功率器件終端區(qū)設計的必要性及注意事項有哪些？

01

終端區(qū)設計的必要性

功率器件有源區(qū)含有PN結，施加反向耐壓時，靠PN結承壓。實際平面工藝中，在芯片發(fā)射極表面光刻掩膜開窗口后進行雜質注入推結，制作出的 PN結在中間大部分區(qū)域表面近似于平面。但是，在四條邊角處，由于P型區(qū)雜質離子的橫向擴散，在近似認為橫向擴散系數(shù)和縱向相同的假設下，所形成的耗盡區(qū)邊界會呈現(xiàn)出柱面形或球面形，如圖1所示，就會在擴散窗口附近形成兩種不同的擴散結面，擴散結面的底部可以認為是一個理想的平面，稱之為平面結，在擴散窗口的四條邊和四個角由于擴散的終止分別會形成柱面結和球面結。

圖1 PN結形貌示意圖

對PN結施加反向偏壓，反向偏壓在空間電荷區(qū)產(chǎn)生的電場與內建電場方向一致，空間電荷區(qū)的電場增強，空六被強電場驅向P型區(qū)被抽走，電子被強電場驅向N型區(qū)被抽走，空間電荷區(qū)隨之變寬。

圖2 反向偏壓下PN結載流子流向示意圖

對于平面結，在橫向上電場強度分布均勻，在一定縱向深度內，電場強度的變化只與耗盡層深度有關，見公式 1-1，同一深度電場強度相同，并且 PN結界面處的電場強度最大，見公式1-2。公式中WD為耗盡層邊界寬度，x為耗盡層內的任一寬度，從公式可以看到，隨著反向偏壓的持續(xù)增大，耗盡層邊界不斷展寬，WD值持續(xù)增大，耗盡層內電場強度不斷增大，當耗盡層邊界展寬到一定程度，具有最大電場強度的PN結界面處首先達到其臨界擊穿電場強度，器件發(fā)生擊穿。

圖3 反向耐壓時PN結電場示意圖

圖4 柱面結耗盡示意圖

對于柱面結，電場強度會在此處發(fā)生集中，柱面結的電場強度見公式1-3，公式中rj為PN柱面結半徑，r為柱面結處耗盡層半徑的任意距離，rd為柱面結耗盡層邊界半徑，柱面結峰值電場也出現(xiàn)在PN結處，即rd=rj時,考慮到承受高壓時，耗盡層最大半徑遠超PN結柱面半徑，柱面結的最大電場強度可以近似表達為公式1-4。

將公式1-2 和公式1-4做対比，可以得到在同一反向偏壓下柱面結和平面結電場強度之間的關系，見公式1-5。因為，rd>>rj，所以柱面結承受的電場強度是平面結的幾至幾十倍，當反向偏壓達到一定程度，柱面結首先達到臨界電場強度，提前發(fā)生擊穿，從而降低整個器件的耐壓能力。因此需要采取一定的結構降低有源區(qū)邊緣的柱面結曲率效應的影響，降低柱面結處的電場集中，提高PN結擊穿電壓，這種結構即為終端區(qū)結構。

02

IGBT 失效場合、機理、原因

終端區(qū)設計的目的都是為了降低有源區(qū)邊緣的柱面結或球面結曲率效應的影響，從而降低柱面結或球面結處的電場集中。下面我們以場限環(huán)結構為例來具體說一下終端區(qū)的工作原理。

圖5 場限環(huán)結終端工作原理

場限環(huán)圍繞在有源區(qū)外圍，和有源區(qū)具有相同的摻雜類型，場限環(huán)無任何電位連接，采取浮空設置。其分壓的原理即是：場限環(huán)放置在有源區(qū)主結的耗盡層內，當主結施加反向偏壓時，場限環(huán)因為處于耗盡層內，其電壓為0至所施加的反向偏壓中間的任意值，在外加反向偏置電壓一定的情況下其值大小和距離主結的寬度Ws有關，最終施加在N區(qū)和場限環(huán)之間的反向偏置電壓為主結縱向反偏電壓與場限環(huán)電位之差，所以耗盡時場限環(huán)處的耗盡層要較主結處的耗盡層窄。在耗盡過程中，主結的耗盡層和場限環(huán)的耗盡層不斷擴展，最終相交連接起來，降低了有源區(qū)主結邊緣柱面結曲率，減小了電場集中，從而提高主結的擊穿電壓。

場限環(huán)設計中有兩個關鍵因素，其一是場限環(huán)距離主結的距離Ws，距離過大，主結耗盡層擴展不到場限環(huán)，擊穿電壓和沒有場限環(huán)設置時一樣；距離過小(可以想象為無限接近，有源區(qū)面積外擴一圈），它的電勢基本上等于主結上的電勢，僅僅是將最大電場轉移到場限環(huán)的柱面結處，依然限制了擊穿電壓的提高，因此此間距需要合理設置。其二是場限環(huán)的環(huán)寬，環(huán)寬過窄，即使距主結的間距己經(jīng)設在最佳位置，依然不能有效地減少耗盡層的曲率;環(huán)寬過寬，則浪費芯片面積，因此也需要合理設置。

03

終端區(qū)設計注意事項

1、足夠的擊穿電壓

首先要守好其本分，擊穿電壓要滿足芯片或器件的應用需求，盡管由于柱面結的存在，理論上無法達到平行平面結的擊穿電壓，但是一個好的終端結構應該盡量向平面結電壓逼近。

2、減小終端尺寸

在芯片面積一定的情況下，終端尺寸越大，終端區(qū)面積越大，有源區(qū)面積就越小，會降低芯片的通流能力。因此盡量選用小尺寸的終端結構，提高有源區(qū)面積占比，增大通流能力。

3、可靠性考慮

終端設計時也要考慮鈍化體系的選擇，提高器件的可靠性。盡量選擇一些機械性能好、柔韌性好、不容易開裂，內部電荷少，臨界擊穿電場高，抗外部離子沾污能力強，不易水解、不吸潮以及不易與外界發(fā)生化學反應的材質。

4、成本考慮

終端區(qū)設計時除性能上的考量外，還要兼顧其制造成本，在設計時最好可以兼容有源區(qū)工藝，減少光刻步驟，降低工藝制造成本。

04

本文小結

實際制造工藝過程中，PN結在有源區(qū)邊角處形成柱面結和球面結，受柱面結和球面結曲率效應影響，使得電場在此處集中，導致器件提前擊穿。終端結構即是用來降低有源區(qū)邊緣柱面結和球面結曲率效應的影響，從而減少柱面結和球面結處的電場集中，提高器件擊穿電壓。由此來看，終端區(qū)所謂的浪費芯片面積也是不得已而為之。終端設計需要兼顧擊穿電壓、終端尺寸、可靠性和經(jīng)濟成本。

審核編輯：劉清