MOS型浅结器件结终端结构优化分析

功率MOSFET和IGBT是由多个元胞并联而成，各元胞在表面处的电位基本相同，虽然中心元胞之间不存在击穿现象，但芯片边缘处的元胞与n^-外延层之间存在着高电压；同时由于元胞形成的pn结表面曲率半径小，导致边缘处的元胞表面存在高电场强度。因此，需要采用结终端技术来降低结终端区的局部高电场强度，以提高表面击穿电压。

1.普通MOS型器件的结终端结构

功率MOSFET常用场限环结终端结构。对于500V以上高压MOSFET，还可采用场板与场限环复合结终端结构，如图7-16所示。采用多晶硅和金属铝层双重场板，可以解决场板边缘介质击穿问题。多晶硅场板主要用来改善主结电场集中，铝场板可以提高场板边缘的击穿电压。同时，为了提高击穿电压，还采用了p⁺场限环（也称分压环）和n⁺截止环（也称为等位环）。后者可以有效防止耗尽区扩展，使漏源间电场在表面上均匀分布，避免局部集中；同时可以收集表面沾污的正离子，提高表面稳定性。这种结终端结构与有源区工艺完全兼容，可利用硅栅MOS工艺来实现，多晶硅场板可以与多晶硅栅同时制作，两个铝场板可以与铝电极同时制作，不需任何附加工艺。

图7-16 功率MOSFET两级场板和场环结终端结构

与VDMOS结构相似，IGBT也是由许多元胞并联而成的（见图7-17）^[4]，也需要采用适当的场限环结构来降低其表面峰值电场强度。

2.超结MOS型器件的结终端结构

对于超结器件，由于p柱区和n柱区之间要保持电荷平衡，必须完全耗尽才能实现平坦的电场强度分布；同时有源区采用高掺杂浓度以获得低导通电阻，终端区采用较低的掺杂浓度以获得高耐压，使得柱区的掺杂浓度从有源区到终端区逐渐降低，于是横向电场强度变得不规则，降低了器件的可靠性。所以，终端设计需要同时考虑有源区和终端区的纵横向电场强度。

考虑到超结的制作工艺不同，结终端的结构也会不同。超结通常采用多次外延与刻槽回填工艺形成，因此超结器件的终端也可以分为延伸型与截断型^[29]。

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图7-17 IGBT的中心元胞和外围元胞及耗尽区扩展宽度边界

如图7-18a所示^[30]，延伸型结终端结构是采用多次外延法将有源区外侧p柱与n柱的交替结构向外延伸到芯片边缘。与有源区的超结不同，终端的p柱区宽度更大些（比如由有源区的p柱区宽度为5μm，终端的p柱区宽度为10μm）。终端p柱区加宽，可以使全耗尽情况下净电荷为负；p柱的非均匀分布可以有效降低结终端区电场的扭曲^[31]，此外还可以使用多级场板。

图7-18 超结MOSFET的两种延伸型结终端结构

如果采用刻槽回填法制造超结，也可以形成p柱、n柱交替出现的延伸型结终端结构。但在热氧化过程中，由于表面附近存在杂质分凝，会使p柱表面宽度变窄、n柱表面宽度变宽。当加上反压时，此处会提前击穿而形成热斑。为此，如图7-18b所示^[32]，可在表面注入一个p区，使n柱与p柱恢复平行，击穿电压得以提高^[33]。

图7-19 超结MOS的截断型终端结构

图7-19所示的截断型结终端结构^[34]是针对沟槽回填法形成超结器件设计的。2008年由H.Mahfoz Kotb等人提出的^[35]，是在n^-外延层上先刻蚀好沟槽，再利用低压化学气相淀积（LPCVD）在槽内淀积一层重掺杂硼的多晶硅后进行高温扩散，于是在沟槽侧壁处形成了p柱区；最后在沟槽中填充低介电常数、高临界击穿电场强度的苯并环丁烯（BCB）介质。可见，终端的p区可以与有源区的p柱区同时形成，并且硼剂量可以精确控制，只是有源区的槽宽为5μm，结终端区沟槽宽约为70μm。此外，源极金属延伸到终端区深槽上方会形成场板。仿真结果显示，采用该结终端结构可以实现1300V以上的体击穿电压。