陈星弼。功率MOSFET与⾼压集成电路。东南⼤学出版社。1990.5
4．V.P.O’Neil and P.G.Alonas,IEEE Trans.Electron Devices.ED-26,1098(1979) 5．叶润涛，李世诚，王正儒。场效应和双极性功率晶体管原理。科学出版社。1998
6．万积庆，陈迪平。场限环与场板复合结构浅平⾯结⾼压器件设计。微细加⼯技术。No.2 1996 7．Adrian rusu and constantin bulucea IEEE transactions on electron devlces[J ] , 1979 ,26(3) :201 - 204.
8．张颖，陈炳全,⽯⼴元。VDMOSFET 终端场板的设计考虑。辽宁⼤学学报。Vol .28 No. 4 2001 9．Brieger K P, Gerlach W , Pelka J. Block ing Capability of Planar Devices with Field Limiting Rings. S S Electron,1983; 26 (8) : 739
10．ATHENA User’s Manual.SILVACO International Inc.1998.
11．ATLAS User’s Manual.SILVACO International Inc.1998.
附：等位线以及电场分布图：
图9：
potential distribution
electric field distribution
(0,-45.2) to (120,-45.2) efield distribution
integration of the efield
图10：
potential distribution
electric field distribution

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