【正文】 電壓。對于大面積的電力器件，通常采用表面斜角造型的技術(shù)以降低表面電場。下面著重討論正、負(fù)斜角造型并介紹其它技術(shù)，分析其影響因素，對電力器件的表面保護(hù)技術(shù)做簡要闡述。 半導(dǎo)體器件的PN結(jié)一般延伸到表面，稱為表面PN結(jié)。在表面附近空間電荷區(qū)發(fā)生彎曲，這種彎曲還會受到表面電荷的影響，使表面空間電荷區(qū)進(jìn)一步彎曲。所以表面PN結(jié)比體內(nèi)PN結(jié)復(fù)雜的多。表面和體內(nèi)PN結(jié)對器件耐壓的影響可以用如圖2－12所示的圖2－12表面PN結(jié)與體內(nèi)PN結(jié)的等效電路與特性 等效電路說明。當(dāng)PN結(jié)表面的擊穿電壓低于體內(nèi)的擊穿電壓時，PN結(jié)的擊穿電壓由表面PN結(jié)決定。反之，則由體內(nèi)PN結(jié)的擊穿電壓決定。所以，對所有實用器件來說，都應(yīng)盡可能地避免表面先于體內(nèi)擊穿。 表面PN結(jié)的擊穿主要是表面電場增強的結(jié)果。表面電場形成的原因是多方面的，例如，施加在表面上外電極的電位，或者表面上，絕緣表面層內(nèi)的電荷所引起的。在外加很高反向電壓時，由于空間電荷區(qū)存在很強的電場，當(dāng)結(jié)表面有沾污或損傷（如工藝過程中的碰、撞等造成掉邊、裂紋、劃道等）時，更容易形成電場局部集中，使表面首先發(fā)生擊穿。這種局部電場強度增度增大引起的表面擊穿，往往造成電流集中，大大降低了器件的反向浪涌能力。為提高器件的表面耐壓，一避免電場局部集中，使表面電場強度分布均勻。為此，1964年戴維斯（Devices）提出了控制表面電場，提高表面擊穿電壓的所謂表面斜角造型加以控制，從而使這個問題能得到較好解決。 對于大面積、深結(jié)的電力半導(dǎo)體器件，結(jié)的末段常常延伸至表面，通常采用斜角結(jié)構(gòu)以降低表面電場。用平面工藝制造的PN結(jié)，雜質(zhì)是通過掩模窗口擴散進(jìn)去的，在邊、角之處結(jié)的邊緣呈圓柱及球面，因而存在曲率，導(dǎo)致表面電場比體內(nèi)高。一般可采用保護(hù)環(huán)、場板、耗盡層腐蝕及結(jié)延伸給予改善1. 表面斜角造型技術(shù) 電力半導(dǎo)體器件廣泛采用斜角造型以提高表面耐壓。斜角有正、負(fù)斜角之分1) 正斜角正斜角是從重?fù)诫s至輕摻雜結(jié)面積逐步減小的結(jié)。圖2－13表示在600伏反向偏壓下的這種突變P+N結(jié)，圖中還示出了沿不同正傾斜角表面計算得到的電場強度值。對正傾斜角的作用要注意如下幾點： ★即使是90‘的傾斜角(沒有傾斜)，表面上的最大電場始終低于體內(nèi)的最大電場。 ★最大電場值隨傾斜角減小單調(diào)地下降 ★最大電場的位置隨傾斜角減小而離開合金結(jié)和進(jìn)入輕摻雜的一側(cè)。而且對于所有的正傾斜角，電場強度的計算示出，從表面到體內(nèi)的方向上，電場從表面的值單調(diào)地增加到體內(nèi)的值。圖2－13 正斜角的表面電場正斜角之所以可以降低表面電場，是由于表面有一定的斜角，為了保持電荷平衡，結(jié)的輕摻雜邊耗盡層必須沿表面擴展，其結(jié)果使表面空間電荷區(qū)寬度xs大于體內(nèi)空間電荷區(qū)寬度xB，如圖2－14所示，從而使表面電場降低。圖2－14 正斜角的體內(nèi)和表面的空間電荷區(qū)寬度xB 和xs及正斜角θ之間的關(guān)系為 （2－68）如果外加電壓為V，則表面空間電荷區(qū)平均電場強度為 （2－69）式中EB為體內(nèi)空間電荷區(qū)平均電場強度。由此看出，正斜角θ越小，表面電場越弱。實際發(fā)現(xiàn)，表面最大電場強度不再PN結(jié)而是在地蠶咱濃度以便。總之，正斜角能使空間電荷區(qū)表面展寬，顯著地減小表面電場，從而提高表面擊穿電壓，所以采用正斜角較為有利。除了付出這一額外加工工序的成本外，正傾斜角沒有不利之處。因而，對所有高壓結(jié)都選擇這一技術(shù)。但是有些情況需用負(fù)斜角。（[美] , 《功率半導(dǎo)體器件工作原理和制造工藝》 , 機械工業(yè)出版社 , 1982年09月第1版 , 第60頁）2）負(fù)斜角負(fù)斜角就是表面斜角使結(jié)的面積由高濃度向低濃度區(qū)增大，即斜角削去部分主要在高濃度邊，如圖2－15所示，空間電荷區(qū)在輕摻雜（N）區(qū)被壓縮，而在重?fù)诫s（P+）區(qū)則擴展。圖2－15負(fù)斜角的體內(nèi)和表面的空間電荷區(qū)寬度如果負(fù)斜角比較大，耗盡層P+區(qū)的展寬量很小，表面空間電荷區(qū)的展寬小于體內(nèi)的空間電荷區(qū)的展寬，因此體內(nèi)的平均電場強度小于表面的平均電場強度，當(dāng)負(fù)斜角很小時，峰值表面電場又會降低。這是因為在輕摻雜（N）一側(cè)耗盡層縮小到PN結(jié)處已被固定，隨負(fù)斜角的再減小，而重?fù)诫s（P+）側(cè)耗盡層擴展繼續(xù)增大的結(jié)果。因此，只是對于特別小的斜角，峰值表面電場才能明顯低于體內(nèi)電場。模擬計算結(jié)果表明，負(fù)斜角造型有一個與正斜角造型不同的重要特點，即電場不是單調(diào)地從表面向體內(nèi)減弱，而是如圖2－16所示，而且此處的電場強度比體內(nèi)的還要大一些。盡管采用小的負(fù)斜角能夠使表面電場降得低于體內(nèi)值，但對降低這個次表面處的最大電場還是不大見效。因為次表面電場仍舊高于體內(nèi)電場，所以器件依然不能達(dá)到理想的擊穿值。當(dāng)然，這個次表面最大電場的數(shù)值隨負(fù)角浮膠的較小而降低的（2－16）PN結(jié)表面電場分布除受表面造型角度控制外，還受到PN結(jié)的摻雜濃度分布、介電常數(shù)和表面電荷的影響。圖2－16 采用負(fù)斜角，峰值電場與離表面距離的關(guān)系★結(jié)附近雜質(zhì)濃度及分布的影響當(dāng)輕摻雜區(qū)的雜質(zhì)濃度較小時，體內(nèi)的雪崩擊穿電壓得到提高。但在這種情況下，負(fù)斜角必須很小，才能把最大電場減小到同樣值。由于對擊穿電壓再4000V以上的器件，要求負(fù)斜角小于1176。，這樣小的負(fù)斜角造型在技術(shù)上是困難的，而且有效結(jié)面積損失過大。因而使用負(fù)斜角，最大能限制在4000V左右。結(jié)深和雜質(zhì)濃度梯度對負(fù)斜角擊穿電壓也有影響，在很小的負(fù)斜角時，重?fù)诫s（P＋）側(cè)的空間電荷區(qū)展寬較大，峰值表面電場明顯低于體內(nèi)電場。而表面電場降低的程度強烈地取決于重?fù)诫s的斷面分布，顯然平緩的深擴散結(jié)有利于得到較低表面電場，因此，負(fù)斜角造型時，應(yīng)采用深擴散低濃度梯度才有利?！锝殡姵?shù)的影響表面PN結(jié)的擊穿電壓還與覆蓋材料的介電常數(shù)有關(guān)。介電常數(shù)由1相對增大4時，表面最大電場強度相應(yīng)下降。介電常數(shù)對表面電場的影響可以這樣理解。當(dāng)外加反向電壓時，介電質(zhì)內(nèi)感應(yīng)的偶極子將沿電場方向定向，這種定向的影響可等效為一個大的偶極電荷，一邊為正電荷，另一邊為負(fù)電荷。正的偶極電荷在P型層重感生除電子，負(fù)的偶極電荷在N型層感生出空穴。因此，結(jié)兩邊的有效摻雜水平很低，使得在表面的空間電荷區(qū)增寬，從而使電場減小。一般說，表面定型后的PN結(jié)，最大電場受介電常數(shù)影響不大。多數(shù)情況下，表面輪廓可使最大電場降低一個數(shù)量級左右，而改變介電常數(shù)只能降低30％左右。★表面電荷的影響電壓在1000V以下，表面電荷對決定耗盡層表面邊界形狀的影響并不重要。但對擊穿電壓在(15)kV的器件，原始單晶的電阻率很高，表面電荷的影響不可忽略。如圖2－17所示，本底濃度為61013cm3 ,P+區(qū)表面濃度為1019cm3，結(jié)深100μm的PN結(jié)，采用6176。的負(fù)斜角，在正表面電荷作用下，耗盡層表面形狀發(fā)生了改變。表面正電荷的感應(yīng)效應(yīng)，使N型區(qū)電子濃度增加，P型區(qū)中空穴減小，從而造成表面的耗盡層在N區(qū)側(cè)收縮，P區(qū)側(cè)擴展。在負(fù)斜角很小時，正電荷對表面電場的影響大為減弱。表面存在負(fù)電荷時，它將使N型側(cè)耗盡層擴展，而P型側(cè)收縮。隨著表面電荷面密度增加，表面電場減小。一般地說，硅表面存在負(fù)電荷的情況很小，但在玻璃鈍化的情況下，可使表面存在負(fù)電荷。如果負(fù)電荷面密度足夠高時，可能導(dǎo)致N型表面形成反型層（溝道），使器件漏電流增加和低壓擊穿，所以在玻璃鈍化時控制負(fù)電荷是重要的。圖2－17 表面正電荷對表面耗盡層彎曲的影響2. 場限環(huán)提高平面型結(jié)的擊穿電壓的通用方法之一，就是采用如圖2－18的場限環(huán)。場限環(huán)是擴散形成PN結(jié)的同時，在其周圍做同樣摻雜的一個環(huán)形成的，不必增添任何工藝。作為器件的PN結(jié)稱為主結(jié)，其周圍的場限環(huán)和主結(jié)及其他電極并無點接觸，因此又稱為浮空場限環(huán)。第一個場限環(huán)的位置可以這樣考慮：即當(dāng)主結(jié)的電場達(dá)到臨界擊穿電壓值以前，就讓主結(jié)的耗盡層穿通到浮空場限環(huán)。穿通之后，電壓再有所提高，就將主要由第一個場限環(huán)來承擔(dān)。于是，對于有兩個環(huán)的結(jié)構(gòu)其擊穿電壓變?yōu)? （2－70）式中Vpto是主結(jié)到第一個環(huán)結(jié)的穿通電壓，Vpt1是從場限環(huán)1到場限環(huán)2的穿通電壓，Vt2是由任何曲率效應(yīng)二引起的轉(zhuǎn)折電壓。由于結(jié)的曲率作用使擊穿電壓的降低只對式中最后一項有影響，故整個擊穿電壓得到提高。通過再主結(jié)周圍采用多個電場環(huán)的方法，可以達(dá)到進(jìn)一步提高平面結(jié)擊穿電壓的募得。但是，對于高阻材料來說，為了獲得高的擊穿電壓耐量，場限環(huán)的間距要大一些，并且由于需要表面積大，所以場限環(huán)結(jié)構(gòu)通常不適用于高壓器件。 整流管的表面造型1. 普通整流管普通整流管是指非穿通結(jié)構(gòu)的整流管，一般采用單正斜角造型。因此表面耗盡區(qū)將沿表面拉長，正斜角愈小，表面耗盡區(qū)寬度俞大，表面電場降得愈多。但是，過小的正斜角會使有效陰極面積損失較多，影響導(dǎo)通電流的能力；當(dāng)反向電壓較高時，有可能會發(fā)生表面穿通；而且高阻耗盡層暴露過寬，容易受到沾污二發(fā)生穿通。所以正斜角要選擇適當(dāng)，才能達(dá)到提高表面擊穿電壓的募得2. PIN整流管PIN整流管是指穿通結(jié)構(gòu)的二極管，I區(qū)為的摻雜濃度的N－區(qū)（或P－區(qū)），控制該結(jié)構(gòu)表面電場最有效的辦法仍是將P+N結(jié)做成正斜角。在低電壓時，N型層中耗盡區(qū)擴展不寬，一般不會擴展到N+區(qū)。在中這種情況下不會出現(xiàn)表面電場集中。但是，如果N區(qū)較窄，耗盡層可能擴展到N+區(qū)，形成表面穿通。耗盡層在N+區(qū)受到抑制，在NN+結(jié)產(chǎn)生電場集中，發(fā)生表面擊穿。在發(fā)生表面穿通時，就不是正斜角越小越好，而是斜角越小，表面穿通電壓越低，也即器件的耐壓也越低。為了防止表面穿通，可以采用如圖2－18所示的雙角造型或平面臺面結(jié)構(gòu)。 (a) (b)圖2－18 PIN結(jié)構(gòu)的雙角造型（a）和平面臺面結(jié)構(gòu)（b） PN結(jié)的表面鈍化與保護(hù)在管芯密封之前，一般都要給器件的結(jié)表面涂覆保護(hù)層，這是因為硅片的表面電場很高，經(jīng)過表面造型過的斜角的斷面裸露空氣中，必須涂上一種介質(zhì)覆蓋層或鈍化層。對采用的涂層或表面的鈍化類型，主要取決于器件的耐壓和功率容量、封裝的形式和應(yīng)用的要求。低壓小功率器件，通常采用平面工藝，這種工藝在硅表面形成薄的、熱生長的SiO2層，然后在上面覆蓋一層磷硅玻璃。對于大面積的高壓器件，表面造型都做成斜面，其鈍化工藝普遍采用涂覆硅樹脂或有機高分子化合物。這種技術(shù)首先用化學(xué)腐蝕去除表面造型引起的表面損傷，接著立即涂覆有機材料，然后再進(jìn)行固化處理。適合于鈍化的材料粗略地可分成兩類：硬鈍化和軟鈍化。硬鈍化一般是在最后一次的金屬化之前涂覆，因為硬鈍化包括有高溫處理過程，這些硬鈍化包括玻璃材料、硅氧化物和多晶硅等幾種。軟鈍化是在金屬化之后涂覆，包括硅橡膠、樹脂和聚酰亞胺，它們都是在低于正常金屬化溫度下固化的。為方便起見，保護(hù)方法也可歸納兩大類，即無機保護(hù)和有機保護(hù)。1. 無機保護(hù)膜 作為無機保護(hù)膜，通常的有二氧化硅膜（SiO2）、碳化硅（Si3N4）、半絕緣多晶硅膜（SIPOS）及玻璃材料。1) 氧化硅膜SiO2介質(zhì)膜是構(gòu)成整個硅平面工藝的基礎(chǔ)，它既是雜質(zhì)選擇擴散的掩蔽膜，又是器件的表面保護(hù)層和鈍化膜。它與硅沾附性好，絕緣強度高，高溫下也穩(wěn)定，放水性較好，所以一直是一種方便和優(yōu)良的無機保護(hù)材料。生長SiO2膜的方法有熱生長和低溫淀積兩種，而適用于高壓大功率器件低溫成膜法有反應(yīng)濺射法和氣相鈍化法兩種所謂反應(yīng)濺射法，就是利用硅做陰極，在直流高壓低真空下（101~102mmHg），產(chǎn)生輝光放電，同時往真空室里通入少量純氧或氧與氬氣的混合氣。電離的氧離子O+在電場作用下轟擊硅棒，使硅原子從硅棒上濺射出來，與氧反應(yīng)生成SiO2淀積在芯片表面上，形成SiO2膜。此種方法簡便，但SiO2膜的致密性較差，在高壓器件中使用時，還需在SiO2膜再覆蓋一層有機保護(hù)膜。氫氟酸（HF）－硝酸（HNO3）氣相鈍化，它是利用這種酸的混合蒸汽與硅片表面作用，通過熱處理而形成的一層穩(wěn)定的SiO2保護(hù)膜。由于是化學(xué)生長的保護(hù)膜，與硅結(jié)合牢固緊密，鈍化效果好。但酸蒸汽的毒性大，必須有良好的密封和通風(fēng)條件。利用硅表面在HFHNO3混合液中生成染色膜的液相鈍化技術(shù)也是可行的一種鈍化技術(shù)。2) 氮化硅膜(Si3N4)形成氮化硅膜的方法有：化學(xué)氣相淀積(CCVD)法，辨光放電法和反應(yīng)濺射法等?；瘜W(xué)氣相淀積法，一般是采用硅烷或四氯化硅與氨(HN3)或聯(lián)氨(N2H4)在N2或H2的運載氣氛中進(jìn)行熱分解，從而在硅表而獲得所需厚度的氮化硅膜，反應(yīng)式分別為 氮化硅膜與SiO2膜相比，主要優(yōu)點是介電常數(shù)高，對堿金屬離子(Na＋)的阻擋能力強，它的結(jié)構(gòu)致密，質(zhì)硬耐磨，化學(xué)穩(wěn)定性也好，所以是一種優(yōu)良的介質(zhì)膜。將二氧化硅與氮化硅配合使用，利用SiO2／Si3N4 鈍化大功率整流管取得了良好效果。 3) 半絕緣多晶硅鈍化膜 半絕緣多晶硅膜，簡稱為SIPOS眼。它是硅烷(SiH4)與氧化亞氮(N2O)在氮(N2)氣氛下于600~700℃下反應(yīng)在硅襯底上生成而成。這是一種低壓化學(xué)氣相淀職工藝，主要特點是所形成的膜為半絕緣性。 具有高電阻率的多晶肢膜可以在沉積期間通過摻氧或控氮得到：摻入氧的薄層使用SiH4N2ON2；摻入氮的薄層使用SiH4HNO3N2。在這種鈍化方法中，表面電場之所以能降低，是因為在SIPOS膜中流過的歐姆電流把結(jié)的型區(qū)的負(fù)電位傳到N型襯底的表面區(qū)，引起表面耗盡層展寬之故。由此帶來結(jié)的擊穿電壓的改善，跟SIPOS膜的電導(dǎo)有關(guān)。用摻氧可改變變多晶硅的電學(xué)性質(zhì)，膜的摻氧水平越低，達(dá)到的電壓就越高。但是，這種膜的電阻率比較低，造成這個結(jié)會產(chǎn)生附加的泄漏電流。通過摻進(jìn)適當(dāng)?shù)难踉涌墒苟嗑Ч璧碾娮杪首兏?，最佳合氧量?5～30％，一般能得到最佳的器件特性。摻氧的SIPOS膜具有很低的電荷密度，能用來鈍化P型和N型襯底，但卻不能防離子沾污和防潮。 另一方面，摻氮多晶硅是一種能防止多數(shù)離子污染和水滲透的有效阻擋層，所以，在功率器件中，使用摻