RESURF原理

A Review of RESURF Technology

Adriaan W. Ludikhuize

Plulips Research, Eindhoven, The Netherlands

翻译（原理部分）：

RESURF原理

垂直器件中更高的击穿电压通常需要更厚、掺杂程度更低的外延层。然而，在具有横向隔离扩散的集成电路实验样品中，较薄的外延层可获得更高的击穿电压：在这里，隔离结处的表面电场因二维耗尽而降低。这种降低表面电场 (RESURF) 效应在层剂量 Q/q 约为 1.10l2 at/cm2 时达到最佳。早在 1972 年，人们就惊讶地觉察到了厚外延的可集成 LDMOS，其击穿电压高达 300V [I]。1978年一个 400V的带卡住的漏端的(DSA-) LDMOS出现了；这种 “自隔离 “技术与 CMOS 有关，主要用于高达 1000V 的显示驱动器 [lE]。新的RESURF 技术发表于 1979 年 [2, 2A]、新的 RESURF 技术于 1979 年问世[2, 2A]，以外延层或深植入层为基础。它允许单片集成电压超过 250V，最高可达超过 1200V，降低了横向高压 MOS 器件的导通电阻（R-on），并提供了集成的高压侧电路。此外，它还催生了新型垂直分立器件。

运行原理在[2]中解释，一些一阶方程在 [2A]中解释。

基本器件结构见图1。

如图 1 所示。它由一个高压二极管和带有n-外延层电阻的p-衬底组成。由p+ 进行横向隔离扩散。这样形成的二极管包括 2 个部分：一个具有垂直 n-/p+ 边界的，可能被击穿的横向二极管，和一个具有水平 n-/p- 边界的可能被垂直击穿的垂直二极管。

对于较厚（50μm）的外延层，击穿电压为 470V，最大电场位于 n-/p+ 结的表面（图 2a）。对于薄得多的外延层（15μm），纵向耗尽层受 n-/p- 结的耗尽层影响（图 2a），表面电场减弱：这就是二维效应。在 1150V 的电压下（图 2b），表面的场有两个峰值，一个源于 n-/p+ 结，另一个峰值位于 n+/n- 结曲率处的表面下方在这两个峰值之间有一个中等强度的电场。如果横向距离足够大，击穿就会发生在半导体内部的 n+ 区域下，方向是垂直的。

对于不同的tepi值，表面电场和体内电场的等势线示意图。

(a) for 50μm at BV= 370-470V;

(b) for 15μm at BV=1150V [after 2,2A].

the optimum epitaxial dose（最佳外延剂量）的近似值(Nepi*tepi)可以被找到，通过假定垂直损耗必须在横向连接分解之前到达表面。

通过下面两个式子

式1

式2

可以得到：

式3

对于给定的示例和 Ec=30V/pm（以 6x10^{14 cm为单位），得出 Nepi*tepi = 9x10}11 cm^{-2 或tepi=15μm。作为最初的近似值 Qepi/q= 1x10}12 cm^-2 。

最佳 Resurf 剂量取决于 Nepi，tepi 和 Nsub。

对于最大（垂直）BV，Nepi或 tepi的容差约为±10%。对于 0.7*BVmax(800V)，约为± 40%.

对这种击穿现象再次分析发现，tepi和Nepi的影响会稍微好一些。

从式3 中可以清楚地看出，衬底掺杂也会影响最佳剂量。

[2C]和[2D] 对;I 浅 p- 区域和 3 个磁场板的影响。

Resurf 二极管的计算 BV 与 tepi 的关系

(a)垂直、横向和总 BV（点）与 Appels 相比

(b)不同 Nsub 下的 BV

因此，降低衬底掺杂度可以减少 Resurf 剂量。看来

似乎公式-l 低估了高 Ne,, 的 Q/q-epi 值、

的 Q/q-epi 估计不足。在 [2D] 中添加的简单场板

中添加的简单场板会导致场降低，从而再次获得高剂量。

剂量。实际结构需要进行数值优化或试错优化。

实际结构需要进行数值优化或试错优化。在[2B]中，针对不同的 Nsub

2B]中不同 Nsub 的计算结果（图 3b）表明，在较高的 NSub 条件下，由垂直方向限制的较低最大 BV

时，受垂直击穿限制的较低最大 BV 具有更宽的容差，最佳 Qlq-epi 为

O.8.10l2（Nsub=l.10'4）、1.4.101'（Nsub=5.1014）和大约

1.8.1Oi2 cm'2 (Nrub= 1.10” ~m-~)。对于最佳 BV

因此，为了达到最佳 BV 值，尤其是在高电压条件下，剂量公差会更小、

这对于外延 Resurf 技术来说是个问题。

使用离子注入法进行 Resurf 剂量可改善这一问题[2D]。

[2D]. 在掺杂水平较高的薄层上，获得最大 BV 的容差变得更加严格。

获得最大 BV 的公差变得更小 [2B]。

当 n+ 接触和 p+ 隔离之间的横向距离（Ld,*）减小时

p+ 隔离之间的横向距离（Ld,*）减小时，即使具有最佳剂量的器件也会显示出较低的 BV。击穿现在发生在

发生在横向二极管区域，峰值出现在

p+/n- 或 n-/n+ 结，BV 的增加与横向距离成正比 [2D]。平均场 El

= BV/Ldnft 是横向功率器件的一个重要参数。

值为 IO- 15 Vipm [2D，?E]。

对于相互咬合的横向功率器件，p+ 和 n+ 区域的曲率非常重要。

p+ 和 n+ 区域的曲率也很重要 [ID，2E]。根据 BV 值的不同，p+ 和 n+ 需要较大的半径，或者需要植入漂移。

的大半径，或者漂移区的植入在局部

漂移区的植入在指尖处受到抑制（见第 3 节）。

残余结构对氧化物电荷和

横向二极管表面的封装和湿气对环境的影响（见第 3 节）