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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LFP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NB;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;EC,PP是硅的臨界擊穿場(chǎng)強;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。
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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。
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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
HD/μm | 6.8 | 7.3 | 7.8 |
BV/V | 1196 | 1247 | 1311 |
表2 界面電荷密度對擊穿電壓的影響
Qs/cm-2 | 5.00E+10 | 5.00E+10 |
BV/V | 1311 | 1296 |
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。