超級(jí)結(jié)電場(chǎng)分布仿真分析

王卉如，揣榮巖，關(guān)艷霞

（沈陽工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽110870）

1 引言

對(duì)于硅基功率器件，擊穿電壓和導(dǎo)通電阻始終是一對(duì)矛盾參數(shù)，國內(nèi)外研究學(xué)者一直在尋找打破“硅極限”的方法。陳星弼教授在國際上首次提出了各種終端技術(shù)的物理解釋以及解析理論，論證了結(jié)邊緣技術(shù)的要害在于邊緣引入的電荷所產(chǎn)生的電場(chǎng)降低了最大電場(chǎng)[1]，并在上世紀(jì)80年代末基于終端技術(shù)理論提出復(fù)合緩沖層（Composite Buffer,CB）結(jié)構(gòu)，其中CB也被稱為電荷平衡（Charge Balance）結(jié)構(gòu)，以此建立起具有劃時(shí)代意義的超級(jí)結(jié)（Super Junction）理論。超級(jí)結(jié)打破了“硅極限”，它使擊穿電壓和導(dǎo)通電阻由傳統(tǒng)的2.5次冪關(guān)系變?yōu)榻€性[2]。自1998年起，國外已有8家公司在制造超級(jí)結(jié)器件，隨著工藝的改進(jìn)，成本大大降低，科技成果轉(zhuǎn)化市場(chǎng)規(guī)模每年超過10億美元[3]。

最初的MOS功率器件為橫向MOSFET，只存在橫向電場(chǎng)。上世紀(jì)80年代發(fā)展出了垂直MOSFET，漏極和源極分別做在了芯片的兩個(gè)表面，形成垂直導(dǎo)電通道，只存在縱向電場(chǎng)[4]。具有以上兩種結(jié)構(gòu)的DMOS則是由單一導(dǎo)電類型的低摻雜半導(dǎo)體層構(gòu)成，稱為阻型耐壓層器件。IGBT在垂直DMOS的基礎(chǔ)之上引入了P型層，增加了電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，使PN結(jié)正向大注入非平衡載流子，增加了開態(tài)載流子濃度，稱為電導(dǎo)增強(qiáng)型耐壓層器件。無論是阻型耐壓層器件還是電導(dǎo)增強(qiáng)型耐壓層器件，都只擁有一維電場(chǎng)分布。而超級(jí)結(jié)器件是利用周期性排列的縱向PN結(jié)作為高壓漂移區(qū)，實(shí)現(xiàn)了由阻型耐壓層到結(jié)型耐壓層的進(jìn)步[5]，成為功率MOS單極器件的“里程碑”[6]，這主要得益于它獨(dú)特的橫向電場(chǎng)分布能夠分擔(dān)一部分電壓，使之耐壓性能有了質(zhì)的飛躍。

2 超級(jí)結(jié)基本模型

典型的超級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu)仿真圖如圖1所示。當(dāng)施加正向漏極電壓，器件處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，J1、J2和J3結(jié)都反偏。耗盡層與二極管一樣具有單向?qū)щ娦裕阅軌蚋笙薅忍岣咂骷哪蛪耗芰ΓQ為結(jié)型耐壓層器件[7]。

圖1 超級(jí)結(jié)仿真結(jié)構(gòu)圖

兩種類型器件電場(chǎng)分布情況有所差異，如圖2所示。結(jié)型耐壓層器件在漂移區(qū)存在多個(gè)垂直PN結(jié)，N柱中存在帶正電的施主離子，P柱中存在帶負(fù)電的受主離子，因此形成由N柱指向P柱的橫向電場(chǎng)，如圖2(a)所示。基于電場(chǎng)疊加原理，總電場(chǎng)E(x,y)是一維電場(chǎng)分量EP(y)和二維電場(chǎng)分量Eq(x,y)的疊加。EP(y)表示外加電壓形成的電勢(shì)場(chǎng)，Eq(x,y)表示由PN結(jié)電荷耦合形成的電荷場(chǎng)。傳統(tǒng)的阻型耐壓層器件在關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，如圖2(b)所示，電荷場(chǎng)和電勢(shì)場(chǎng)方向相同，二者都沿著y方向做電場(chǎng)疊加，縱向電場(chǎng)很大，容易達(dá)到臨界電場(chǎng)強(qiáng)度繼而發(fā)生雪崩擊穿，導(dǎo)致器件的耐壓較低。

圖2 兩種類型耐壓器件電場(chǎng)方向示意圖

3 超結(jié)器件二維電場(chǎng)分布

基本超結(jié)結(jié)構(gòu)（超結(jié)PiN結(jié)構(gòu)）如圖3所示。標(biāo)記出A、A′、B、B′、C、C′、O、O′八個(gè)特征點(diǎn)和由這些特征點(diǎn)進(jìn)行連線的特征電場(chǎng)線。漂移區(qū)厚度LD=60μm，元胞寬度Wcell=4.6μm，P柱和N柱寬度相等，皆為W=0.5Wcell=2.3μm，N柱摻雜濃度為1.5×1016cm-3，P柱摻雜濃度為1.405×1016cm-3。此超結(jié)模型的擊穿電壓可達(dá)1000V。

圖3 基本超結(jié)結(jié)構(gòu)

在此超級(jí)結(jié)模型中電場(chǎng)分布如圖4所示。可明顯看出峰值電場(chǎng)出現(xiàn)在A、B和O′點(diǎn)，電場(chǎng)最小值發(fā)生在A′和B′點(diǎn)，柱區(qū)內(nèi)部電場(chǎng)分布比較均勻[8]。沿著AA′、BB′和AB這些電場(chǎng)線同時(shí)發(fā)生雪崩擊穿時(shí)可以得到最小的導(dǎo)通電阻Ron[9]。如果對(duì)各個(gè)特征點(diǎn)進(jìn)行任意兩點(diǎn)連線，可以得到以下四類有代表性的直線段，分別為：

①縱向PN結(jié)耗盡層中心（例：CC′）；

②漂移區(qū)P柱或者N柱縱向中心（例：AA′、BB′。此類特點(diǎn)是從電場(chǎng)峰值連接到電場(chǎng)谷值，還有與之相似的是線O′A′）；

③兩個(gè)電場(chǎng)峰值的連線（例：AB、AO′）、兩個(gè)電場(chǎng)谷值的連線（例：A′B′）；

④超級(jí)結(jié)漂移區(qū)橫向的電場(chǎng)分布（例：B′A、OO′、BA′）。

圖4 超結(jié)模型電場(chǎng)分布圖

對(duì)以上四類特征點(diǎn)連線構(gòu)成的特征電場(chǎng)線分別進(jìn)行仿真分析。按照?qǐng)D3中所示，以AA′的中點(diǎn)作為原點(diǎn)建立平面直角坐標(biāo)系。第一類是在以線CC′（x=-W/2）為代表的縱向耗盡層中心，類似的直線還有x=W/2和x=-3W/2。此類縱向耗盡層中心電場(chǎng)分布如圖5所示，漂移區(qū)中三個(gè)縱向PN結(jié)的電場(chǎng)值與耗盡程度大致相同，在反向漏電壓為1000V時(shí)，柱區(qū)內(nèi)部的平均電場(chǎng)為2.8×105V/cm。從圖5中可以觀察到在距離兩側(cè)襯底d=3μm位置都結(jié)束了電場(chǎng)的漸變過程。d值與襯底厚度、襯底濃度和漂移區(qū)摻雜濃度有關(guān)，漂移區(qū)中間位置（3~57μm）保持電場(chǎng)恒定峰值。

圖5 縱向耗盡層中心電場(chǎng)分布

第二類是P柱和N柱的縱向中心，也就是直線AA′和直線BB′，它們都是從電場(chǎng)的最大值指向電場(chǎng)的最小值，與之類似的特征線還有O′A′。電場(chǎng)分布情況如圖6所示。

可以觀察到AA′和BB′兩個(gè)圖像幾乎完全重合。同樣，在距離襯底d=3μm處結(jié)束電場(chǎng)值的漸變過程，漂移區(qū)中部保持電場(chǎng)的恒定。圖6中都是以電場(chǎng)的最大值為起點(diǎn)，以電場(chǎng)的最小值為終點(diǎn)，A、B和O′點(diǎn)的電場(chǎng)值大致相等，約為3.25×105V/cm。A、B兩點(diǎn)只擁有縱向電場(chǎng)，O′點(diǎn)只擁有橫向電場(chǎng)，這說明器件中橫向峰值電場(chǎng)和縱向峰值電場(chǎng)同時(shí)達(dá)到相同臨界擊穿電場(chǎng)，避免器件提前發(fā)生雪崩擊穿。A′點(diǎn)和B′點(diǎn)電場(chǎng)的最小值也大致相等，約為0V/cm。

第三類是以電場(chǎng)的兩個(gè)峰值連線（AB、AO′）或兩個(gè)谷值連線（A′B′），電場(chǎng)分布情況如圖7所示。曲線AB的獨(dú)特之處在于它橫跨三個(gè)電場(chǎng)峰值，且電場(chǎng)峰值大致相等，說明在此超結(jié)模型中橫縱電場(chǎng)的峰值相等，能夠同時(shí)達(dá)到臨界擊穿電場(chǎng)發(fā)生雪崩擊穿。

圖7 兩點(diǎn)極值連線的電場(chǎng)分布

第四類為漂移區(qū)橫向的電場(chǎng)分布，仿真結(jié)果如圖8所示。LD表示漂移區(qū)厚度，分別取漂移區(qū)的上表面（y=LD/2）、中間（y=0）和下表面（y=-LD/2）。由于超級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu)擁有二維電場(chǎng)，縱向的電荷場(chǎng)對(duì)橫向的電荷場(chǎng)有調(diào)制作用，上下表面的橫向電場(chǎng)不再是傳統(tǒng)器件的折線分布，而是近似正余弦函數(shù)分布。只有漂移區(qū)中間位置（y=0）缺少縱向電荷場(chǎng)的調(diào)制作用，幾乎只有橫向的電荷場(chǎng)，所以依舊是折線分布。這說明越靠近襯底縱向電荷場(chǎng)調(diào)制作用越明顯。

圖8 漂移區(qū)上、下表面及中部橫向電場(chǎng)分布

4 超級(jí)結(jié)模型改進(jìn)

在襯底位置引入P-和N-緩沖層，襯底厚度變?yōu)?μm，P-緩沖層厚度（LP-）設(shè)為2μm，經(jīng)如此改進(jìn)的超結(jié)結(jié)構(gòu)仿真圖如圖9所示。因?yàn)橹凶渔幼兗夹g(shù)能形成非常低、非常均勻的N型摻雜，而且對(duì)于給定的電壓等級(jí)，P+N允許比N+P厚度更薄（功率半導(dǎo)體器件的損耗約為厚度的平方），所以對(duì)于1000V以上的高壓半導(dǎo)體器件來說，漂移區(qū)通常是N型低摻雜，在此只增加N-緩沖層的厚度，漂移區(qū)的厚度則相應(yīng)減小，確保元胞的總厚度不變。

圖9 N-緩沖層半超結(jié)改進(jìn)模型電場(chǎng)分布

經(jīng)仿真，得到N-層厚度在17μm時(shí)耐壓能力存在一個(gè)小峰值1074V。由圖9也可以觀察到，超結(jié)部分的電場(chǎng)分布和前文所描述的并無二致，區(qū)別在于N-緩沖層的電場(chǎng)很低，且不會(huì)改變器件的耐壓能力。半超結(jié)可以減少一步外延生長(zhǎng)和離子注入的工序，從而降低工藝難度和成本，基于此，制造高壓器件只需要調(diào)整緩沖層的厚度和摻雜濃度，超結(jié)層的結(jié)構(gòu)不變。改進(jìn)后的模型還具有軟反向恢復(fù)特性，且恢復(fù)噪聲很小，總導(dǎo)通電阻降低[10]。

沿著直線AA′和直線B′B，對(duì)縱向電場(chǎng)分布進(jìn)行仿真，得到的圖像如圖10所示。N柱和P柱的電場(chǎng)強(qiáng)度在超結(jié)層是一個(gè)定值，為1.745×105V/cm，電場(chǎng)的峰值和谷值大致以此上下對(duì)稱；緩沖層的電場(chǎng)線性微微下降，電場(chǎng)值變化不大，在x=60μm處為1.612×105V/cm。

圖10 半超結(jié)沿直線AA′和B′B的電場(chǎng)分布

5 結(jié)束語

超級(jí)結(jié)器件利用電荷耦合概念在傳統(tǒng)器件的漂移區(qū)引入橫向的電荷場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了從阻型耐壓層器件到結(jié)型耐壓層器件的飛躍。通過仿真，對(duì)于超結(jié)器件的電場(chǎng)分布特點(diǎn)可有直觀準(zhǔn)確的把握。擊穿電壓有可能發(fā)生在橫向電場(chǎng)峰值處和縱向電場(chǎng)峰值處，不同點(diǎn)位置的電場(chǎng)峰值大致相同，能夠同時(shí)達(dá)到臨界擊穿電壓。襯底的地方縱向電荷場(chǎng)越大，調(diào)制作用越明顯。通過改進(jìn)超結(jié)模型，引入N-緩沖層，對(duì)電場(chǎng)線變化趨勢(shì)完成分析，縱向電荷場(chǎng)對(duì)橫向電荷場(chǎng)的調(diào)制作用也同時(shí)得以驗(yàn)證。