复合结构静电感应晶体管的终端造型

朱 筠 李思渊

（1.西安邮电学院电子工程学院 陕西 西安 710121；2.兰州大学微电子研究所 甘肃 兰州 730000）

复合结构静电感应晶体管的终端造型

朱 筠1李思渊2

（1.西安邮电学院电子工程学院 陕西 西安 710121；2.兰州大学微电子研究所 甘肃 兰州 730000）

为了克服几何形状（曲率效应）造成的边角电场对平面扩散结击穿性能的劣化效应，对应于静电感应器件的复合结构，采用限场环与切断环作为终端造型，使结边界处的耗尽层宽度反窄化效应而展宽，以分散电力线并降低表面电场。

复合结构SIT；限场环；切断环

0 引言

静电感应晶体管（SIT）是唯一具有类三级管特性的半导体器件，一般为常开型器件[1－5]。其注入功耗低、功率容量大、工作频率高、热稳定性好、抗辐射能力强，可广泛用于高速、高压、低功耗场合。根据栅体结构、分布和制造工艺的不同，静电感应器件可分为：埋栅、表面栅、复合栅、绝缘盖栅、槽栅和双栅等结构。这些结构的共同特点是都具有垂直沟道，且沟道被栅体环围在中间，源极区和漏极区分别位于芯片的上下两个表面，这种布局有利于高耐压、大电流设计，是电力电子器件通用的布局方式。

复合结构SIT（如图1）的源区（阴极区）由大面积平面扩散方法形成[6]，简化了制造工艺，提高了成品率。兼有表面栅和隐埋栅的特点。复合结构SIT的栅压可正可负，既可以工作在正向导通状态，也可以工作在正向阻断状态。器件可以做成常闭型也可以做成常开型。但由于源（阴）扩散层和栅区以及沟道区存在一定程度的杂质补偿，其主要缺点是栅－源（阴）击穿电压不高。

图1 复合栅结构SIT

为提高器件的耐压特性，除了体内各参数之间的配合，有效的办法是对表面终止的pn结进行处理，以改善边缘的电场分布、缓和表面电场集中。常用结构有场板技术、限场环技术、横向变掺杂技术以及结终端扩展（JTE）技术。这些方法的基本思想在于使结边界处的耗尽层宽度反窄化效应而展宽，以分散电力线并降低表面电场。对应于静电感应器件的复合结构，采用了限场环与切断环作为终端造型。

1 终端造型

1.1 限场环的设计

限场环(Field-limiting Rings)简称FLR，其结构如图2所示[7]。限场环结构是功率器件的常用终端技术之一，它通过限场环分压，降低了结表面区由曲率效应引起的高电场，从而提高主结的击穿电压。

图2 限场环结构示意图

在器件的作用区域或主结的周围，人为的添加一道或多道精确控制间距和宽度的环形结，与主结同时扩散形成了一连串适当间隔开的与主结同心的p型圆环，各环的宽度wi和环间距di可以相等，也可以不等。当给主结上施加一定的反偏压时，主结上的反偏电压上升使器件的边缘电场增强，当边缘电场达到临界电场时便出现击穿现象。然而，加上限场环之后反偏电压上升使pn结耗尽层与限场环穿通，当外加电压继续上升则由限场环来承担，主结电场增加就会得到控制。加上限场环的作用就是相当于在器件的边缘增加了一个电压的分压器，由于FLR的存在使电压分配在更长的一段距离内，从而阻止了由于电场过高而出现的击穿，使器件能够承受更高反偏压。

限场环的基本作用原理是当主结的反偏压V远低于其击穿电压VB时，其耗尽层已穿通到了第一限场环上，进一步增加的电压将主要由第一限场环所分担，并伴随着第一限场环耗尽层的扩展直至穿通到第二限场环上，如此继续下去，使得主结上的反压不断升高，逼近其平行平面结击穿电压。各限场环起了分压器的作用，分压的多少随环间距di试的大小、环的宽度wi而不同。实际器件的击穿电压近似等于环间穿通电压之和再加上最后一个环柱面结的击穿电压。一旦出现穿通，每个保护环承受的电压大体随主结上的外电压做线性变化。分析指出[8]，相邻两环间电压近似为：

di、ri的意义均如前图所示。所需环的数目，可用等间距、等宽度的限场环做出粗略的估计：

其中，ND为n-区的轻掺杂浓度。

相邻环间距为：

针对复合结构的SIT，电性能要求：Imax=30A，阻断电压600V。取栅间距d=14μm，衬底掺杂浓度 ND=8×1013cm-3，a0=3.4μm，（a0为栅沟p+-n-结零栅压下的自然耗尽层宽度），夹断因子β=2.4，得出沟道厚度dc=8.16μm，横向扩散系数按0.5计算，因此扩硼结深lc≈xjB≈6μm。边栅墙，即主结的边缘扩散结深的曲率半径也是6μm，即：

参考平行平面结的击穿电压，我们取VB=2000V，用等间距、等宽度的限场环做粗略的估计，由（式6），可得：

因此，我们设计了7道限场环，距离主结越远，环宽逐渐减小，环间距也逐渐减小，环间距的平均值取42μm。环间距加大可以加强环结的分压效果，但必须同时考虑结面处的电场不得超过半导体的击穿电场。限场环是p+环，为了在实际工艺中简化流程，因此版图设计中往往将其与栅版放置在同一张版图中，限场环与栅体同时形成，不必增加任何工序就可以完成。

1.2 切断环的设计

切断环（Channel Stopper）是为了切断表面电荷感应形成的表层反型沟道而设计的。Si表面有自然 型化的倾向，SiO2－Si界面以及SiO2中的正电性表面电荷的影响，在管芯有效图形外区域的高阻n-区靠近氧化层表面处往往会出现电子堆积，使之增加为n+层，造成表面电场集中。另外，硅片表面的机械损伤也容易引起杂质聚集，也会造成表面劣化。这都会导致击穿电压下降，漏电增大。

图3 限场环环与切断环结构示意图

在限场环的外围设计的一道n+环，它本身是最不容易反型的，使表面电荷和机械损伤劣化的面积在切断环处被切断，即切断器件表面自然n型化的表面沟道，从而改善击穿特性。切断环是n+环，版图设计时，可将其与源极区的扩磷版放置在同一张版图中，便于工艺中同时打开窗口扩磷，并不增加工序。我们版图所设计的切断环宽为36μm，距离第七道限场环40μm。如图3所示。图中所标尺寸的单位均为μm。出于等电位的考虑，第一道限场环和切断环均作为等位环而打开窗口蒸铝。

2 限场环与切断环的版图绘制

限场环的制造工艺简单，但设计时必须精确控制各结的曲率半径以及各结的间距，才能保证环结发挥作用。原理上讲，只要增大相邻两结的间距，两结的电势差就增大，就能获得较大的耐压。但是较高的电势差，同样也使结的边缘处的电场增大，造成环结有可能先于主结击穿，应综合考虑。

版图设计中，限场环与管芯边栅墙四周的间距必须是相等的，并且不能出现锐角和直角，尽可能设计成圆形或钝角。复合结构SIT管芯形状是八边形，图形尺寸为9600×9328，两侧栅电极为梯形，宽1200。所以限场环也必须是八边形，而且一定要保证斜边处限场环距离管芯边栅墙的距离不变，见图4。

图4

此版的限场环有7道，是非等间距、非等宽度，从栅墙边界向外，限场环间距逐渐增加，环宽依次减少。环宽分别为：42μm、40μm、38μm、36μm、32μm、30μm、28μm，第一道限场环距离边栅墙30μm，第一道至第七道限场环之间的间距依次为：34μm、38μm、42μm、46μm、50μm、54μm的。切断环宽36μm，距离第七道限场环40μm。

3 实验结果

图5 复合结构SIT特性曲线及VGK

在相应的工艺条件下，复合结构SIT有良好的混合I-V特性，栅压调变灵敏，阻断电压可达200V，栅源击穿VGK=6V/10mA，有明显击穿点（如图5）。

4 结论

限场环与切断环设计时，应综合考虑衬底的掺杂浓度、结的曲率半径和半导体的击穿电场等各种限制因素，设计的出发点和最终目的就是要把器件结区的电场控制在半导体的击穿电场以下。从设计技术上看，可根据一定的衬底浓度和结的曲率半径精确地调整主结与环结或环结与环结间的距离以控制结区的电场。

［1］J.Nishizawa,T.Terasaki,and J.Shibata.Field-Effect transistor Versus Analog Transistor(Static Induction Transistor).IEEE Trans.on Electron Devices,vol.22,No.4,pp.185-197,April 1975.

［2］李思渊.静电感应器件作用理论.兰州大学出版社，1996.

［3］李思渊.静电感应器件：物理、工艺与实践.兰州大学出版社，2001,4.

［4］西泽润一监修，村冈公裕，龙田正隆,主编.图解静电感应器件.科学出版社，1998.5,

［5］S.Y.Li and J.H.Yang.Study of the Static Induction Transistor with Complex Structure and with Triode-like I-V Characteristics.Proc.ICPE’95,Souel,South Korea,1995.

［6］李思渊，刘肃，刘瑞喜，杨建红,等.“复合结构的静电感应器件”应用科学学报，1996，14（2）：243-247.

［7］遇寒，沈克强.功率半导体器件的场限环研究.电子器件，2007（30）.

［8］唐莹.电力静电感应器件的研制[D].兰州大学，2007.

甘肃省攻关项目(GS012.A52-064。

王爽］