IGBT(絕緣柵雙極晶體管)同時(shí)具有單極性器件和雙極性器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，控制電路功耗和成本低，通態(tài)壓降低，器件自身?yè)p耗小，在幾十千赫高壓中大電流器件中處于壟斷地位，促進(jìn)電力電子技術(shù)高頻時(shí)代的到來(lái)。在IGBT制造工藝過(guò)程中，擴(kuò)散是在光刻掩膜開窗口后進(jìn)行，p-n結(jié)中間近似于平面結(jié)，而在邊角處，在Si-SiO2的界面附近，由于氧化層中帶正電荷會(huì)吸引電子在Si表面集中導(dǎo)致Si表面N型區(qū)表面濃度升高，進(jìn)而導(dǎo)致耗盡層在表面處相比于內(nèi)部變窄，p-n結(jié)發(fā)生彎曲，電場(chǎng)強(qiáng)度比體內(nèi)高，容易發(fā)生擊穿，使得器件實(shí)際擊穿電壓只有理想情況的10%～30%。而且平面工藝使表面產(chǎn)生的缺陷和離子沾污降低了表面區(qū)域的臨界擊穿電場(chǎng)，因此必須采取一定的終端技術(shù)對(duì)表面電場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到提高表面擊穿電壓的目的。已開發(fā)的終端結(jié)構(gòu)有電場(chǎng)限制環(huán)(FLR )、場(chǎng)板、結(jié)終端擴(kuò)展等，這些結(jié)構(gòu)實(shí)際上起到將主結(jié)耗盡區(qū)向外展寬的作用，最終提高擊穿電壓。其中場(chǎng)板結(jié)構(gòu)因其可以采用常規(guī)工藝實(shí)現(xiàn)、終端面積小及對(duì)界面電荷不是很敏感等優(yōu)點(diǎn)，是一種常被采用的結(jié)構(gòu)。但是如果結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，容易在場(chǎng)板邊緣形成過(guò)高的表面電場(chǎng)從而發(fā)生擊穿。
  文中基于現(xiàn)有工藝平臺(tái)提出一個(gè)IGBT多級(jí)場(chǎng)板終端結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)終端面積小，對(duì)界面電荷不敏感，可使場(chǎng)板下硅表面電場(chǎng)均勻分布，并從工藝上做了改進(jìn)，降低對(duì)工藝精度的要求。將此終端用在1200V NPT Planer IGBT結(jié)構(gòu)上進(jìn)行流片驗(yàn)證,擊穿電壓可達(dá)1300V以上。
 
  1.場(chǎng)板終端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
  1.1 簡(jiǎn)單場(chǎng)板結(jié)構(gòu)
  簡(jiǎn)單的場(chǎng)板結(jié)構(gòu)見圖1，由結(jié)接觸的金屬層延伸超過(guò)P+N結(jié)覆蓋在氧化層上形成。在場(chǎng)板的下方會(huì)形成耗盡層，一直延伸到場(chǎng)板結(jié)束的邊沿，場(chǎng)板下耗盡層可以把主結(jié)彎曲處的電場(chǎng)分散到場(chǎng)板處，減少主結(jié)彎曲處的電場(chǎng)集中。
  在場(chǎng)板結(jié)構(gòu)中，場(chǎng)板在氧化層上的覆蓋長(zhǎng)度LFP對(duì)擊穿電壓比較敏感。L. E. Clark等在實(shí)驗(yàn)中得出: 當(dāng)場(chǎng)板覆蓋較小時(shí)，擊穿電壓隨場(chǎng)板長(zhǎng)度的增加而增加，但是當(dāng)增加到一定倍數(shù)時(shí)不再明顯增加。

 

 
　在場(chǎng)板除邊緣地方外，在氧化層電荷為0，平帶電壓可以忽略的情況下，氧化層電場(chǎng)類似于MOS電容，終端擊穿電壓是硅表面耐壓和氧化層耐壓之和，見公式(1)。在公式(1)中，前一個(gè)加數(shù)是硅表面的耐壓，主要取決于襯底濃度NB；后一個(gè)加數(shù)是氧化層耐壓；€Si、€ox分別是硅和氧化層的介電常數(shù)；EC，PP是硅的臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)；tox是氧化層厚度，氧化層厚度增加，氧化層耐壓增大，進(jìn)而提高整個(gè)終端結(jié)構(gòu)的耐壓。

 

  在場(chǎng)板的邊緣部分，一維分析不再適用，Con-ti等人的二維仿真結(jié)果表明場(chǎng)板邊緣的電場(chǎng)分布相當(dāng)于一個(gè)柱面結(jié)，電場(chǎng)容易在此處集中。柱面結(jié)結(jié)深取決于硅和氧化層介電常數(shù)比和氧化層的厚度,見公式(2)，可見氧化層越厚，曲率半徑越大，越容易分散電場(chǎng)強(qiáng)度。但是他們同時(shí)也指出在靠近主結(jié)的部分氧化層越薄越有利于降低主結(jié)的電場(chǎng)。

 

  根據(jù)上述分析，若要得到場(chǎng)板下硅表面電場(chǎng)的平坦分布，場(chǎng)板結(jié)構(gòu)應(yīng)采用氧化層厚度由主結(jié)向外逐漸變厚的斜坡形，這個(gè)說(shuō)法Grandi也曾提到過(guò)。但是簡(jiǎn)單場(chǎng)板的氧化層厚度是均勻的，無(wú)法均衡場(chǎng)板下的表面電場(chǎng)分布，如果厚度過(guò)薄會(huì)在場(chǎng)板邊緣形成電場(chǎng)集中，如果厚度過(guò)厚會(huì)在主結(jié)處形成電場(chǎng)集中。
 
  1.2 多級(jí)場(chǎng)板結(jié)構(gòu)
  因?yàn)樾逼滦螆?chǎng)板結(jié)構(gòu)在工藝上不容易實(shí)現(xiàn)，一般采用階梯型多級(jí)場(chǎng)板結(jié)構(gòu)。在多級(jí)場(chǎng)板結(jié)構(gòu)中最薄弱的是多級(jí)場(chǎng)板的邊緣處，每級(jí)場(chǎng)板的邊緣處都相當(dāng)于一個(gè)柱面結(jié)，比較容易形成電場(chǎng)集中。在實(shí)際的仿真過(guò)程中發(fā)現(xiàn)在每級(jí)場(chǎng)板邊緣下方均有表面電場(chǎng)尖峰，Wolfgang[提出通過(guò)合理設(shè)計(jì)各級(jí)場(chǎng)板的長(zhǎng)度和厚度可以適當(dāng)減低表面電場(chǎng)的尖峰。由于實(shí)際工藝的限制有些優(yōu)化的結(jié)構(gòu)現(xiàn)階段的工藝未必能實(shí)現(xiàn)，除此之外還要考慮終端效率。文中即是基于現(xiàn)有工藝平臺(tái)設(shè)計(jì)的一個(gè)多級(jí)場(chǎng)板終端結(jié)構(gòu)[圖2(a)]，每級(jí)場(chǎng)板的厚度現(xiàn)有工藝平臺(tái)都可實(shí)現(xiàn)，然后根據(jù)厚度設(shè)計(jì)每級(jí)場(chǎng)板的寬度。仿真結(jié)果顯示，在第一個(gè)臺(tái)階邊緣下方表面電場(chǎng)強(qiáng)度最高達(dá)300kV/cm，見圖3中實(shí)線，達(dá)到了硅的臨界擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度，電場(chǎng)最先在這個(gè)地方擊穿。為了解決這個(gè)問(wèn)題，采取犧牲有源區(qū)最外圍元胞，在有源區(qū)最外圍元胞和多級(jí)場(chǎng)板之間加一個(gè)P-Ring環(huán)[圖2(b)]，通過(guò)合理設(shè)計(jì)P-Ring位置和結(jié)深，可使第一個(gè)臺(tái)階邊緣下方的表面電場(chǎng)強(qiáng)度降低(圖3中的虛線)，分析認(rèn)為添加了P-Ring環(huán)使得第一個(gè)臺(tái)階處的耗盡層曲率半徑變大,減弱了電場(chǎng)的集中。

圖2 多級(jí)場(chǎng)板終端結(jié)構(gòu)

圖3 多級(jí)場(chǎng)板下硅表面電場(chǎng)分布

  提取工作電壓(1200V)下的電流線分布[圖4(a)]及擊穿電壓下的電流線分布[圖4(b)]可以看到，在工作電壓下，電流線分布比較均勻，擊穿電壓下，電流線在第四個(gè)臺(tái)階電極結(jié)束的地方集中，說(shuō)明IGBT會(huì)在此處擊穿。
  從截取的電勢(shì)分布圖(圖5)可以看出，多級(jí)場(chǎng)板主要靠第四臺(tái)階氧化層耐壓，增加第四臺(tái)階氧化層厚度，IGBT耐壓值確有提高，見表1，考慮到現(xiàn)階段工藝的可行性及材料的表面應(yīng)力，其厚度不宜繼續(xù)增加。

圖4 多級(jí)場(chǎng)板終端結(jié)構(gòu)電流分布

圖5 多級(jí)場(chǎng)板終端結(jié)構(gòu)表面電勢(shì)分布

  選用多級(jí)場(chǎng)板終端結(jié)構(gòu)第四臺(tái)階氧化層厚度為7.8 μm的結(jié)構(gòu)進(jìn)行界面電荷的仿真拉偏，當(dāng)界面電荷由Qs= 5e10cm-2變到Qs= 5e11cm-2時(shí)，擊穿電壓僅降低15V，對(duì)界面電荷不敏感，見表2。

 

  1.3 多級(jí)場(chǎng)板結(jié)構(gòu)的工藝實(shí)現(xiàn)
  多級(jí)場(chǎng)板終端工藝結(jié)合IGBT元胞工藝同時(shí)進(jìn)行，大體流程如下: 硅片清洗→P-Ring光刻、注入→場(chǎng)氧生長(zhǎng)、刻蝕→多晶生長(zhǎng)、刻蝕、P阱注入、NSD注入→USG、BPSG、SiOxNy生長(zhǎng)、厚氧層生長(zhǎng)和刻蝕→孔刻蝕→金屬刻蝕→鈍化刻蝕。
  值得一提的是，多級(jí)場(chǎng)板結(jié)構(gòu)中第四臺(tái)階氧化層厚度在腐蝕工藝過(guò)程中不容易控制，如果控制不當(dāng)會(huì)影響器件耐壓。文中解決方法是在淀積第四臺(tái)階氧化層之前先淀積一薄層SiOxNy層，工藝控制上SiOxNy層可以作為腐蝕阻擋層，降低對(duì)工藝精度的要求，操作簡(jiǎn)單；其次由于SiOxNy具有良好的致密性，有較強(qiáng)的阻止外部雜質(zhì)離子侵入的能力，可以提高器件的穩(wěn)定性，可靠性。
 
  2. 流片驗(yàn)證
  將此終端應(yīng)用在1200V NPT Planer IGBT結(jié)構(gòu)上進(jìn)行流片驗(yàn)證，根據(jù)仿真結(jié)果，多級(jí)場(chǎng)板終端第四臺(tái)階氧化層厚度確定為7.3μm、7.8μm 兩種方案，每種方案封裝180只單管進(jìn)行測(cè)試，流片結(jié)果(圖6)顯示這兩種方案擊穿電壓均在1300V以上。其中第四臺(tái)階氧化層厚度為7.8 μm 的方案，擊穿電壓在1370V附近；第四臺(tái)階氧化層厚度為7.3μm的方案，擊穿電壓在1320V附近。得出的趨勢(shì)和仿真值是一致的，但是實(shí)際流片數(shù)據(jù)均比器件仿真值高約60V，考慮到仿真設(shè)置的工藝參數(shù)和實(shí)際工藝參數(shù)之間有一定誤差，這個(gè)差異是可以理解的。

 

 
  3. 結(jié)論
  基于現(xiàn)有工藝平臺(tái)提出一個(gè)IGBT多級(jí)場(chǎng)板終端結(jié)構(gòu)，在有源區(qū)最外圍元胞和場(chǎng)板之間加一個(gè)P-Ring環(huán)，可以降低第一級(jí)場(chǎng)板邊緣下的電場(chǎng)強(qiáng)度,使場(chǎng)板下硅表面電場(chǎng)平坦分布。改變第四級(jí)場(chǎng)板氧化層厚度，可以調(diào)整IGBT擊穿電壓值。從工藝上做了改進(jìn)，在淀積第四臺(tái)階氧化層之前先淀積一薄層SiOxNy薄膜作為腐蝕阻擋層，可降低對(duì)工藝精度的要求，同時(shí)提高器件可靠性。多級(jí)場(chǎng)板終端結(jié)構(gòu)可以阻止器件表面電荷進(jìn)入硅表面改變硅表面電勢(shì)，提高器件的穩(wěn)定性和可靠性。將此終端用在1200V NPT Planer IGBT結(jié)構(gòu)上進(jìn)行流片驗(yàn)證，擊穿電壓可達(dá)1300V以上。