功率器件工程师笔记——电力半导体器件的结终端技术

1、常见的结终端技术

      结终端技术（Junction Termination Technique，JTT），分为平面结终端技术和台面结终端技术，其中平面结终端技术包括场板（Field Plate，FP）、场限环（Field Limit Ring，FLR）、结终端延伸（Junction Termination Extension，JTE）、 横向变掺杂（Variation of Lateral Doping， VLD）及复合结终端技术等；台面结终端技术包括机械磨角、沟槽刻蚀和填充等技术。

2、平面结终端技术

2.1 场板技术

      场板是把金属电极条扩展到扩散区表面的氧化层上，当pn结加反偏电压时，金属电极为负电位，可以抵消氧化层中正电荷对表面的影响，并且排斥表面电子，使表面耗尽区在Si及SiO2界面处展宽，从而提高击穿电压。

      终端击穿电压与场板长度、氧化层厚度有关。当场板长度一定时，终端击穿电压随氧化层厚度的增加而增加。场板长度过短，不能达到改善表面电场强度分布的目的；场板过长，击穿点将出现在表面，器件可靠性下降，且占用面积过大。

     场板技术适用于耐压低于250V的分立器件及功率集成电路。对于3.3kV左右的分立器件，多采用场板与场限环的复合结终端结构。

2.2 场限环技术

     场限环结终端结构是在有源区外侧，设置与主结有完全相同掺杂浓度分布的环结，以缓解pn结弯曲处电场集中，提高终端击穿电压，可以设置一个或多个环。又称分压环。

      需注意两个问题：一是尽可能增加pn结的曲率半径，曲率半径越大，耐压能力就越强。 二是合理设计环宽度和环间距。

      设计通常有两种方法：

     （1）环宽度和环间距各不相等。环宽度由内向外逐渐减小，对应的环间距则逐渐增加。假设主结与环结的扩散深度为xj，则最外环宽度一般取（2～2.5）xj， 其他则按照环宽度由内向外递减、环间距由内向外递增原则，并基本保持每个环间距与环宽度之和为定值。这种方法特别适用于深结（xj>10μm）器件。

     （2）等环间距与等环宽度，这种方法较适合浅结（xj＜10um）。采用相等环宽度和间距，可以减小结终端尺寸，并获得更好的渐变耗尽区。

      场限环可以与主结同时扩散形成，工艺简单。采用场限环技术，可以达到较高击穿电压 （90%以上），但参数设计比较苛刻，对界面电荷也非常敏感，并且当耐压较高时，占用芯片表面积很大，导致其反向漏电流也很大。因此，场限环技术常用于耐压为1.2kV左右的器件。

2.3 结终端延伸技术

      结终端延伸是在有源区重掺杂的主结外侧，利用离子注入工艺形成一个低掺杂浓度、 较浅（约1μm）的掺杂区，使pn结沿器件的表面得以扩展。根据耐压高低，可分为单区和多区。

      当pn结反偏时，p延伸区全部耗尽，耗尽区沿着表面向外扩展，如果延伸区长度LJTE大于主结的耗尽区扩展宽度，可达到提高击穿电压的目的。但如果延伸区厚度太薄，无法有效改善结弯曲处的电场强度分布。如果延伸区深度大于或等于主结结深，则将会明显地改善pn结的击穿特性。

      终端击穿电压与延伸区的掺杂剂量密切相关，当延伸区掺杂剂量为1.3×1012 cm-2时，击穿电压最高。但延伸区的电荷量在后续工艺过程中会发生变化，导致击穿电压不稳定。采用多区后，延伸区的电荷可以减少1/2，击穿电压可以达到理想平行平面结时的90%以上。

2.4 横向变掺杂技术

      在渐变掩模窗口的掩蔽下，利用离子注入兼推进，在硅表面形成可控的杂质分布。沿结终端区从内到外，掩模窗口的形状是不同的。在平均掺杂浓度较高处，所用的掩模窗口可以是环状；在平均掺杂浓度较低处，掩模窗口可以是一些小孔。这些条形窗口的密度及空隙、小孔的密度及孔径决定了掩模下面杂质的平均浓度。

      不论是JTE技术，还是VLD技术，都增加了pn结面积，导致反向漏电流增大。但与FLR相比，所占用结终端尺寸稍小。

3、台面结终端技术

图1 正、负斜角结构及其空间电荷区展宽

3.1 斜角结终端技术

      正斜角：从重掺杂区到轻掺杂区结面积逐渐减少；负斜角：从重掺杂区到轻掺杂区结面积逐渐增加。                  

      WD为体内平行平面结的空间电荷区扩展宽度；Ws为空间电荷区在斜面上的扩展宽度；WS′为体内空间电荷区延伸到斜面处的宽度。

      若斜角θ变小，那么对应的WS′和WS都将变大。由于表面空间电荷区扩展宽度增大， 使表面电场强度减小，表面击穿电压随之增加。但斜角θ越小，结终端尺寸势必增加，使芯片有效表面积减小，并且WS过大容易使表面漏电流增加或引起穿通，导致器件耐压降低。

      即使正斜角较小，表面处的空间电荷区也较宽，故不存在高电场强度引起的雪崩中心。通常正斜角选择在30°～80°之间，采用正斜角结终端可获得100%的体击穿电压。

      当负斜角较小时，高掺杂浓度的p+区一侧的空间电荷区变化成为主要因素，此时空间电荷区在表面的扩展宽度一定大于体内的，可有效地降低表面电场强度，提高pn结的击穿电压。所以，通常采用2°～4°小负斜角来形成结终端，可获得90%的体内击穿电压，同时可以避免发生雪崩击穿。但若负斜角小于10°，必然会导致结终端尺寸大。

      θeff为负斜角有效角度；θ为负斜角的几何角度；Wxn表示pn结击穿时在低掺杂浓度n区一侧的耗尽区宽度；Wxp表示pn结在重掺杂浓度p区一侧的耗尽区宽度。

       越小或θ越小，θeff也越小，表面处的空间电荷区越大，则表面峰值电场强度越低。但负斜角θ太小，会使阴极面积损失较大。当Wxn和θ一定时，Wxp越大，负斜角有效角度 θeff越接近负斜角θ，所以适当增加p区一侧空间电荷区扩展宽度，可有效利用阴极面积。                        

图2 晶闸管常用的高压结终端斜角结构

      晶闸管的斜角结终端包括正负斜角、双负斜角及双正斜角等结构。在焊接式封装结构中， 常用正负斜角结构，其正斜角θ1为20°～35°，负斜角θ2为3°～5°；在压接式封装结构中，常用双负斜角和双正斜角结构，正斜角为30°～60°（最佳值为45°）。图6.2d所示的双正斜角，先采用传统的磨角方法形成J1结外部的单正斜角，然后利用喷砂方法形成环形沟槽使J2结内部呈正斜角。通常正、负斜角结构常用于耐压为3kV以下的器件，双正斜角结构常用于耐压为3kV以上的器件。对于6.5kV～8. 5kV的高压器件，多采用双负斜角结构，所需终端斜面尺寸约为1.65mm。

      磨角技术一般要求将磨面处的峰值电场强度降低到体内峰值电场强度的50%左右，这是由于加工过程中易在磨面附近形成损伤，使表面击穿电场强度远低于体内临界击穿电场强 度，导致其耐压效率较低。特别是对负斜角结构，通常要求磨削角度较小，难免会使结终端尺寸大大增加。

3.2 沟槽结终端技术

      通过化学腐蚀，可除去表面沾污，提高表面击穿电压，并减小漏电流。利用化学方法腐蚀掉一部分重掺杂浓度区，使耗尽区向重掺杂浓度一侧扩展，从而抑制平面结的边界曲率效应。但表面电场强度分布与刻蚀区的位置及深度密切相关。如果腐蚀位置合适，可以将pn结末端曲率半径较小的部分去除掉，并在腐蚀面和pn结之间形成有效的正斜角，提高器件耐压。如果腐蚀台面远离pn结末端，则对耐压改善不大。

3.3 复合结终端技术

      常用的复合结终端技术有场板与场限环的结合、场板与结终端延伸相结合、沟槽与场限环相结合、沟槽与结终端延伸的结合等。

图3 沟槽与场限环的复合结终端结构比较

      采用沟槽内嵌结构可提高击穿电压，同时解决了表面电场强度过高引起SiO2容易损坏的问题。可使场限环技术更稳定，只是需要附加一次沟槽刻蚀，且沟槽的刻蚀可以采用与p+场限环注入完全相同的掩模。图3a所示的外加沟槽结构更适合浅结器件，图3b所示的内嵌沟槽结构更适合深结器件。

      深沟槽结终端结构是在器件表面主结弯曲处利用刻蚀工艺形成一个深沟槽，去除结弯曲处的曲面部分，以消除电场集中。要求沟槽深度远大于pn结的结深，沟槽宽度等于平面结击穿时耗尽区的扩展宽度，于是击穿电压会随着沟槽深度和沟槽宽度的增大而提高，最终达到饱和。这种单一的深沟槽仅适用于耐压较低的情况，无法满足高耐压要求。为了获得高击穿电压，可在沟槽侧壁和底部通过离子注入形成很薄（大约2μm）的结终端延伸区，并在深沟槽中填充SiO2或者低介电常数的介质。

图4 深沟槽结终端与深沟槽-JTE的复合结终端结构比较

4、结终端特性的表征

4.1表面电场强度

       对平面结终端：
，ES为表面电场强度；UBRS为表面击穿电压，即终端击穿电压；dr为pn结在表面处的曲率半径。

     对台面结终端：
，WS是pn结在斜面上空间电荷区的扩展宽度。

4.2 耐压效率

      定义为终端击 穿电压与理想的体内击穿电压的比值：

4.3 结终端尺寸

     芯片面积的有效利用率与终端尺寸的大小密切相关：

     SC为芯片的总面积 St为结终端所占面积；SC-St为芯片的有源区的面积。ηA越大，表示结终端尺寸越小。

5、结终端的制作工艺

5.1 平面结终端工艺

      浅结器件（xj<8μm），常采用硼离子注入来实现浅的场限环区或结终端延伸区；深结稍深的器件（10μm <xj<30μm），采用硼扩散来实现场限环区；深结器件（xj>30μm），采用铝离子注入来实现场限环区或横向变掺杂区。

5.2 台面结终端工艺

      台面结终端结构通常采用磨角和刻蚀工艺。

5.3 复合结终端工艺

      沟槽的深宽比不同时，应选择不同介电常数的介质材料。高介质常数的材料适合浅而宽的沟槽，低介质常数的材料更适合窄而深的沟槽。

     浅沟槽的填充可通过CVD磷硅玻璃或氮化硅来实现，但淀积的钝化膜不宜较厚。深槽填充可采用相对介电常数较低的有机绝缘介质，如苯并环丁烯（Benzo Cyclo Butene，BCB），其电阻率为1×1019Ω·cm，相对介电常数为2.65，临界雪崩击穿电场强度为5. 3×106V/cm，苯并环丁烯可直接进行喷涂。