0 引言

    雙極型晶體管是半導(dǎo)體器件中最為通用的一種，特別是一些具有高耐壓,、大電流等性能的雙極型晶體管在電力電子技術(shù)領(lǐng)域獲得越來越廣泛的應(yīng)用,。為了提高晶體管的耐壓，已開發(fā)的高壓終端結(jié)構(gòu)有場板技術(shù),、刻槽技術(shù),、場環(huán)技術(shù)等，這幾種終端技術(shù)都有其各自不同的特點(diǎn),，其中場環(huán)技術(shù)可由常規(guī)工藝實(shí)現(xiàn),，且工藝簡單，提高耐壓效果好,，是一種常用的改善晶體管耐壓的有效方法,。本文主要研究場環(huán)終端技術(shù)的優(yōu)化設(shè)計及其在實(shí)際版圖設(shè)計中的應(yīng)用。

1 浮空場環(huán)的工作原理

    在擴(kuò)區(qū)主結(jié)的四周設(shè)置浮空場環(huán)是提高擊穿電壓的一個有效方法,。浮空場環(huán)能夠有效改變主結(jié)附近的電場分布,，使曲面結(jié)的曲率半徑增大，抑制表面電場的集中,，從而提高器件的擊穿電壓,。圖1所示為同一結(jié)構(gòu)在添加浮空場環(huán)前后的耗盡層邊界對比。與未加浮空場環(huán)結(jié)構(gòu)相比,，主結(jié)附近增加了浮空場環(huán)的結(jié)構(gòu)其耗盡層邊界也發(fā)生了變化,，有效增大了結(jié)的曲率半徑，從而達(dá)到提高擊穿電壓的目的,。

2 浮空場環(huán)的設(shè)計優(yōu)化

    浮空場環(huán)的設(shè)計重點(diǎn)是確定場環(huán)與主結(jié)的間距,，為了能有效改變主結(jié)附近的電場，浮空場環(huán)必須設(shè)置在主結(jié)的耗盡寬度內(nèi),，如果浮空場環(huán)距離主結(jié)過近,，其電勢會和主結(jié)很接近，因?yàn)楦唠妶龀霈F(xiàn)在浮空場環(huán)處,，并不能有效提高擊穿電壓,；而如果浮空場環(huán)設(shè)置得距離主結(jié)過遠(yuǎn),，其對主結(jié)電場的影響會很小，對擊穿電壓的提高也不明顯,。所以有必要將浮空場環(huán)設(shè)置在最佳的間距來提高擊穿電壓,。

    本文主要針對的是一款高壓NPN晶體管的版圖設(shè)計時遇到的問題，該款晶體管采用刻槽工藝來滿足高耐壓要求,，但由于刻槽工藝相比場環(huán)工藝較難實(shí)現(xiàn),，而且需要專業(yè)的刻蝕設(shè)備，成本也較大,。所以選擇用浮空場環(huán)技術(shù)代替刻槽技術(shù)來滿足該款晶體管的高耐壓要求,。

    在進(jìn)行浮空場環(huán)設(shè)計時，場環(huán)間距是一個很關(guān)鍵的參數(shù),。在最優(yōu)間距時,，主結(jié)與浮空場環(huán)同時達(dá)到擊穿臨界電場。在實(shí)際設(shè)計場環(huán)間距時主要考慮的因素包括：(1)場環(huán)與主結(jié)的最佳間距,；(2)基區(qū)和場環(huán)的橫向擴(kuò)散,。

2.1 場環(huán)與主結(jié)的最佳間距

    根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，場環(huán)與主結(jié)的最佳間距W_S一般在平行平面結(jié)擊穿時耗盡層寬度^[1]的0.15～0.35倍范圍內(nèi),。對于本設(shè)計,，BV_CBO需大于600 V，實(shí)際設(shè)計時考慮到20%的設(shè)計余量,，BV_CBO設(shè)計值為720 V,。由于本設(shè)計CB結(jié)是由N型外延與P型基區(qū)擴(kuò)散區(qū)形成的PN結(jié)，而外延相對于基區(qū)摻雜濃度很小,，因此該P(yáng)N結(jié)可近似為單邊突變結(jié)即該結(jié)耗盡區(qū)主要在外延這邊,，所以用單邊突變結(jié)時的耗盡區(qū)寬度計算公式進(jìn)行計算。

    一般地,，若W為擊穿時的耗盡區(qū)寬度,，耗盡區(qū)寬度的計算公式為：

    由于該P(yáng)N結(jié)近似于單邊突變結(jié)，該集電區(qū)耗盡區(qū)寬度可用突變結(jié)耗盡層近似,，因而該公式可以簡化為：

    根據(jù)圖2的單浮空場環(huán)歸一化最優(yōu)間距,，可以看出歸一化最優(yōu)間距隨著結(jié)歸一化結(jié)曲率半徑的增大而增大。最優(yōu)間距在平行平面結(jié)擊穿時耗盡層寬度的0.15～0.35倍范圍內(nèi),。通過對要設(shè)計晶體管樣品的解剖分析及仿真,，其基區(qū)結(jié)深為30 μm左右，通過計算已知擊穿時耗盡層寬度為67 μm,，可以得到其歸一化曲率半徑為0.44,，則其歸一化最優(yōu)場環(huán)解析值為0.35。所以場環(huán)的最優(yōu)間距W_S=67×0.35≈23 μm。

2.2 考慮基區(qū)的橫向擴(kuò)散

    由于基區(qū)在注入推結(jié)時,，雜質(zhì)離子在向縱向擴(kuò)散的同時還存在橫向擴(kuò)散,，所以在設(shè)置場環(huán)間距時必須考慮到結(jié)的橫向擴(kuò)散。本設(shè)計基區(qū)結(jié)深X_j=30 μm,，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，雜質(zhì)離子橫向擴(kuò)散長度約為其縱向擴(kuò)散長度的80%,，所以基區(qū)的橫向擴(kuò)散長度為0.8X_j,。因場環(huán)與基區(qū)主結(jié)是同時形成的，所以兩邊的橫向擴(kuò)散都需要考慮,，這里需考慮的橫向擴(kuò)散總距離為2×0.8X_j=2×24 μm=48 μm,。

    綜上所述，該產(chǎn)品版圖設(shè)計的場環(huán)距基區(qū)的主結(jié)間距是上述幾個值之和,，即：

    實(shí)際版圖設(shè)計^[3]時取整70 μm作為場環(huán)間距,。由式(3)可知，該產(chǎn)品版圖設(shè)計時場環(huán)的最優(yōu)間距為70 μm時滿足設(shè)計耐壓要求,。

3 仿真驗(yàn)證

    為了驗(yàn)證場環(huán)是否能有效提高耐壓,，首先用Silvaco軟件對該產(chǎn)品加浮空場環(huán)前后的BV_CBO(集電極-基極擊穿電壓)、BV_CEO(集電極-發(fā)射極擊穿電壓)等電特性進(jìn)行了仿真,。隨后,，在相同條件下對采用浮空場環(huán)技術(shù)和刻槽技術(shù)的兩種不同結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行仿真，對比其仿真結(jié)果,。

    仿真時,，采用電阻率為23 Ω·cm的N型襯底（摻磷雜質(zhì)濃度為2.1×10¹⁴/cm³），基區(qū)采用注入劑量為5E15的硼,，發(fā)射區(qū)采用注入劑量為8E17的磷,。

    對于未加浮空場環(huán)的結(jié)構(gòu)，其仿真結(jié)果如圖3,、圖4所示,。

    圖3顯示了常規(guī)結(jié)構(gòu)的工藝仿真結(jié)果及CB結(jié)擊穿時的電場分布，從圖3(a)可看出其集電極-基極結(jié)擊穿時硅材料內(nèi)部的電場分布情況,，電場線的疏密代表電場的強(qiáng)弱,，電場線越密處電場越強(qiáng)；從圖3(b)可看出其縱向結(jié)構(gòu),，基區(qū)結(jié)深30 μm,，發(fā)射區(qū)結(jié)深12 μm。圖4為未加浮空場環(huán)時仿真所得的器件特性,，由圖4仿真結(jié)果可以看出,，基區(qū)周圍未加浮空場環(huán)前，BV_CBO不到700 V,，BV_CEO約為460 V左右,。

    由圖5仿真結(jié)果可以看出,，加浮空場環(huán)后，BV_CBO達(dá)到800 V左右,，BV_CEO為500 V左右,。圖6為CB結(jié)擊穿時，基區(qū)主結(jié)與浮空場環(huán)的電場分布,，電場線越密,，代表電場強(qiáng)度越強(qiáng)，從圖6(a)中可以看出,，當(dāng)CB結(jié)擊穿時,，其電場線最密處出現(xiàn)在基區(qū)主結(jié)與場環(huán)結(jié)的拐點(diǎn)處，代表這兩處電場最強(qiáng),，即擊穿點(diǎn),；從圖6(b)中可以看出，當(dāng)CB結(jié)擊穿時,，基區(qū)主結(jié)與浮空場環(huán)同時達(dá)到擊穿臨界電場,。

    對比上述仿真結(jié)果，可看出在相同仿真條件下,，加浮空場環(huán)的結(jié)構(gòu)與未加浮空場環(huán)的結(jié)構(gòu)相比,，其結(jié)擊穿電壓BV_CBO提高了100 V左右，BV_CEO提高了40 V左右,，擊穿電壓特性在加浮空場環(huán)后有明顯提高,。因此，場環(huán)終端技術(shù)確實(shí)能夠有效提高器件的耐壓特性,。

    隨后通過對比解剖國外同類產(chǎn)品,，發(fā)現(xiàn)其芯片結(jié)構(gòu)采用了刻槽工藝^[4]來提高耐壓。仿真時,，在其他仿真條件不變的前提下,，將浮空場環(huán)技術(shù)替換為刻槽技術(shù)，槽深按實(shí)際解剖所得80 μm設(shè)計,，并對其耐壓特性進(jìn)行了仿真,，其工藝結(jié)構(gòu)及器件特性仿真結(jié)果如圖7、圖8所示,。

    圖7所示為采用刻槽工藝時器件的縱向結(jié)構(gòu)及CB結(jié)擊穿時的電場分布,，電場線越密，代表電場強(qiáng)度越強(qiáng),，從圖中可以看出電場最強(qiáng)處出現(xiàn)在槽邊緣部位即擊穿點(diǎn)部位,。由圖8仿真結(jié)果可知，當(dāng)采用刻槽工藝時，BV_CBO和BV_CEO也分別能達(dá)到 800 V左右和500 V左右,。上述3種不同結(jié)構(gòu)器件仿真結(jié)果對比如表1所示,。

    由上述結(jié)果可知，采用浮空場環(huán)技術(shù)與采用刻槽技術(shù)的器件特性仿真結(jié)果基本一致,，這兩種結(jié)構(gòu)相比常規(guī)結(jié)構(gòu)都能明顯提高器件的耐壓,。但是考慮到刻槽工藝需要專業(yè)的設(shè)備，而且工藝要求更高,，所以在實(shí)際芯片生產(chǎn)中可以采用更容易實(shí)現(xiàn)且成本較低的浮空場環(huán)工藝來替代刻槽工藝,，以達(dá)到芯片電特性要求。

    在對該產(chǎn)品的實(shí)際版圖設(shè)計時進(jìn)行了拼版設(shè)計,，分別采用了兩種不同的技術(shù)來提高耐壓，一種是按實(shí)際解剖的結(jié)果采用刻槽工藝技術(shù),，另一種是采用浮空場環(huán)技術(shù)來提高耐壓,。采用拼版設(shè)計既可以節(jié)約研發(fā)成本，用一批實(shí)驗(yàn)流片實(shí)現(xiàn)兩種工藝技術(shù)的實(shí)驗(yàn)對比,，又可以縮短研發(fā)時間,。通過實(shí)際流片測試，其器件電特性都基本滿足設(shè)計要求,。

4 總結(jié)

    通過上述的理論分析與仿真結(jié)果及實(shí)際流片結(jié)果,，可見浮空場環(huán)技術(shù)確實(shí)有效提高了器件的擊穿電壓。而且與刻槽技術(shù)相比,，場環(huán)技術(shù)更容易實(shí)現(xiàn),，不需要增加額外工藝步驟，也不需增加專業(yè)設(shè)備,，工藝可行性更高,，成本更低。通過理論計算及實(shí)驗(yàn)仿真可實(shí)現(xiàn)場環(huán)的設(shè)計優(yōu)化,，且其在工藝上容易實(shí)現(xiàn),，兼容性好。通過本次版圖設(shè)計,，體會到在以后的分立器件設(shè)計中,，不一定非要照搬樣品的結(jié)構(gòu)設(shè)計，而是應(yīng)該根據(jù)生產(chǎn)線的實(shí)際情況選擇成本最低,、更容易實(shí)現(xiàn)且工藝兼容性更好并能實(shí)現(xiàn)相同效果的設(shè)計,。

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作者信息:

李  照,，張戰(zhàn)國,，高  博，常正陽,，黃山圃

(航天科技集團(tuán)九院七七一研究所,，陜西 西安710000)