終端結構簡介

浩淼煙 2023-06-20 發(fā)布于遼寧

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好的終端設計能有效提高器件的耐壓、可靠性和降低器件漏電。

終端按基本結構可分為兩大類型：延伸型和截斷型。

延伸型終端

延伸型終端主要是通過在主結外圍設置一些特殊結構來降低或分擔主結處的高電場，從而起到提高擊穿電壓的作用。

延伸型的終端結構主要有：場板 (Field Plate，FP)、場限環(huán) (Field Limit Ring，FLR)、結終端擴展 (Junction Termination Extension，JTE)、橫向變摻雜 (Variation of Lateral Doping，VLD)、RESURF 等。

1. 場板 (Field Plate，FP)

場板可以單獨使用降低結電場峰值，提高擊穿電壓。另一方面，也可以減少雜質電荷對器件穩(wěn)定性的影響，此時場板不能作為耐壓結構。若要做耐壓結構，需要調整場板的長度，使場板外側的電場峰值小于P型摻雜區(qū)外側底部的電場峰值。

在圖 1.7(a) 中，場板覆蓋在結邊緣處的場氧上。1) 當場板上沒有施加偏壓時，場板不起作用，N 區(qū)的耗盡層與柱面結類似。2) 當場板上施加相對于漏極的正向偏壓時，場板會吸引 N- 區(qū)的電子向表面移動，從而導致耗盡層向著 P 區(qū)收縮，這會增加 P 區(qū)外側的電場強度，從而使擊穿電壓降低。3) 當場板施加相對于漏極的負向偏壓時，會起到相反的作用，使得耗盡層向外擴張，減小了 P 區(qū)外側的電場，從而提高了擊穿電壓。如果場板上施加的電壓合適，此終端結構能夠將柱面結電壓提升到平行平面結電壓，但是這種方法需要額外的封裝引線，并且需要設計場板偏置電路，這在功率器件中是不現實的。

一種有效的方法是將 P 區(qū)與場板相連，如圖 1.7(b) 所示。在這種情況下，場板的電勢是與 P 區(qū)相等的負偏壓，使得耗盡層向外擴展，在一定程度上可以提高擊穿電壓。但同時會在硅表面靠近場板邊沿處引入一個高電場，如果設計的不合理也會導致此處提前擊穿而降低擊穿電壓。

場板由于簡單有效，直到現在仍然廣泛應用，并且出現了電阻場板、多級場板、多段場板等新的技術，而場板與其他終端結構的搭配使用，在提高終端效率、減小表面電荷影響、增加器件穩(wěn)定性也有幫助。

2. 場限環(huán) (Field Limit Ring，FLR)

在 MOSFET 結構中，場限環(huán)的應用最為普遍，主要是其工藝非常簡單，效果卻非常明顯。

浮空場限環(huán)最早被提出。場限環(huán)可以與主結一起擴散形成，不需要增加額外工藝步驟及掩膜，針對不同耐壓情況，可以使用不同的場限環(huán)個數來設計，但需要仔細設計環(huán)寬和環(huán)間距。一般情況下，擊穿電壓隨著環(huán)的個數增加而增大，但是當環(huán)個數增加到一定程度后再增加環(huán)個數對電壓的提升效果越來越不明顯，并且會浪費芯片面積。

3. 結終端擴展 (Junction Termination Extension，JTE)

JTE 是在主結的外側設置一個輕摻雜的 P 型區(qū)，可認為是一種電荷調整的技術，通過調整離子注入的劑量控制 JTE 摻雜區(qū)的電荷，從而設計出最大化的擊穿電壓。

當摻雜濃度較低時，對主結外圍的電場影響較小，高電場區(qū)還是會發(fā)生在主結底部；如果注入劑量過大，則會使得 JTE 區(qū)起到主結的作用，高電場轉移到 JTE 區(qū)的外圍。

4. 橫向變摻雜 (Variation of Lateral Doping，VLD)

VLD 有2種形成方式：1) 是在主結外圍設置一系列不同摻雜劑量的離子注入，使得退火后從主結向外摻雜濃度逐漸變化；2) 是根據開孔大小不同對注入硅片中離子數目的影響，精確設計一系列不同寬度的摻雜開窗。

VLD 也可認為是對終端區(qū)電荷的調整。在達到最大耐壓時，JTE 與 VLD 區(qū)域必須全部耗盡才能起到應有的作用。JTE 區(qū)域的電荷在工藝過程中會隨著離子注入和退火在表面生長鈍化氧化層發(fā)生分凝而產生不同，另外不同的工藝過程會引入各種雜質電荷，特別是在氧化層中的固定電荷會不同程度的影響 JTE 區(qū)域中的電場分布，使芯片的擊穿電壓不穩(wěn)定，而芯片封裝過程中鈍化層中引入的可動離子更加劇了這種不穩(wěn)定。相對來說 VLD 對雜質電荷及固定電荷的控制要比 JTE 好很多。但二者這種對電荷的敏感若沒有較好的表面鈍化及電荷處理技術，在實際生產中難以得到較高的成品率。

5. 3D-RESURF 終端結構

3D-RESURF 終端結構，是在多浮空場限環(huán)終端結構的基礎上，在環(huán)與環(huán)之間增加 P 型與 N 型交替摻雜的結構得到，其結構如圖 1.8 所示。

這些 P 型與 N 型交替排列的結構會在圖中的 Z 軸方向產生一個 RESURF 效應，使電場在表面的分布發(fā)生改變，類似于超結作用機理：通過控制界面電荷對雪崩擊穿的影響，可以有效提高擊穿電壓，同時減小了表面電場，提高芯片的可靠性。

超結的工藝相對較難實現，但是由于 RESURF 區(qū)的厚度較薄，離子注入相對容易控制，因此相對于縱向超結來說更容易實現。

截斷型終端

截斷型終端則是采用刻蝕、劃片或者打線后邊緣腐蝕磨角等手段將PN結截斷，并采用特殊表面鈍化工藝實現擊穿電壓的改善。

截斷型終端的應用也非常廣泛，以深槽終端、斜角邊緣終端、腐蝕終端為主，截斷型與延伸型的結合也對提升耐壓有良好的效果。

截斷型終端中曲面槽以濕法腐蝕并填充介質形成，如下圖所示。可以看出，深槽終端主要是在主結外圍刻蝕一個深度很大的溝槽，將主結截斷，并在其中填充相應介質作鈍化處理，消除主結外圍的電場集中，從而增加擊穿電壓。溝槽中填充的介質主要是低介電常數絕緣材料，如 SiO2，低介電常數的材料比硅能承受更大的峰值電場，從而提高了擊穿電壓。溝槽的深度必須要能達到縱向耗盡層的寬度。