功率集成電路設(shè)計之結(jié)終端技術(shù)

結(jié)終端技術(shù)（Junction Termination Technology，JTT）：

結(jié)終端技術(shù)是通過緩解或者避免電場集中效應(yīng)而提高耐壓的技術(shù)。（器件耐壓一般由表面擊穿電壓決定）

橫向功率集成器件的結(jié)終端技術(shù)：

一類是在主結(jié)附近引入電荷，利用電荷產(chǎn)生的附加電場來調(diào)制電場，降低主結(jié)的電場峰值，并擴(kuò)展耗盡區(qū)寬度，從而獲得優(yōu)化的電場分布，此類技術(shù)通常用平面工藝，常見的包括場板及結(jié)終端擴(kuò)展。

另一類是去除曲率大，電場集中的結(jié)面部分，如采用刻蝕去除電場集中的半導(dǎo)體區(qū)域，或者刻槽并填充絕緣介質(zhì)，將高電場轉(zhuǎn)移至臨界擊穿電場更高的絕緣介質(zhì)中，從而提高擊穿電壓，稱為溝槽終端技術(shù)。

設(shè)計與制造中常常將兩種以上的結(jié)終端技術(shù)組合使用，形成復(fù)合終端技術(shù)以提高耐壓并縮小終端面積，同時提高器件的可靠性。

.1場板技術(shù)（Field Plate，F(xiàn)P）

場板技術(shù)工藝相對簡單且工藝兼容性好，是目前最重要和最常用的結(jié)終端技術(shù)之一。

基本原理：引入電荷產(chǎn)生附加電場，減小原來的電場峰值，同時使耗盡層擴(kuò)展。

廣義的場板可分為三類：

1.金屬場板，金屬覆蓋于半導(dǎo)體表面的絕緣介質(zhì)上且一端接固定電位，如接源的源場板，接?xùn)诺臇艌霭?，接漏的漏場板?/p>

2.浮空場板，其未與電極相連，無固定電勢，處于浮空的狀態(tài)

3.阻性場板，也稱電阻場板，通常采用半絕緣多晶硅（Semi-Insulating Polycrystalline Silicon，SIPOS），其兩端分別與器件的兩個電極相連，因為場板本身不絕緣且兩端存在電勢差，在阻性場板兩端之間就有電流流過，從而在電流流過的方向形成壓降，調(diào)整器件表面電場分布。

場板的作用是通過將一部分原本由N耗盡區(qū)正電荷指向表面出P+耗盡區(qū)負(fù)電荷的電場線轉(zhuǎn)向場板，從而降低主結(jié)處的電場峰值，緩解電場集中的現(xiàn)象，同時展寬耗盡區(qū)，如圖.1虛線所示。這種作用可以等效在半導(dǎo)體表面之上增加了一層負(fù)電荷，N區(qū)正電荷發(fā)出電力線部分終止于表面的負(fù)電荷，保證電通量不變。這些負(fù)電荷會產(chǎn)生垂直于硅層表面的電場以及平行于半導(dǎo)體表面兩個方向的電場。在場板下方多數(shù)區(qū)域內(nèi)，這些負(fù)電荷產(chǎn)生的橫向電場相互抵消；在場板靠近主結(jié)的位置，該電場削弱原來的主結(jié)電場峰值。但在場板末端，橫向電場于來源于主結(jié)的電場相互加強(qiáng)，產(chǎn)生一個額外的電場峰。

場板的作用通常由場氧厚度和場板的長度決定。厚則削弱其降低主結(jié)峰場作用；薄則因場板末端新的電場尖峰而發(fā)生擊穿。

圖.2給出在相同的反偏電壓下，具有不同場板長度的PN結(jié)的表面電場分布，場板越場，峰值越小。實際應(yīng)用，需要合理設(shè)計。

場板下橫向電場分量隨距離按如下指數(shù)規(guī)律下降：Ex∝exp（-0.6x/tfox），其中tfox是場氧化層厚度，x軸的原點在主結(jié)面，其正方向為沿表面遠(yuǎn)離主結(jié)的方向。如果tfox隨x的增加而增加，場板上的橫向電場分布會更趨于均勻，這種場板稱為斜坡場板，如圖.3所示。

斜坡場板或能花費更小的終端面積獲得緩解表面的尖峰電場。然斜坡場板的工藝實現(xiàn)相對困難，折中方案是圖.4所示的階梯場板。

在常規(guī)平面LDMOS中，阻斷狀態(tài)下只有處于低電位的柵場板或者源場板才具有對N型漂移區(qū)的輔助耗盡作用。

漏場板由于連接最高電位，不具有對N型漂移區(qū)的輔助耗盡作用。平面結(jié)構(gòu)中，場板只能產(chǎn)生局部耗盡作用。

若要擴(kuò)展場板的耗盡區(qū)域，只能水平延申場板長度，然而縮短柵場板與漏場板的距離對器件的耐壓有較大影響。

采用縱向場板結(jié)構(gòu)，使場板成為從表面延伸至體內(nèi)的負(fù)電荷中心，在漂移區(qū)內(nèi)產(chǎn)生橫向附加電場，使得部分電力線橫向終止于場板。

圖.6給出一種帶有雙槽的橫向功率MOSFET器件，其采用了隔離型縱向場板技術(shù)。

槽柵從表面延伸至埋氧層，形成縱向的MIS結(jié)構(gòu)，在阻斷狀態(tài)下相當(dāng)于縱向場板，緩解了P-well處的電場集中，且形成多維度輔助耗盡，提高漂移區(qū)的優(yōu)化濃度。通過在漂移區(qū)內(nèi)引入介質(zhì)槽，等效折疊漂移區(qū)，相同尺寸下提高擊穿電壓。

此外，縱向柵場板在阻斷狀態(tài)能有效屏蔽來自高壓區(qū)的電力線，起到隔離的效果。

.2溝槽終端技術(shù)（Trench Terminations）

（上文提及的介質(zhì)槽）刻槽能去除電場集中的半導(dǎo)體區(qū)域以提高耐壓，即溝槽終端技術(shù)。這種技術(shù)通常會在槽中填充介電系數(shù)更低且臨界擊穿電場更高的介質(zhì)材料。（所填介質(zhì)的介電常數(shù)通常小于Si的介電常數(shù)。）

將高電場轉(zhuǎn)移到介質(zhì)材料中，有利于縮小結(jié)終端結(jié)構(gòu)占用的表面積。

溝槽終端機(jī)理：

1.主結(jié)緊靠介質(zhì)槽終端結(jié)構(gòu)，降低了結(jié)面處電場尖峰，緩解電場集中效應(yīng)，將高電場轉(zhuǎn)移到絕緣介質(zhì)中。

2.根據(jù)高斯定理，垂直于硅介質(zhì)界面的電場強(qiáng)度與其介電系數(shù)成正比，低K介質(zhì)可使更窄的介質(zhì)槽承受于較寬Si平面終端結(jié)構(gòu)相同的耐壓，所以介質(zhì)槽終端在提高耐壓的基礎(chǔ)上能大大節(jié)省芯片面積。（性能由槽寬、槽深、及介質(zhì)k值決定，也就是說耐高壓的配置是槽窄，槽深，高k值）。

.3結(jié)終端擴(kuò)展技術(shù)（Junction Termination Extension，JTE）

結(jié)終端擴(kuò)展技術(shù)是在主結(jié)邊緣的輕摻雜側(cè)再摻雜，即引入附加電荷。其機(jī)理在于通過優(yōu)化漂移區(qū)的表面電場分布，從而提高器件擊穿電壓。

.4襯底終端技術(shù)（Substrate Termination Technology，STT）

集成器件的電流流向均為橫向，器件的電流能力和面積息息相關(guān)。

基于橫向功率開關(guān)器件大電流應(yīng)用的需要，版圖一般為跑道形或叉指狀結(jié)構(gòu)；為了縮小器件的面積尺寸，器件有源區(qū)都被設(shè)計成狹長的細(xì)條形結(jié)構(gòu)，因此再跑道結(jié)構(gòu)的彎道部分以及叉指狀結(jié)構(gòu)的指尖部分都具有一定曲率半徑。

圓弧形結(jié)構(gòu)帶來的曲率效應(yīng)使得電力線在接近圓弧圓心一端集中，造成極大的峰值電場，使得器件的擊穿特性惡化。（前面提到的技術(shù)不能有效解決此問題）

STT技術(shù)可以，其實現(xiàn)方法是將橫向功率器件的終端區(qū)靠近曲率圓心處的漂移區(qū)層部分移除，代替以更低摻雜的異質(zhì)層。

就橫向功率MOSFET器件而言，通過STT技術(shù)將LDMOS的終端區(qū)靠近跑道結(jié)構(gòu)的彎道部分以及叉指狀結(jié)構(gòu)的指尖部分（圓弧處）的N-drift層部分移除，代替以低摻雜的P-sub層代替，形成了一個由P-sub層和N-drift漂移區(qū)組成的耐壓結(jié)構(gòu)。

該變化使得高摻雜的P-body/N-drift結(jié)的曲率半徑增加，從而改善器件的擊穿電壓。從工藝角度來看，這種方法不需要增加額外的掩膜版次，也不占用大面積區(qū)域。不過引入之后，一定程度犧牲了正向電流能力。

審核編輯：黃飛