一種終端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的高壓大功率快恢復(fù)二極管

  1. 引言
  擊穿電壓是電力電子器件最重要的參數(shù)之一，它和最大電流容量一起決定了電力電子器件的額定功率。其中，硅基功率FRD通常是通過(guò)一個(gè)大面積pn結(jié)，以保證實(shí)現(xiàn)大電流工作。但是，對(duì)于高壓工作的FRD來(lái)說(shuō)，平面工藝中不可避免地存在著結(jié)面彎曲效應(yīng)，而影響器件擊穿電壓的主要因素正是pn結(jié)擴(kuò)散窗口區(qū)的結(jié)面彎曲引起的電場(chǎng)集中和界面電荷引起的表面電場(chǎng)集中，因?yàn)檫@些因素的影響使器件實(shí)際擊穿電壓僅為理想情況的10%~30%。因此，為了保證硅基FRD能夠在高壓下正常工作，通常需要在器件主結(jié)外邊緣處采取措施即結(jié)終端保護(hù)技術(shù)，來(lái)消除結(jié)面彎曲效應(yīng)的影響，削弱表面電場(chǎng)強(qiáng)度，提高功率FRD器件pn結(jié)擊穿電壓。
  目前結(jié)終端技術(shù)主要有以下幾種基本結(jié)構(gòu)：場(chǎng)板終端結(jié)構(gòu)(EP)、場(chǎng)限環(huán)終端結(jié)構(gòu)(FLR)、結(jié)終端擴(kuò)展(JTE)、橫向變摻雜技術(shù)LD(V)、半絕緣多晶硅(SIPOS)。由于平面結(jié)終端技術(shù)與平面工藝幾乎完全兼容，因此成為提高電力電子器件擊穿電壓最有利的方法，而在平面結(jié)終端技術(shù)中場(chǎng)限環(huán)和場(chǎng)板技術(shù)是目前功率器件最普遍采用的終端技術(shù)。其中，場(chǎng)板技術(shù)可以有效地抑制表面電荷引起的低擊穿，場(chǎng)限環(huán)技術(shù)則對(duì)主結(jié)的分壓作用具有明顯的效果，同時(shí)對(duì)減緩平面結(jié)曲率效應(yīng)造成的pn結(jié)擊穿也非常顯著。
  為了能夠獲得性能良好、擊穿穩(wěn)定的高壓功率FRD，本文對(duì)場(chǎng)板和場(chǎng)限環(huán)兩種終端保護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了理論分析，然后組合采用這兩種結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一款耐壓超過(guò)1200V的功率器件終端結(jié)構(gòu)，通過(guò)實(shí)際流片證明具有該終端結(jié)構(gòu)的FRD具有良好的電壓重復(fù)性及一致性特點(diǎn)。
 
  1. 場(chǎng)板技術(shù)和場(chǎng)限環(huán)技術(shù)原理分析
  1.1場(chǎng)板的工作原理
  場(chǎng)板是提高平面結(jié)擊穿電壓的一種很有效的辦法，場(chǎng)板結(jié)構(gòu)的剖面圖如圖1所示，場(chǎng)板、絕緣層和半導(dǎo)體構(gòu)成了MIS結(jié)構(gòu)，當(dāng)給p⁺n加反偏壓時(shí)，場(chǎng)板上的電勢(shì)相對(duì)于n型半導(dǎo)體為負(fù)，使場(chǎng)板、絕緣層和半導(dǎo)體襯底構(gòu)成的MIS結(jié)構(gòu)處于耗盡狀態(tài)，這部分耗盡區(qū)與反偏p⁺n結(jié)的耗盡區(qū)連成一體，從而減小了pn結(jié)終端彎曲處的電場(chǎng)強(qiáng)度，達(dá)到提高pn結(jié)擊穿電壓的目的。

 
  場(chǎng)板結(jié)構(gòu)的雪崩擊穿通常出現(xiàn)在兩個(gè)地方：一個(gè)是結(jié)面彎曲處，一個(gè)是場(chǎng)板邊緣硅表面處，所以帶有場(chǎng)板結(jié)構(gòu)的平面結(jié)有兩個(gè)峰值電場(chǎng)，如圖2所示。要實(shí)現(xiàn)平面pn結(jié)的最大擊穿電壓，應(yīng)充分優(yōu)化場(chǎng)板長(zhǎng)度和場(chǎng)板下氧化層厚度，使平面結(jié)曲率部分和場(chǎng)板邊緣處同時(shí)擊穿，從而實(shí)現(xiàn)場(chǎng)板結(jié)構(gòu)的最高耐壓值。  
   當(dāng)襯底摻雜濃度較高、氧化層較厚時(shí)，場(chǎng)板下面的半導(dǎo)體不易反型。這種情況下，場(chǎng)板區(qū)域絕緣層所承受的壓降遠(yuǎn)大于半導(dǎo)體上的壓降，因此擊穿發(fā)生在體內(nèi)結(jié)面彎曲處。當(dāng)襯底濃度較低、場(chǎng)板下氧化層較薄時(shí)，場(chǎng)板下面的硅襯底在pn結(jié)上的電壓較高時(shí)很容易反型，此時(shí)襯底表面的反型層與襯底形成感應(yīng)pn結(jié)，擊穿首先發(fā)生在場(chǎng)板邊緣的場(chǎng)感應(yīng)結(jié)上，并且其擊穿電壓隨絕緣層厚度的增加而增大。因?yàn)榻^緣層厚度的增加具有削弱場(chǎng)板邊緣電場(chǎng)集中的效應(yīng)，與通常采用的增加pn結(jié)結(jié)深來(lái)提高擊穿電壓情況相似。
  因此，場(chǎng)板作用的大小與場(chǎng)板的長(zhǎng)度及場(chǎng)板下氧化層厚度密切相關(guān)。場(chǎng)板長(zhǎng)度增加時(shí)，電場(chǎng)集中區(qū)逐漸移向場(chǎng)板邊緣。場(chǎng)板愈長(zhǎng)，結(jié)處電場(chǎng)愈小。場(chǎng)板下氧化層愈薄，電場(chǎng)向場(chǎng)板方向轉(zhuǎn)移愈明顯。但厚度太小，又會(huì)造成場(chǎng)板邊緣介質(zhì)擊穿。
  1.2 場(chǎng)限環(huán)的工作原理
  場(chǎng)限環(huán)的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中主結(jié)與環(huán)結(jié)是同時(shí)擴(kuò)散形成的。場(chǎng)限環(huán)的電位浮空，不與主結(jié)相聯(lián)，也不與器件其他電極相聯(lián)。當(dāng)主結(jié)加上反向電壓時(shí)，耗盡層隨著反向電壓的升高由主結(jié)向環(huán)結(jié)擴(kuò)展，使主結(jié)和環(huán)結(jié)之間的耗盡層穿通，并進(jìn)一步向環(huán)結(jié)的另一側(cè)擴(kuò)展。從而在一定的電壓下，將因耗盡層的展寬而使電場(chǎng)降低，擊穿電壓得以提高。  
  由于主結(jié)空間電荷區(qū)的最大電場(chǎng)強(qiáng)度決定于穿通電壓，只要穿通電壓低于主結(jié)的雪崩擊穿電壓，則其最大電場(chǎng)強(qiáng)度就低于雪崩擊穿的臨近電場(chǎng)強(qiáng)度。這樣就可以消除結(jié)曲面部分導(dǎo)致電場(chǎng)升高的現(xiàn)象，使主結(jié)的擊穿電壓由平面部分決定。因此，主結(jié)與場(chǎng)限環(huán)的間距、結(jié)深、環(huán)的寬度以及環(huán)的個(gè)數(shù)都會(huì)影響到擊穿電壓的大小，其中主結(jié)與場(chǎng)限環(huán)以及環(huán)與環(huán)(多個(gè)場(chǎng)限環(huán)時(shí))的間距對(duì)擊穿電壓的高低起著主要作用。
 
  2. 場(chǎng)板和場(chǎng)限環(huán)組合設(shè)計(jì)及分析
2.1場(chǎng)板和場(chǎng)限環(huán)組合設(shè)計(jì)
  場(chǎng)限環(huán)結(jié)構(gòu)中環(huán)間距對(duì)擊穿性能影響最大，而環(huán)間電位及表面電場(chǎng)分布受氧化層表面電荷影響很大，提高了場(chǎng)限環(huán)結(jié)構(gòu)對(duì)表面鈍化工藝的要求，因此增加了工藝的復(fù)雜性；而場(chǎng)板結(jié)構(gòu)對(duì)氧化層厚度均勻性比較敏感，為了獲得最佳效果，同樣增加了工藝的復(fù)雜性。
  鑒于上述原因，本文采用場(chǎng)限環(huán)場(chǎng)板復(fù)合終端結(jié)構(gòu)，具體地，場(chǎng)限環(huán)主要起分壓作用，場(chǎng)板主要用來(lái)屏蔽氧化層中正電荷對(duì)結(jié)表面的影響，使場(chǎng)環(huán)的作用得到充分發(fā)揮。此種結(jié)構(gòu)發(fā)揮了場(chǎng)限環(huán)和場(chǎng)板各自優(yōu)點(diǎn)，使得擊穿電壓對(duì)環(huán)間距、氧化層厚度及氧化層電荷的敏感程度大大降低，與常規(guī)工藝完全兼容。大大降低了工藝的復(fù)雜性。復(fù)合終端結(jié)構(gòu)截面如圖4所示。  
  場(chǎng)限環(huán)優(yōu)化設(shè)計(jì)采取方法是充分優(yōu)化環(huán)間距，如果間距取得合適，使得主結(jié)與環(huán)結(jié)的電場(chǎng)強(qiáng)度同時(shí)達(dá)到臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的反偏電壓為最大擊穿電壓，對(duì)應(yīng)的環(huán)間距為最佳環(huán)間距。一般地，擊穿電壓隨環(huán)個(gè)數(shù)增加而增加，但并非線性增加，環(huán)的個(gè)數(shù)越多，占用芯片面積越大，因此設(shè)計(jì)時(shí)要折衷考慮環(huán)的個(gè)數(shù)與擊穿電壓大小，使擊穿電壓滿足的前提下芯片面積占用率最低，也就是說(shuō)電勢(shì)從陽(yáng)極到器件末端上升得盡可能快。對(duì)于高壓器件必須設(shè)計(jì)多個(gè)場(chǎng)限環(huán)，讓每個(gè)環(huán)分擔(dān)外加電壓的一部分，場(chǎng)限環(huán)環(huán)間距離d及第i個(gè)環(huán)到i+1個(gè)環(huán)間的電壓V_i+1，i的計(jì)算公式：   式中ε為硅的介電常數(shù)為擊穿臨界電場(chǎng)結(jié)可以認(rèn)為是單邊突變平面結(jié)其擊穿臨界電場(chǎng)   d為i環(huán)邊緣曲率中心到下一環(huán)邊緣的距離由上式計(jì)算的d是場(chǎng)限環(huán)最大允許間距，V_i+1，i為環(huán)間最大電壓。環(huán)間距離d愈小，環(huán)間電壓最大電場(chǎng)愈小。式中N_epi為外延層摻雜濃度。
  場(chǎng)板優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的：加上場(chǎng)板以后的擊穿電壓(定義界面電荷值為1×10¹¹cm²)應(yīng)該達(dá)到相同結(jié)構(gòu)沒(méi)有場(chǎng)板時(shí)(定義界面電荷值為缺省值)的擊穿電壓。其中場(chǎng)板下氧化層厚度的確定是在滿足氧化層臨界擊穿的前提下近可能薄，使場(chǎng)板充分發(fā)揮電荷耦合作用。但氧化層厚度最小值受到氧化層擊穿電壓的限制，，其中t_ox為氧化層厚度，BV_pp為理想平等平面結(jié)的擊穿電壓，E_ox為SiO₂的臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)。場(chǎng)板的主要作用是屏蔽氧化層電荷、使場(chǎng)限環(huán)的作用得到充分發(fā)揮，同時(shí)降低自己對(duì)氧化層厚度的依賴性，從而和常規(guī)工藝兼容。所以，場(chǎng)板的優(yōu)化設(shè)計(jì)是要充分優(yōu)化氧化層厚度和場(chǎng)板長(zhǎng)度，使場(chǎng)板邊緣與環(huán)間的電位差大于或等于相鄰環(huán)間電位差，達(dá)到使場(chǎng)限環(huán)承擔(dān)電壓的目的。
 
  2.2 模擬仿真和結(jié)果分析
  本文以Synopsis公司的MEDICI4.0為器件仿真工具,采用厚度100μm左右、摻雜濃度10¹⁴cm^-2量級(jí)的n<111>Si外延材料，設(shè)計(jì)了一個(gè)10個(gè)場(chǎng)限環(huán)和10個(gè)場(chǎng)板的復(fù)合終端結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)場(chǎng)板長(zhǎng)度、環(huán)間距、氧化層厚度等參數(shù)的調(diào)整，做到在350μm寬度的較小終端設(shè)計(jì)面積中模擬得到擊穿電壓滿足1200V的結(jié)構(gòu)。模擬結(jié)果如圖5所示。  
  對(duì)于一個(gè)優(yōu)化的終端結(jié)構(gòu)，擊穿應(yīng)該同時(shí)發(fā)生在每個(gè)場(chǎng)限環(huán)的結(jié)面彎曲處，所以電場(chǎng)強(qiáng)度和電流的均勻性分布是終端優(yōu)化結(jié)構(gòu)的一個(gè)標(biāo)志。圖5(a)為擊穿時(shí)在p阱結(jié)面彎曲處的電場(chǎng)強(qiáng)度分布圖，可見(jiàn)在擊穿發(fā)生時(shí)主結(jié)和場(chǎng)限環(huán)的結(jié)面彎曲處電場(chǎng)強(qiáng)度均勻分布。圖5(b)為器件發(fā)生擊穿時(shí)的電流流向圖，可見(jiàn)電流的分布也比較均勻，所以各個(gè)擊穿點(diǎn)同時(shí)發(fā)生擊穿，而不是發(fā)生在某個(gè)薄弱環(huán)節(jié)。
  以MEDICI4.0為器件仿真工具，對(duì)確定的場(chǎng)限環(huán)終端結(jié)構(gòu)和復(fù)合結(jié)構(gòu)在不同界面電荷情況下分別進(jìn)行了仿真計(jì)算，結(jié)果如表1所示。  
  由仿真計(jì)算結(jié)果看出，對(duì)場(chǎng)限環(huán)終端結(jié)構(gòu)當(dāng)氧化層界面電荷為1×10¹¹cm^-2時(shí)的擊穿電壓為1197V，比預(yù)計(jì)的1350V低158V，而復(fù)合終端結(jié)構(gòu)僅低39V。當(dāng)界面電荷從零變化到1×10¹¹cm^-2時(shí)，場(chǎng)限環(huán)終端擊穿電壓下降了100V，而復(fù)合終端結(jié)構(gòu)僅下降了31V。由此可說(shuō)明本文設(shè)計(jì)的復(fù)合終端結(jié)構(gòu)不僅擊穿電壓比場(chǎng)限環(huán)終端提高了，而且受界面電荷的影響也沒(méi)有場(chǎng)限環(huán)終端那么明顯，即場(chǎng)板顯現(xiàn)出了良好的電荷屏蔽效應(yīng)。
 
  3. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
  為了驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的終端結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性，本文采用1200V外延材料進(jìn)行了小批量流片試制。流片后管芯做TO-247塑封，成品經(jīng)大功率圖示儀測(cè)試，擊穿電壓的測(cè)試結(jié)果如圖6所示，由圖可以看出擊穿值達(dá)到1250V，且擊穿曲線陡直、拐點(diǎn)明確，屬良好硬擊穿。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證：在BV≥1200V@IR=40μA和IR≤100μA@BV=1200V條件下，芯片反向擊穿電壓和漏電流篩選成品率大于97%，且擊穿電壓的重復(fù)性和一致性良好。  
  目前采用該終端結(jié)構(gòu)的擊穿電壓1200V、額定電流為100A的FRD產(chǎn)品已經(jīng)通過(guò)多家客戶驗(yàn)證并在公司實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，圓片實(shí)物如圖7所示。  
  4. 結(jié)論
  采用本文所設(shè)計(jì)終端結(jié)構(gòu)的1200V FRD，經(jīng)實(shí)際流片證明，擊穿電壓和漏電流指標(biāo)試制一次性成功，說(shuō)明本文設(shè)計(jì)的終端結(jié)構(gòu)效果良好。按照該終端結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路，通過(guò)調(diào)整保護(hù)環(huán)的數(shù)量和環(huán)間隙及外延材料參數(shù)，同樣適用于其它擊穿電壓FRD終端保護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，尤其對(duì)于擊穿電壓千伏左右的FRD器件終端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)作用，同時(shí)對(duì)高壓功率器件終端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定借鑒意義。



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