1、具有高压互连线的多区双 RESURF LDMOS 击穿特性第 28 卷第 9 期2007 年 9 月半导体CHINESEJOURNALOFSEMICONDUCTORSV0】.28No.9Sep.,2007具有高压互连线的多区双 RESURFLDMOS击穿特性*乔明周贤达段明伟方健张波李肇基(1 电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室,成都 610054)摘要:对 600V 以上级具有高压互连线的多区双 RESURFLDMOS 击穿特性进行了实验研究,并对器件进行了二维,三维仿真分析.利用多区 Ptop 降场层的结终端扩展作用以及圆形结构曲率效应的影响,增强具有高压互连线的横向高压器件漂移
2、区耗尽,从而降低高压互连线对器件耐压的影响.实验与仿真结果表明,器件的击穿电压随着互连线宽度的减小而增加,并与 Ptop 降场层浓度存在强的依赖关系,三维仿真结果与实验结果较吻合,而二维仿真并不能较好反映具有高压互连线的高压器件击穿特性.在不增加掩模版数,采用额外工艺步骤的条件下,具有30m 高压互连线宽度的多区双 RESURFLDMOS 击穿电压实验值为 640V.所设计的高压互连器件结构可用于电平位移,高压结隔离终端,满足高压领域的电路设计需要.关键词:高压互连线;多区;双 RESURF;LDMOS;击穿电压EEACC:2560P;2570P中图分类号:TN386 文献标识码:A 文章编号
3、:02534177(2007)091428051 前言高压集成电路将高低压器件单片集成在同一芯片时,为实现将低端控制信号传输到高端等功能,LDMOS(1ateraldoublediffusionMOSFET)和高低压隔离区表面局部区域通常需跨过高压互连线HVI(highvoltageinterconnection),.由于 HVI相对半导体表面带正电,必然有电力线从此出发而终止在器件的源侧低场区,导致源侧栅极场板末端出现电力线的局部集中,该处电场急剧增大,严重影响器件的击穿电压.为了降低 HVI 对器件击穿特性的影响,可采用卷形阻性场板(scrollshapedresis.tive.field
4、plate,SRFP)L3,双层多晶浮空场板4,多层浮空场板_5,偏置多晶场板_6j,改进的多浮空场板modifiedMFFP(multiplefloatingfieldplate)等多种结构.文献 E3采用 SRFP 技术屏蔽 HVI 对横向 IGBT(insulatedgatebipolartransistor)的影响,然而由于阻性场板的存在,其会在源漏电极间产生小的漏电流,从而增加了电路静态电流和功耗;文献4,7在单 REsuRF(reducedsurfacefield)横向高压器件结构中增加了第二层多晶场板,以产生电容耦合结构,屏蔽 HVI 对器件表面场分布的影响,但其增加了工艺中的掩
5、模版数及工艺步骤,从而增加了器件成本;文献 E5采用的多层浮空场板结构不仅增加了掩模版数和工艺步骤,而且极大增加了器件源侧的表面台阶高度;文献 E6中器件表面的偏置多晶场板结构不仅需要形成多晶场板,而且还需形成场板间的多晶电阻,需要额外的掺杂,从而增加了工艺的复杂性.本文在不增加掩模版数目,采用额外工艺步骤的条件下,对具有 HVI 的多区双 RESURFLD.MOS 击穿特性进行研究, 分析了互连线宽度,P.top层浓度对器件击穿特性的影响.利用多区 P.top 层的结终端扩展作用以及圆形器件结构的曲率效应增强漂移区的耗尽,实现了具有 HVI 的 600V 以上级高压多区双 RESURFLDM
6、OS.所设计的高压互连器件结构节约了器件成本,降低了工艺复杂性,满足了 AC220V 等高压领域的应用要求.2 器件结构图 1 给出了具有 HVI 的多区双 RESURFLD.MOS 高压结构剖面图.HVI 跨过器件源极 s,栅极G 的低电势区,其引入的额外场导致器件源侧表面电场增加,外延层在未全耗尽的情况下即发生击穿,致使器件的击穿电压降低.器件采用双 RESURF技术,在外延层 Nepi 上引入导电类型相反的多个*国家自然科学基金(批准号:60436030)和国家军事电子预研(批准号:51308010401) 资助项目十通信作者.Email:20070319 收到,20070412 定稿2
7、007 中国电子学会第 9 期乔明等:具有高压互连线的多区双 RESURFLDMOS 击穿特性O501OO200图 1 具有 HVI 的多区双 RESURFLDMOS 结构剖面图Fig.1CrosssectionofmultiregiondoubleRESURFLDMOSwithHVIOP.top 掺杂区 ,形成结终端扩展,有效地降低了器件源侧和漏端的表面电场,并在漂移区中部引入了多个表面电场峰值,提高了漂移区中部的电场.结构中还引入了 P 埋层 ,其产生的场调制了源端附近场分布,防止器件过早在源侧发生击穿.同时,由于电荷补偿,P 型杂质的引人使得外延层浓度得以提高,进一步降低了器件的导通电阻
8、.P.substrate 表示工艺中采用 P 型衬底材料 ,其浓度用 表示;Nepi 表示 n 型外延层,其浓度及厚度分别用Nepi 和 jNe.表示;Pwell 用来形成 DMOS 器件的沟道区;P.top浓度,注人剂量,结深分别用,Q 脚,IPI 叩表示;n 形成 LDMOS 的源和漏;th 表示 HVI 到达 Si表面的距离.3 结果与讨论我们应用二维器件仿真软件 MEDICI_8对器件进行了仿真.图 2(a)给出了无 HVI 时,所设计的多区双 RESURFLDMOS 耐压 lO00V 时的电势分布,电势线分布较均匀,相邻两条等势线间的电势差为 lOOV,器件击穿电压二维仿真值为 10
9、15V.而有HVI 时,LDMOS 耐压二维仿真值仅仅为 381V,较无 HVI 时击穿电压降低了 62.46%.图 2(b)给出了有 HVI 时,LDMOS 耐压 350V 时的电势分布以及电力线集中处局部放大图.相邻两条等势线间的电势差为 50V,等势线在源侧栅极场板末端局部集中,器件在未全耗尽时就已发生击穿,器件击穿电压急剧降低.其主要仿真参数为:N=1.7910Hcm,NNepi=1.110cm,XjNepi=23tm,QPt0p=3.210cm,XjPt0p=4.5/zm,th=2750nm.图 3(a)和(b)给出了无 HVI 时,器件耐压为1000 和 350V 时的电场分布,图
10、 3(C)给出了有HVI 时器件耐压为 350V 时的电场分布.从图中可5Ol0Ol5O200O5O10015O200Distance/ixm(a)O5OlOOl50200Distance/mfb1图 2(a)无 HVI 时 LDMOS 电势分布图;(b)有 HVI 时LDMOS 电势分布图Fig.2(a)PotentialdistributionsofLDMOSwithoutHVI;(b)PotentialdistributionsofLDMoSwithHVI以看出,在无 HVI 时,器件耐压 lO00V 时的最大电场出现在体内漏端下的 P.substrate/Nepi 冶金结处,属纵向击穿
11、,器件表面电场较平坦,漂移区全部耗尽.而有 HVI 在 350V 时,器件栅极场板末端 si表面处电场临近 310V/cm,体内电场远低于该值,致使器件在外延层未全耗尽的情况下就已经达到 Si 的临界击穿电场 ;器件过早发生击穿 ,击穿电压急剧降低.而无 HVI 在 350V 时,器件表面电场较平坦,没有出现图 3(c)所示的电场尖峰.因此,HVI 引人的额外场导致了优化结构参数下器件击穿电压急剧降低.在对具有 HVI 的高压多区双 RESURFLD.MOS 二维仿真中,HVI 等效于覆盖了整个器件表面.而在实际应用中,器件的 HVI 宽度为有限值,因此我们应用 ISE 仿真软件_g对器件结构
12、进行了三维仿真,以与二维仿真比较.图 4 给出了不同 P.top 降场层浓度时器件的击穿电压随着 HVI 宽度变化关系.从图中可以看出,互连线宽度对器件击穿电压存半导体第 28 卷(a)言 2言 100(b)一2E1裔 00(c)一昌0裔o0图 3(a)无 HVI 时 LDMos 耐压 lO00V 的电场分布;(b)无 HVI 时 LDMOS 耐压 350V 的电场分布;(C)有 HVI 时LDMOS 耐压 350V 的电场分布Fig.3(a)ElectricfielddistributionsofLDMOSwithoutHVI(VD=1000V);(b)Electricfielddistri
13、butionsofLDMOSwithoutHVI(Vn=350V);(c)ElectricfielddistributionsofLDMOSwithHVI(Vn=350V)bD蛊0亭q矗2图 4 击穿电压与 HVI 宽度的关系Fig.4BreakdownvoltageindependenceonthewidthoftheHVI在一定影响,二维仿真并不能准确反映器件的三维特性,其夸大了 HVI 的影响.随着 HVI 宽度的减小,器件的击穿电压会有提高,但考虑到高压管工作时电流大小以及铝金属互连线的电迁移效应等因素,HVI 宽度不能无限减小.实际应用中,在满足电流能力的条件下并不需要较大的 HVI
14、 宽度.实用电平位移结构,其通常采用脉冲信号来控制 LDMOS的栅极,避免其长时间工作在高压大电流的条件下,从而减小功耗,保证 LDMOS 的安全工作.因此,高压 LDMOS 的互连线宽度根据实际应用设计存在一个折衷值.典型掺 Cu 的 Al 金属互连线的最大电流密度为 510A/cm,则对于 1m 厚的金属 Al条,其单位宽度的最大电流能力为 5mA/m.而实际 LDMOS 为脉冲驱动,其单位宽度的电流承受能力会大于 5mA/ttm,对于 30ttm 的条,其已经可以承担大于 150mA 的脉冲电流.图 4 也给出了器件的击穿电压随着 P.top 降场层浓度n.的变化关系.器件的击穿电压随着
15、的提高而提高,这主要是由于该区域的结终端扩展作用.随着该区浓度的提高,同等电压下器件的耗尽层向漏端展宽更大,致使源侧电场较低 P.top 浓度时降低.而 HVI 是增加了源侧电场,由于器件 P.top 浓度高时无 HVI 的源侧电场较低,因此附加场的影响就略有降低了,这样 P.top 为高浓度时器件的击穿电压得以提高.但降场层的浓度不能太大,其在一定电压范围内需满足双 RESURF 器件的 P.top 浓度要求 n.利用作者开发的高压 BCD 工艺_1,我们在国内生产线上对具有 HVI 的多区双 RESURFLD.MOS 进行了实验研究.采用了自隔离技术的圆形结构设计,由于曲率半径的影响,其比
16、三维仿真中的直边方形结构更有利于耗尽区展宽,从而进一步降低了源侧电场,提高了器件的击穿电压,如图 5 所示.图 4 亦给出了 HVI 宽度为 3O,2O,1O 和 5Fm 时的器件击穿特性实验结果,器件的击穿电压实测值分别为 640,670,680 和 760V.器件的击穿电压随着互连线宽度的减小而增加,在互连线宽度较窄时击穿电压增加幅度更为明显,与三维仿真结果较吻合._一二图 5 直边型和圆边形 LDMOS 电势和电场分布平面示意图Fig.5SchematicdepletionregionsandelectricfieldlinesofLDMOSwithstraightedgeandcirc
17、ularedge第 9 期乔明等:具有高压互连线的多区双 RESURFLDMOS 击穿特性 1431图 6(a)给出了具有 HVI 的多区双 RESURFLDMOS 击穿特性测试结果和管芯照片,HVI 宽度为 30m,器件击穿电压为 640V,与仿真结果较吻合.图 6(b)给出了无 HVI 时 LDMOS 的击穿特性测试结果和管芯照片,器件的击穿电压为 990V.在30um 时,器件的击穿电压较无 HVI 时的 LDMOS降低了 35.35%,但仍可满足 AC220V 应用的需要.而 HVI 宽度为 20m 时,器件的击穿电压为 670V,亦可满足 AC260V 应用需要.在我们的高低端驱动电
18、路设计中,lOtmHVI 宽度的高压多区双 RE-SURFLDMOS 结构已用于实用的电平位移结构以及高低压结隔离终端中.(a1fb14 结论具有 HVI 的高压器件击穿电压随着 HVI 宽度的减小而增加,二维仿真并不能较好地反映器件击穿特性,三维仿真结果与实验结果较吻合.利用多区P.top 降场层的结终端扩展作用以及圆形结构曲率效应增强漂移区耗尽,从而提高具有高压互连线的横向高压器件耐压.在不增加工艺版次,采用额外工艺步骤的条件下,所研制的互连线宽度小于 30um的具有 HVI 的多区双 RESURFLDMOS 击穿电压均大于 600V.所设计的具有 HVI 的多区双 RE.SURF 高压
19、LDMOS 结构可用作电平位移器件以及高低压结隔离终端,满足高压领域的电路设计需要.参考文献123456789103图 6(a)有 HVI 时 LDMOS 击穿特性测试结果和管芯照片 ;(b)无 HVI 时 LDMOS 击穿特性测试结果和管芯照片一一Fig,6(a)Measuredbreakdowncurveandexperi.mentalphotographofLDMOSwithHVI;(b)Meas.uredbreakdowncurveandexperimentalphotographofLDM0SwithoutHVIFalckE.GerlachW,KorecJ.Influenceofin
20、tercOnnectiOnsontothebreakdownvoltageofplanarhighvoltagepnjunc?tions.IEEETransElectronDevices,1993,40:439QiaoMing,FangJian,LiZhaoji,eta1.HVIcwithcoupledlevelshiftstructure.ChineseJournalofSemiconductors.2006,27():2040(inChinese)乔明,方健,李肇基,等.基于耦合式电平位移结构的高压集成电路.半导体,2006,27(11):2040IEndoK,BabaY,UdoY,eta1.A500V1A1.chipinverterICwithanewelectricfieldreductionstructure.ProcISPSD,1994:379TerahimaT.YamashitaJ.YamadaT.Over1000Vn.chLD.
