终端设计仿真 —— 场限环 (FLR)

        终端设计的目的：降低元胞扩展的耗尽层的曲率，采用场限环、场板等结构把电场的峰值从芯片的表面引入体内，从而提高击穿电压。

1. 单浮空场限环

        图 2-9 中左边的 P+ 区域相当于元胞区最后一个 Pbody，通常叫做主结，右边的 P+ 区是终端的单个浮空场限环。图中 Ws 为主结与场限环之间的间距，为了使场限环的作用达到最大，Ws 有最优值。

        浮空场限环如果设置得离主结过近，则其电势与主结很接近，此时高电场会出现在场限环的外侧，不能有效提高击穿电压；而如果浮空场限环设置得离主结过远，则其对主结的影响会很小，同样无法有效提高击穿电压。

        多浮空场限环的理论相对来说比较复杂，总体来说需要使设计的场限环宽度由主结向外逐渐减小，场限环之间的间距逐渐增大，才能得到最高的击穿电压。但在实际中由于环宽的影响较为复杂，而固定环宽仅调节环间距会大大减小设计难度且对电压的影响不是太大。因此本论文在设计多场限环终端时，固定场限环注入开窗为 10um，从单个场限环设计开始，逐渐增加环的个数，从而确定各个场限环之间最佳的间距。

        图 3-3 为单个场限环终端的工艺仿真模型图。图中 d1 为主结与场限环注入窗口之间的距离，W 是场限环注入开窗宽度，10um。

        通过调整 d1 的值，然后测试击穿电压来确定单个场限环时的最佳环间距。在测试时源级接低电位，漏极通过一个限流电阻接扫描电压，逐渐增加漏极电压，测试通过电极的电流大小。将电流密度达到 1×10 -10 A/um 时对应的电压作为击穿电压。图 3-4 为得到的终端击穿电压随 d1 的变化曲线。可以看出：终端的击穿电压随着 d1 的增加先增大后减小，并在 d1=22um 时达到最大。

        图 3-5 为 d1 变化时终端电场分布的变化。由于电场的峰值主要集中在主结外侧和场限环外侧，因此沿着图 3-5(a) 所示的虚线截取得到电场的一维分布如图 3-5(b) 。可以看到，当环间距比较小时，电场的峰值主要在场限环的外侧，随着 d1 增加，主结外侧的电场强度越来越大，而场限环外侧的电场越来越小。场限环的作用是分担主结的电场，分担过多或分担过少都不能达到最佳效果，理论上当主结与场限环同时击穿时耐压达到最大。以电场强度大小近似作为击穿点的衡量标准，则二者的峰值电场大致相等时耐压最大。结合图 3-4 可知，d1=22um 时，主结与场环的峰值电场比较平均，且击穿电压为最大，优化效果最好。即：峰值电场均匀，器件的击穿电压最大，环间距的优化效果最好。

2. 多场限环终端模型

        在 d1=22um 的基础上增加第二个环，第二个环插在第一个环和主结之间，并保持第一个环与第二个环之间的间距为之前第一个环与主结的间距 d1，第二个环与主结之间的间距为 d2，工艺仿真得到的掺杂模型如图 3-6 。

        在保证其他参数不变的情况下，调整第二个环与主结之间的间距，并测试终端的击穿电压，得到电压与 d2 之间的关系如图 3-7 所示。可以看出：击穿电压随着 d2 的增加先增加后减小，并在 d2=18um 时击穿电压达到最大值。

        为了分析加入第二个环对第一个环的影响，截取两个环时电场分布如图 3-8 所示。在图 3-8 中的虚线位置截取 d2 为不同值时电场分布情况，得到图 3-9 所示的曲线。可以看出，虽然在 d2 增加时主结的峰值电场逐渐增加，主结电场足够高后两个场限环的电场逐渐减小。第一个环与第二个环的电场基本同步变化，可以认为在主结与靠近主结的场限环之间插入场限环，对后面的环电场分布比例没有影响，也证明了以此方式这几多场限环终端是可行的。        

        图 3-9 中第一个环的电场会比第二个环小，这是由于从主结向外，P+ 区底部的高电场依次向表面靠近，这从图 3-8 中也可以看出。因此，一条线无法同时截取到三个峰值，实际上两个场限环的电场峰值基本相差不大。

        依照上面呈现的规律可以继续增加场限环的个数：将第三个环插在主结与第二环之间调整主结与第三个环的间距，第四个环插在主结与第三个环之问调整主结与第四个环的间距.......以此类推。但是随着环个数增加，耐压的增加会变得越来越不明显，并且以这种规律完成设计之后，还需要进行细微调整，主要是因为：环个数增加后，耐压变化引起了外延层中的耗尽层的形状发生变化，从而导致环与环之间的分压关系有了细微变化，但影响不会太大。

        由于随着环个数增加，耐压的增加效果会减弱，而且场限环个数增加也会使芯片面积产生不必要的消耗，所以文献[55]认为通常最多仅用三个环来提升击穿电压。

        文献[62]中给出了终端耐压与环个数的关系式：

式中：V0 是未加场环时的主结耐压；X 是与外延参数，结深，表面电荷等相关的系数，一般取 0.6~0.7 。从公式也可以看出：随着场限环个数的增加，耐压效果会减弱。

        文献【63】中对环宽改变对耐压的影响进行了仿真验证，结果为：随着环宽增加，场限环的耐压也增加，但是环宽增加到一定程度后提升耐压效果不明显。因此，环宽的设计也存在着耐压与面积的折中处理。同时由于改变环宽对击穿电压的影响 ＜ 改变环间距对击穿电压的影响，所以大多数文献在研究场限环终端时都没有过多关注环宽的建模，通常都是采用一个固定的环宽。