IGBT(絕緣柵雙晶體管)同時(shí)具有單器件和雙器件的優(yōu)點(diǎn)，驅動(dòng)電路簡(jiǎn)單，電路功耗和成本低，通態(tài)壓降低，器件自身?yè)p耗小，在幾十千赫壓中大電流器件中處于壟斷地位，促進(jìn)電力電子頻時(shí)代的到來(lái)。在IGBT制造工藝過(guò)程中，擴散是在光刻掩膜開(kāi)窗口后進(jìn)行，p-n結中間近似于平面結，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表面集中導致Si表面N型區表面濃度升，進(jìn)而導致耗盡層在表面處相比于變窄，p-n結發(fā)生彎曲，電場(chǎng)強度比體內，發(fā)生擊穿，使得器件實(shí)際擊穿電壓只有情況的1～3。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域的臨界擊穿電場(chǎng)，因此必須采取的終端對表面電場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化，以達到提表面擊穿電壓的目的。已開(kāi)發(fā)的終端結構有電場(chǎng)環(huán)(FLR )、場(chǎng)板、結終端擴展等，這些結構實(shí)際上起到將主結耗盡區向外展的作用，zui終提擊穿電壓。其中場(chǎng)板結構因其可以采用常規工藝實(shí)現、終端面積小及對界面電荷不是很敏感等優(yōu)點(diǎn)，是一種常被采用的結構。但是如果結構設計不合理，在場(chǎng)板邊緣形成過(guò)的表面電場(chǎng)從而發(fā)生擊穿。
  文中基于現有工藝平臺提出一個(gè)IGBT多場(chǎng)板終端結構，該結構終端面積小，對界面電荷不敏感，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)，降低對工藝的要求。將此終端用在1200V NPT Planer IGBT結構上進(jìn)行流片驗證,擊穿電壓可達1300V以上。
 
  1.場(chǎng)板終端結構設計
  1.1 簡(jiǎn)單場(chǎng)板結構
  簡(jiǎn)單的場(chǎng)板結構見(jiàn)圖1，由結接觸的金屬層延伸過(guò)P+N結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)板結束的邊沿，場(chǎng)板下耗盡層可以把主結彎曲處的電場(chǎng)分散到場(chǎng)板處，減少主結彎曲處的電場(chǎng)集中。
  在場(chǎng)板結構中，場(chǎng)板在氧化層上的覆蓋長(cháng)度L_FP對擊穿電壓比較敏感。L. E. Clark等在實(shí)驗中得出: 當場(chǎng)板覆蓋較小時(shí)，擊穿電壓隨場(chǎng)板長(cháng)度的增加而增加，但是當增加到倍數時(shí)不再明顯增加。

圖1 場(chǎng)板結構及特

 
　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(lèi)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(jiàn)公式(1)。在公式(1)中，前一個(gè)加數是硅表面的耐壓，主要取決于襯底濃度N_B；后一個(gè)加數是氧化層耐壓；€_Si、€_ox分別是硅和氧化層的介電常數；E_C，PP是硅的臨界擊穿場(chǎng)強；to_x是氧化層厚度，氧化層厚度增加，氧化層耐壓增大，進(jìn)而提整個(gè)終端結構的耐壓。

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

  根據上述分析，若要得到場(chǎng)板下硅表面電場(chǎng)的平坦分布，場(chǎng)板結構應采用氧化層厚度由主結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 )在主結處形成電場(chǎng)集中。
 
  1.2 多場(chǎng)板結構
  因為斜坡形場(chǎng)板結構在工藝上不實(shí)現，一般采用階梯型多場(chǎng)板結構。在多場(chǎng)板結構中zui薄弱的是多場(chǎng)板的邊緣處，每場(chǎng)板的邊緣處都相當于一個(gè)柱面結，比較形成電場(chǎng)集中。在實(shí)際的仿真過(guò)程中發(fā)現在每場(chǎng)板邊緣下方均有表面電場(chǎng)，Wolfgang[提出通過(guò)合理設計各場(chǎng)板的長(cháng)度和厚度可以適當減低表面電場(chǎng)的。由于實(shí)際工藝的有些優(yōu)化的結構現階段的工藝未必能實(shí)現，除此之外還要考慮終端效率。文中即是基于現有工藝平臺設計的一個(gè)多場(chǎng)板終端結構[圖2(a)]，每場(chǎng)板的厚度現有工藝平臺都可實(shí)現，然后根據厚度設計每場(chǎng)板的度。仿真結果顯示，在*個(gè)臺階邊緣下方表面電場(chǎng)強度zui300kV/cm，見(jiàn)圖3中實(shí)線(xiàn)，達到了硅的臨界擊穿電場(chǎng)強度，電場(chǎng)zui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zui外圍元胞，在有源區zui外圍元胞和多場(chǎng)板之間加一個(gè)P-Ring環(huán)[圖2(b)]，通過(guò)合理設計P-Ring位置和結深，可使*個(gè)臺階邊緣下方的表面電場(chǎng)強度降低(圖3中的虛線(xiàn))，分析認為添加了P-Ring環(huán)使得*個(gè)臺階處的耗盡層曲率半徑變大,減弱了電場(chǎng)的集中。

圖2 多場(chǎng)板終端結構	圖3 多場(chǎng)板下硅表面電場(chǎng)分布

 
  提取工作電壓(1200V)下的電流線(xiàn)分布[圖4(a)]及擊穿電壓下的電流線(xiàn)分布[圖4(b)]可以看
到，在工作電壓下，電流線(xiàn)分布比較均勻，擊穿電壓下，電流線(xiàn)在第四個(gè)臺階電結束的地方集中，說(shuō)明IGBT會(huì )在此處擊穿。
  從截取的電勢分布圖(圖5)可以看出，多場(chǎng)板主要靠第四臺階氧化層耐壓，增加第四臺階氧化層厚度，IGBT耐壓值確有提，見(jiàn)表1，考慮到現階段工藝的可行及材料的表面應力，其厚度不宜繼續增加。

圖4 多場(chǎng)板終端結構電流分布	圖5 多場(chǎng)板終端結構表面電勢分布

 
  選用多場(chǎng)板終端結構第四臺階氧化層厚度為7.8 μm的結構進(jìn)行界面電荷的仿真拉偏，當界面電荷由Qs= 5e¹⁰cm^-2變到Qs= 5e¹¹cm^-2時(shí)，擊穿電壓降低15V，對界面電荷不敏感，見(jiàn)表2。

表1 不同厚度氧化層耐壓比較

表2 界面電荷密度對擊穿電壓的影響

 
  1.3 多場(chǎng)板結構的工藝實(shí)現
  多場(chǎng)板終端工藝結合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(cháng)、刻蝕→多晶生長(cháng)、刻蝕、P阱注入、NSD注入→USG、BPSG、SiOxNy生長(cháng)、厚氧層生長(cháng)和刻蝕→孔刻蝕→金屬刻蝕→鈍化刻蝕。
  值得一提的是，多場(chǎng)板結構中第四臺階氧化層厚度在腐蝕工藝過(guò)程中不，如果不當會(huì )影響器件耐壓。文中解決方法是在淀積第四臺階氧化層之前先淀積一薄層SiOxNy層，工藝上SiOxNy層可以作為腐蝕阻擋層，降低對工藝的要求，操作簡(jiǎn)單；其次由于SiOxNy具有良好的致密，有較強的阻止外部雜質(zhì)離子侵入的能力，可以提器件的穩定，。
 
  2. 流片驗證
  將此終端應用在1200V NPT Planer IGBT結構上進(jìn)行流片驗證，根據仿真結果，多場(chǎng)板終端第四臺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)行測試，流片結果(圖6)顯示這兩種方案擊穿電壓均在1300V以上。其中第四臺階氧化層厚度為7.8 μm 的方案，擊穿電壓在1370V附近；第四臺階氧化層厚度為7.3μm的方案，擊穿電壓在1320V附近。得出的趨勢和仿真值是一致的，但是實(shí)際流片數據均比器件仿真值約60V，考慮到仿真設置的工藝參數和實(shí)際工藝參數之間有誤差，這個(gè)差異是可以理解的。

圖6 含多場(chǎng)板終端結構NPT Planer IGBT流片擊穿電壓

 
  3. 結論
  基于現有工藝平臺提出一個(gè)IGBT多場(chǎng)板終端結構，在有源區zui外圍元胞和場(chǎng)板之間加一個(gè)P-Ring環(huán)，可以降低*場(chǎng)板邊緣下的電場(chǎng)強度,使場(chǎng)板下硅表面電場(chǎng)平坦分布。改變第四場(chǎng)板氧化層厚度，可以調整IGBT擊穿電壓值。從工藝上做了改進(jìn)，在淀積第四臺階氧化層之前先淀積一薄層SiOxNy薄膜作為腐蝕阻擋層，可降低對工藝的要求，同時(shí)提器件。多場(chǎng)板終端結構可以阻止器件表面電荷進(jìn)入硅表面改變硅表面電勢，提器件的穩定和。將此終端用在1200V NPT Planer IGBT結構上進(jìn)行流片驗證，擊穿電壓可達1300V以上。