半导体功率器件工艺的”边缘终端“的详解；

近几年来，半导体已经成为一个非常热的话题。很多人一说半导体就觉得都是芯片之类的核心部件，殊不知功率器件也是非常重要的一环。如今，功率半导体赛道格外引人注目。前有比亚迪股份（H01211）发布公告，分拆子公司比亚迪半导体至创业板上市（审核状态为已问询），后有功率半导体龙头英飞凌等玩家正在酝酿新一轮产品涨价。听到这么大的利好，叠加第三代半导体（如碳化硅和氮化镓)逐渐走向产业化之路，功率半导体板块为此先涨为敬。

从全球功率半导体的市场规模来看，从2018年的391亿美元，到2021年441亿美元，大致按照4%的速度在增长。而中国作为全球最大的功率半导体消费国，占据全球蛋糕的份额在逐年增加，2021年的市场份额已经达到了36%。

同时，功率半导体几乎涵盖了所有的电子制造业。几大重要领域也是平分秋色。工业控制（23%）、消费电子（20%）和计算机（20%）位列前三甲。

一、功率半导体的定义

顾名思义，功率半导体是半导体的一类，是电子装置中电能转化与电路控制的核心。比如新能源汽车、工业控制、轨道交通等各行各业，都能见到它的身影。它又称为电力电子器件，是电力电子装置实现电能转换、电路控制的核心器件，其主要用途包括变频、整流、变压、功率放大、功率控制等。

同时，功率半导体的应用场景越来愈多。全球功率半导体稳步增长的背景下，新能源汽车对需求的拉动显得更外显眼。新能源汽车中，驱动电机、动力电池、电控组成的三电系统，取代了传统汽油车三大件（发动机、变速箱和底盘），成为功率半导体的重要增量场景。

二、功率器件的保护

作为功率器件，我们以LDMOS 器件为例子。为了实现电子器件在生活生产中的作用，功率器件LDMOS需要在关闭的状态时可以承受得了几十伏甚至于上千伏的高电压，而在开态时要有较小的开关损耗和功率损耗。能够耐受高压的能力是衡量功率半导体器件发展的重要表征之一，尤其对于高压功率器件，获得合适的高耐压往往是器件设计的关键。

在实际半导体功率器件的制造过程中，一般会在功率半导体的边缘引入球面边界和柱面边界。由于球面或柱面曲率效应的影响，使的该区域的电场集中，该边界位置的击穿电压低于平行平面结的击穿电压，使半导体功率器件的击穿电压降低，从而使得功率器件击穿失效，没有办法正常工作。为了缓解这些对器件承受高压的影响，终端结构成为功率器件的保护伞。

柱面结或球面结都会使功率器件的击穿电压低于平行平面结的击穿电压。

由于边缘结构造成的曲率效应对功率半导体耐高电压有一定的负面影响，许多学者提出了一系列的结终端技术用以消除或者减弱球面结或柱面结的曲率效应。

现代的功率器件常采用结终端技术来解决结终端位置容易发生击穿的问题。主流的平面结终端技术包括等位环（Equipotential Ring，ER）、场板（Field Plate，FP）、场限环（Field Limiting Ring，FLR）、结终端扩展（Junction Terminal Extension，JTE）和横向变掺杂（Variable Lateral Doping，VLD）技术等。

三、功率器件边缘终端介绍

阻断特性的一维研究只有在半导体本体在横向上是无限的条件下才是正确的。但是实际上，器件结构有一个有限的尺寸，而且边缘终端必须用来降低边缘的电场。边缘终端结构主要可以分成两类：

1） 边缘结构有斜面终端结构。通过磨出一个在横向pn结和表面之间可以调节的规定的斜角，因而使边缘摆脱高电场。

2） 有平面半导体表面的边缘结构， 被称为平面终端结构。

1、斜面终端结构

斜面边缘形状是用机械研磨形成的。角的规定与结从高掺杂侧到低掺杂侧有关。在下图上表示的是有负斜角的斜边。其作用可以用简化的方法说明如下。如果没有表面电荷存在，空间电荷的等位线必然与表面垂直相交。这迫使空间电荷区在边上变宽，因而降低了表面上的电场强度。在有负斜角结构中，电力线的密集发生在靠近结的p 侧近于磨斜的表面处。因此，电场在这个位置是增强的。为了减小这种影响，有负斜角的边结构总是制成一个很小的角度，通常在2° ～4°之间。在这种情况下，能够得到接近90% 的体内阻断能力。雪崩击穿总是开始在边上靠近半导体表面下面的这个位置， 它在下图上标作为雪崩中心。

用正斜角的斜面边缘终端表示在下图上，等位线之间的距离在表面上也是增加的。特别靠近pn结，那里电场强，在边上电力线展宽。因此，没有雪崩中心发生，而且用这种终端结构，能够达到100% 的体内击穿电压。角可以在30° ～80°之间的宽范围内选择。

在下图上表示的腐蚀结构也是有正斜角的结终端结构。半导体晶片是从n+一侧开始腐蚀的。同样对于这种结构，击穿将发生在体内，而且击穿电压不会低于一维计算的。但是，如果空间电荷渗透n+层，雪崩中心可以发生在nn+结在下图上所标出的位置。

如果避免了在nn+结处的雪崩中心，按照上图的结构证明对表面电荷是很不敏感的。在这种情况下，为了长期稳定性，硅胶的钝化层是足够的。阳极面的锐角很容易受机械影响，这样的器件容易损坏。因此，这种边缘结构不适合用于有浅透入深度p层的现代器件。

2、平面结终端结构

平面结构很不容易受机械影响。表示在下图上带有悬浮电位环的结构可以用单个掩模工序与P型阳极层一起制得。电位环使得在半导体顶部表面的空间电荷区变宽。电位环结构由Kao和Wolley首先提出来的。

电场的最大值标出在下图上，通过选择电位环之间的最佳距离能降低其值。用二维坐标的泊松方程进行数字模拟，可以计算出电位环的最佳安排，如Brieger和Gerlach所表明的。尽管如此，电场的最大值不能完全避免，而雪崩击穿将发生在结终端的区域。大约能够达到击穿电压的85% ～95%。这个结构的一大优点是在生产过程中不需要附加光刻工序，它是和p层的制造同时实现的，而p层是用作二极管的阳极层或者晶体管的p基区。因此，这种结构是使用最为频繁的边缘终端结构。其缺点是需要大的面积。

用很低的掺杂p−区，所谓的结终端扩展（JTE） 结构，用平面结构也可达到体内击穿电压。表示在下图上的横向掺杂变化（VLD） 结构是JTE结构可能的种类之一，是Stengl和G·osele首先提出来的。p−区内的掺杂向器件边缘递减并与P阳极层相连。

这种结构是用这样的方法制造的，p−层的掩模有许多条形缝，其缝隙的面积从阳极区向边缘逐渐减小。p掺杂物沉积在这些条上，而在随后进入的扩散过程中，p−区是通过横向扩散连接起来的。这个过程造成掺杂浓度和深度向边缘方向逐渐减小的分布，如上图所表示的那样。用最佳设计，击穿发生在体内。用注入Al制成的结构可以达到100%的体内阻断电压 。因为Al的溶解度较低，低掺杂区容易用Al来实现。

与悬浮电位环结构相比，VLD结构的特点是需要的面积较小，而且它对表面电荷的状态更不敏感。因为在边缘区域掺杂窗口的容量小，为了控制B或Al的掺杂量，离子注入是必要的。关于其他参数，如注入深度，VLD结构是不敏感的。

用电场板结构，p层的金属化扩展到器件边缘绝缘钝化层的上面。下图a表示的是一阶电场板的作用。用这种结构，空间电荷也会在边缘延伸。一阶电场板足以使阻断电压达到体内击穿电压。为了制造场控器件，在元胞结构中几个绝缘层是需要的，用这些层在边缘处组合成几个台阶就可以实现，如下图b所示。这种特殊台阶位置的确定是通过数字模拟解泊松方程而完成的，类似于早先叙述过的电场环的计算。电场板结构常用于MOSFET和IGBT中。

为了节省几个电位环，从而减少所需的面积，组合隔离环和电场板也是可能的。为了经济上的原因，有必要保持边缘终端的面积尽可能的小，因为这部分面积不能用作导通电流。另一方面，附加的光刻工序也应避免。在几种方法中， 边缘是功率半导体器件的薄弱点，保护结终端的研究是开发稳定而坚固的功率器件的最重要的任务之一。

3、双向阻断器件的结终端

双向阻断器件像晶闸管有两个阻断pn结， 其中低掺杂n−层一般是双向共用的。晶闸管是这样制造的，例如，用两个负斜角结构，像表示在前面图示上那样，或是用一个负斜角和一个正斜角结构。还有别的结构，像从两边腐蚀的台面槽结构也在应用。

对于双向阻断器件引人注意的解决方法是用如下图所示的有深的边缘扩散的结构。作为首道工序之一，在右边的深度p扩散是从两边进行的。在最后工序中，晶片在深度p扩散区域被切开。上部的pn结有一个平面结，它具有隔离环和沟道阻挡块。下部的pn结经过深的p层和晶片的顶部相连。深p扩散附加扩散到边，这样实现了在JTE结构中所用的p−结构。不需要另外的结构。

边缘扩散结构的优点是晶片与现代半导体工艺过程相一致的，通常，光刻工艺只能用在晶片的一面上。双向阻断IGBT用的是类似的结终端结构。

总结一下

前几年，我们时常提出卡脖子这个词，尤其对于芯片这种高端制造行业。有了卡脖子，随之而来的就是国产替代。这条路，已经在其他无数个赛道上被验证。但是，芯片要自主发展，必将是一场旷日持久的战争。要打赢持久战，离不开政策和资本的支持，更离不开人才和平台的培育和发展。同时，这两年来，功率半导体又是一个滚雪球的赛道。只要持续的精进自己的技术能力，总有机会占据一席之地。

来源：头条@爱在七夕时

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