01

終端區(qū)設(shè)計(jì)的必要性

功率器件有源區(qū)含有PN結(jié)，施加反向耐壓時(shí)，靠PN結(jié)承壓。實(shí)際平面工藝中，在芯片發(fā)射極表面光刻掩膜開窗口后進(jìn)行雜質(zhì)注入推結(jié)，制作出的 PN結(jié)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(zhì)離子的橫向擴(kuò)散，在近似認(rèn)為橫向擴(kuò)散系數(shù)和縱向相同的假設(shè)下，所形成的耗盡區(qū)邊界會(huì)呈現(xiàn)出柱面形或球面形，如圖1所示，就會(huì)在擴(kuò)散窗口附近形成兩種不同的擴(kuò)散結(jié)面，擴(kuò)散結(jié)面的底部可以認(rèn)為是一個(gè)理想的平面，稱之為平面結(jié)，在擴(kuò)散窗口的四條邊和四個(gè)角由于擴(kuò)散的終止分別會(huì)形成柱面結(jié)和球面結(jié)。

圖1 PN結(jié)形貌示意圖

對PN結(jié)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(nèi)建電場方向一致，空間電荷區(qū)的電場增強(qiáng)，空六被強(qiáng)電場驅(qū)向P型區(qū)被抽走，電子被強(qiáng)電場驅(qū)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(jié)載流子流向示意圖

對于平面結(jié)，在橫向上電場強(qiáng)度分布均勻，在一定縱向深度內(nèi)，電場強(qiáng)度的變化只與耗盡層深度有關(guān)，見公式 1-1，同一深度電場強(qiáng)度相同，并且 PN結(jié)界面處的電場強(qiáng)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(nèi)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(nèi)電場強(qiáng)度不斷增大，當(dāng)耗盡層邊界展寬到一定程度，具有最大電場強(qiáng)度的PN結(jié)界面處首先達(dá)到其臨界擊穿電場強(qiáng)度，器件發(fā)生擊穿。

圖3 反向耐壓時(shí)PN結(jié)電場示意圖

圖4 柱面結(jié)耗盡示意圖

對于柱面結(jié)，電場強(qiáng)度會(huì)在此處發(fā)生集中，柱面結(jié)的電場強(qiáng)度見公式1-3，公式中rj為PN柱面結(jié)半徑，r為柱面結(jié)處耗盡層半徑的任意距離，rd為柱面結(jié)耗盡層邊界半徑，柱面結(jié)峰值電場也出現(xiàn)在PN結(jié)處，即rd=rj時(shí),考慮到承受高壓時(shí)，耗盡層最大半徑遠(yuǎn)超PN結(jié)柱面半徑，柱面結(jié)的最大電場強(qiáng)度可以近似表達(dá)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(jié)和平面結(jié)電場強(qiáng)度之間的關(guān)系，見公式1-5。因?yàn)椋瑀d>>rj，所以柱面結(jié)承受的電場強(qiáng)度是平面結(jié)的幾至幾十倍，當(dāng)反向偏壓達(dá)到一定程度，柱面結(jié)首先達(dá)到臨界電場強(qiáng)度，提前發(fā)生擊穿，從而降低整個(gè)器件的耐壓能力。因此需要采取一定的結(jié)構(gòu)降低有源區(qū)邊緣的柱面結(jié)曲率效應(yīng)的影響，降低柱面結(jié)處的電場集中，提高PN結(jié)擊穿電壓，這種結(jié)構(gòu)即為終端區(qū)結(jié)構(gòu)。

02

IGBT 失效場合、機(jī)理、原因

終端區(qū)設(shè)計(jì)的目的都是為了降低有源區(qū)邊緣的柱面結(jié)或球面結(jié)曲率效應(yīng)的影響，從而降低柱面結(jié)或球面結(jié)處的電場集中。下面我們以場限環(huán)結(jié)構(gòu)為例來具體說一下終端區(qū)的工作原理。

圖5 場限環(huán)結(jié)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(shè)置。其分壓的原理即是：場限環(huán)放置在有源區(qū)主結(jié)的耗盡層內(nèi)，當(dāng)主結(jié)施加反向偏壓時(shí)，場限環(huán)因?yàn)樘幱诤谋M層內(nèi)，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(jié)的寬度Ws有關(guān)，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(jié)縱向反偏電壓與場限環(huán)電位之差，所以耗盡時(shí)場限環(huán)處的耗盡層要較主結(jié)處的耗盡層窄。在耗盡過程中，主結(jié)的耗盡層和場限環(huán)的耗盡層不斷擴(kuò)展，最終相交連接起來，降低了有源區(qū)主結(jié)邊緣柱面結(jié)曲率，減小了電場集中，從而提高主結(jié)的擊穿電壓。

場限環(huán)設(shè)計(jì)中有兩個(gè)關(guān)鍵因素，其一是場限環(huán)距離主結(jié)的距離Ws，距離過大，主結(jié)耗盡層擴(kuò)展不到場限環(huán)，擊穿電壓和沒有場限環(huán)設(shè)置時(shí)一樣；距離過小(可以想象為無限接近，有源區(qū)面積外擴(kuò)一圈），它的電勢基本上等于主結(jié)上的電勢，僅僅是將最大電場轉(zhuǎn)移到場限環(huán)的柱面結(jié)處，依然限制了擊穿電壓的提高，因此此間距需要合理設(shè)置。其二是場限環(huán)的環(huán)寬，環(huán)寬過窄，即使距主結(jié)的間距己經(jīng)設(shè)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(fèi)芯片面積，因此也需要合理設(shè)置。

03

終端區(qū)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

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(yīng)用需求，盡管由于柱面結(jié)的存在，理論上無法達(dá)到平行平面結(jié)的擊穿電壓，但是一個(gè)好的終端結(jié)構(gòu)應(yīng)該盡量向平面結(jié)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(huì)降低芯片的通流能力。因此盡量選用小尺寸的終端結(jié)構(gòu)，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(shè)計(jì)時(shí)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(jī)械性能好、柔韌性好、不容易開裂，內(nèi)部電荷少，臨界擊穿電場高，抗外部離子沾污能力強(qiáng)，不易水解、不吸潮以及不易與外界發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的材質(zhì)。

4、成本考慮

終端區(qū)設(shè)計(jì)時(shí)除性能上的考量外，還要兼顧其制造成本，在設(shè)計(jì)時(shí)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(jié)

實(shí)際制造工藝過程中，PN結(jié)在有源區(qū)邊角處形成柱面結(jié)和球面結(jié)，受柱面結(jié)和球面結(jié)曲率效應(yīng)影響，使得電場在此處集中，導(dǎo)致器件提前擊穿。終端結(jié)構(gòu)即是用來降低有源區(qū)邊緣柱面結(jié)和球面結(jié)曲率效應(yīng)的影響，從而減少柱面結(jié)和球面結(jié)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(fèi)芯片面積也是不得已而為之。終端設(shè)計(jì)需要兼顧擊穿電壓、終端尺寸、可靠性和經(jīng)濟(jì)成本。

審核編輯：劉清