1、半導體學報CHNESEJOURNALOFSEMCONDUCTORS第19卷第1期1998年1月Vol19,No.1Jan.,1998唐本奇高玉民羅晉生（西安交通大學微電子工程系西安710049）本文利用計及表面電荷的柱面結電場分布表達式并根據場限環優化條件，首次建立了單場限環表面電荷效應優化模型得到了考慮表面電荷效應后，優化單場限環結構擊穿電壓以及優化環間距的歸一化計算公式分析了表面電荷密度對場限環結構耐壓和優化環間距的影響計算結果與文獻中的數值模擬結果相符合推得的公式可應用于場限環結構的實際設計PACC：2530B,2530E由于平面工藝的硅氧化過程在SO2層及SOz/Si界面上，不可避免地

2、引入一定量的可動離子和固定電荷這些表面電荷對高壓器件及其終端結構的耐壓特性存在著明顯的影響場限環結構是功率器件常用的結終端技術之一，它通過場限環分壓，降低了結表面區由曲率效應引起的高電場,從而提髙了主結的擊穿電壓，文獻1,2通過數值方法模擬了表面電荷對場限環結構電場分布及耐壓的影響，文獻3利用泊松方程及拉普拉斯方程圓柱解,得到了有表面電荷時具有場限環詛結表面電場與電位分布公式本文利用計及表面電荷的柱面結電場分布表達式，根據場限環結構優化條件，采用解析方法首次得到了考慮表面電荷效應后，優化單場限環結構擊穿電壓和優化環間距的歸一化計算公式由此,分析了表面電荷密度對場限環耐壓和優化環間距的影響計算結

3、果與文獻中的數值模擬結果相符,推得的公式可用于場限環結構的實際設計2對于結深為心外延層摻雜濃度為Nd,表面電荷密度為的“訊突變平面結，如圖1所示,在門為A10pm,ND為1010,5an0為10l（,4X10a范圍內，柱面結區域的電場可近似表示為：*本項目得到了國家自然科學基金的資助唐本奇男.1966年出生.博士生從事功率集成電路及結終端技術研究1996-11-15收到.1997-01-20定稿 半導體學報19卷1期唐本奇等：單場限環結構擊穿電壓的表面電荷效應分析 51期唐本奇等：單場限環結構擊穿電壓的表面電荷效應分析 Eg=K/7(1)其中a(Qt)=1+0.04(ef/io11)1-8,K

4、為與Nd和介電常數有關的量對式(1)求Floup電離積分，可得到考慮表面電荷效應的柱面結臨界電場和擊穿電壓的歸一化表達式：Eco/Ecpp=B/2(2)芒=右W+*2十+i)b曠必皿“(3)其中系數B=(7(X-l)/8l/7,0=r人為歸一化曲率半徑,人為平板結擊穿時耗盡層寬度,Ecpp為平板結臨界電場,Vcpp常數圖1P*取柱狀結的表面電荷效應模型=EcppIc/2=qVD/c2/26為平板結擊穿電壓,G為硅的介電對于圖2所示的單場限環結構，假設主結和環結的結深均為乃,主環結間距為/s,在優化條件下,環結曲率部分的電場可等效于上述柱面結電場與主/環結間氧化層表面電荷作用的疊加，因而,環結的

5、擊穿電壓可由式確定：Vcpp-2十(0(十1)3曠必產宀(4)其中系數C與表面電荷密度0、結深和環間距人有關，且0.5C0時,C二1.Q圖2單場限環結構表面電荷效應模型由于場限環的分壓作用，降低了主結處的峰值電場，提高了器件的耐壓若假定主結電場Emo僅由主結與環結間的電勢差決定，對式(1)積分并經過歸一化處理，可以得到考慮表面電荷效應后柱面結電位分布的歸一化表達式:Vm-*VCPP六(瓷)(戶址廠其中mft=K/A為柱面結峰值電場;ra為柱面結耗盡區寬度在場限環結構優化條件下，主結峰值電場等于環結的峰值電場,并同時達到臨界電場值,其歸一化形式為:Ema/fecpp=Eca/Ecpp=B/將(6

6、)式代入式(5),即可得到考慮表面電荷效應后的單場限環結構擊穿電壓的歸一化表達式Vcffr/Vcpp=(Vpb/Vcpp)+匸一;Bh*)(7)(X-1其中環結擊穿電壓Vpb/Vcpp由式確定，系數G二(人/兀)，若取圓柱對稱解則G二1.根據式(7),可以很方便地計算出在不同結深/不同外延層摻雜濃度Nd和不同表面電荷密度0條件下，優化單場限環的歸一化擊穿電壓值在圖3中，畫了在不同歸一化曲率半徑下,優化單場限環結構歸一化擊穿電壓Vcttr/圖3優化單場限環結構歸一化擊穿電壓隨表面電荷密度0（的變化曲線Vcpp隨表面電荷密度0的變化曲線,其中實線對應于80.7的情況，虛線對應于C二1.0的情形由圖

7、3可以看岀，場限環結構耐壓將隨著表面電荷密度增加而降低，且當0A2X10nan-?時,這種影響變得十分顯著3環間距人是場限環耐壓設計最敏感的參數,/s過大或過小，將使環結或主結先擊穿,從而削弱了終端結構的耐壓能力.若假設場限環的存在不影響主結空間電荷區的擴展及其電位分布（即設定為無限窄環情形），此時，環結電位可由下式確定：Ve=()/d/s-(/s/2)其中/戶（于）為主結電壓為f時的耗盡區寬度0D對（8）式進行等效變換，可以得到：/s-2（yrn/VCPP）勺c/s+（/s/VCPP）VE=0（9）對于優化的場限環結構，主結和環結應同時滿足臨界擊穿條件，即：Vm=VcPER和Vf二Uns（1

8、0）=(VCFER/VCPP)-(VCFFR/V在此條件下,解方程（9）,即可得到有表面電荷時單場限環結構優化環間距的歸一化公式:利用上一節結果，可以很方便的得到，在不同結深荷密度0下,單場限環結構優化環間距的歸一化值在圖4中，畫出了在不同歸一化曲率半徑下,單場限環歸一化優化環間距/s/c隨0的變化曲線，其中，實線對應于c=0.7,虛線對應于C=1.0的情況由圖4可以看出，優化環間距隨著0的增加而減小cpp)-(yFB/Vcpp)l/(11)Qf/10ncm-：圖4歸一化優化環間距隨表面電荷密度0的變化曲線在前面兩節中，推導了單場限環結構耐壓和優化環間距的計算公式，下面選取一個具體的單場限環結

9、構進行計算，其參數如下:外延摻雜濃度 #半導體學報19卷1期唐本奇等：單場限環結構擊穿電壓的表面電荷效應分析 51期唐本奇等：單場限環結構擊穿電壓的表面電荷效應分析 #Nd=10,4an*3,P+結歸一化曲率半徑r/l.=0.2,計算得到的擊穿電壓心咖和優化環間距人隨表電荷密度0的變化曲線分別如圖5和圖6所示在圖5和圖6中,還分別給岀了文獻2中對應的數值模擬結果，從圖中可以看出二者之間的誤差隨著0的增加而增加對于優化場限環結構的擊穿電壓，當0在0.13.5X10=22范圍內時，解析解與數值之間的誤差小于5%,當0=4.0X10nan-2,者間的誤差達到最大值13%.對于場限環結構的優化環間距當

10、0在0.13.0X10=2范圍內時，解析解與數值解之間的誤差小于15%,當0=4.0X10怙二者間的誤差達到了最大值100%,由此可見本模型適用的范圍為5=0.13.0X10an*2.Qf/10ncm2圖5優化單場限環結構的擊穿電壓隨0的變化曲線Qf/10ucm3圖6單場限環結構優化環間距隨0的變化曲線 #半導體學報19卷1期唐本奇等：單場限環結構擊穿電壓的表面電荷效應分析 #51期唐本奇等：單場限環結構擊穿電壓的表面電荷效應分析 # 半導體學報19卷1期唐本奇等：單場限環結構擊穿電壓的表面電荷效應分析 #51期唐本奇等：單場限環結構擊穿電壓的表面電荷效應分析 #該模型主要存在著如下三個方面的

11、誤差：(1)P+-N突變平面結表面電荷效應模型在0值較大時存在著一定的誤差并引入到了場限環表面電荷效應模型中(2)在環結模型中，參數C取常數值07,正如第二節所述，參數C是隨Q.,/s和rj變化的，不同的0對應的C值是不同的(3)在場限環耐壓的計算中，取圓柱對稱解，即參數G二(/%)1,嚴格講，圓柱對稱解在邊界上并不適用，它忽略了平面部分與表面電場的相互作用通過圓柱對稱解的電位分布,計算平板結耐壓下對應的圓柱區耗盡層邊界半徑ra,可以得到：ln(/c/rd)=(/c/rd)2l+(0/2)+In十(1/2)(12)由式(12),可確定在不同下的/.-/rd值,從而可求出在不同5下的參數G值,在

12、乩的適用范圍內可計算出G取值在1.41.4之間本文建立了單場限環結構表面電荷效應的優化模型,推導了有表面電荷時，優化單場限環結構擊穿電壓和優化環間距的歸一化計算公式，分析了場限環結構擊穿電壓和環間距隨表面電荷密度0的變化規律計算結果具有一定的精度推導的計算公式可應用于場限環結構的實際設計中.1KP.Brieger,.WGerlachandJ.Pelka,Solid-StateElectronics.1983,26(8):73474、2CB.GoudandK.N.Bhat,IEEETransElectronDevices.1992,39(7):1768177Q3陳星弼.電于學扌艮198&16(5

13、):14-19.4K.Yang-JungKm.Min-KooHanelal,Solid-StateElctronics,1995,38(5):110711085B-J.Baliga,Solid-StaleElectronics,1990,33(5):48548&61陳星弼.功率MOSFET與高壓集成電路.南京:東南大學出版社.199QAnalysisofBreakdownVoltageforSurfaceChargeEffectonFloatingFieldLinithgRiigStructureTangBenqi,GaoYuminandLuoJinsheng(Dq)arnenI(fMicro

14、electronicEngineering、XanJiaotongUdiversity，Xan710049)Received15November1996,revisedmanuserptreceived20January1997AbstractInthispaper,thenonnalizedexpressbnsofbreakdownvoltageandoptinuinringspacingofsinglefbatingfieIdlinitingring(FFLR)structurearederivedbyuseofthefbnnulaofeletricfieIdincludingthesurfacechargeinthecylindrica