漏电低软度大的4500_V_FRD设计_高东岳.pdf

第 43卷 第 1期2023年 2月Vol.43，No.1Feb.，2023固体电子学研究与进展RESEARCH&PROGRESS OF SSE漏电低软度大的 4 500 V FRD 设计高东岳1，2 张大华1，2 叶枫叶1，2 周东海1，2 骆健1，2 陈英毅1，2（1 南瑞集团（国网电力科学研究院）有限公司，南京，211100）（2 南瑞联研半导体有限责任公司，南京，211100）20220812收稿，20221108收改稿摘要：为了满足 4 500 V 快恢复二极管（Fast recovery diode，FRD）反向偏置漏电低、反向恢复软度大的应用要求，介绍了一种新的 FRD 设计方法。该设计通过优化阳极掺杂，采用轻离子辐照和电子辐照相结合的寿命控制方式来增加 FRD 的反向恢复软度，降低 FRD 的元胞漏电流，并通过台阶形场板保护环结构来降低保护环的漏电流。采用 203.2 mm（8英寸）平面栅加工工艺制作芯片并封装成 4 500 V/3 000 A FRD 模块，模块在高温 125 下的正向压降为 3.1 V，反向偏置漏电流为 10 mA，反向恢复能量为 5 300 mJ，反向恢复软度为 1.24，反向恢复电流下降速度为 6 000 A/s时，承受的极限功率可达 8 MW。关键词：反向偏置漏电流；反向恢复软度；轻离子辐照；电子辐照；台阶形场板中图分类号：TN322.8 文献标识码：A 文章编号：10003819(2023)010040064 500 V FRD Chips with Low Leakage Current and Big SoftnessGAO Dongyue1,2 ZHANG Dahua1,2 YE Fengye1,2 ZHOU Donghai1,2 LUO Jian1,2CHEN Yingyi1,2（1 NARI Group（State Grid Electrical Science Institute）Co.，Ltd.，Nanjing，211100，CHN）（2 NARIGEIRI Semiconductor Co.，Ltd.，Nanjing，211100，CHN）Abstract:To meet the application requirement of 4 500 V FRD with low reverse bias leakage current and big reverse recovery softness，a new FRD design was proposed.In the design，the softness was increased and cell leakage current was reduced by optimizing anode doping and light ions irradiation combined with electrons irradiation，the terminal leakage current was reduced by adopting the guard ring structure with stepped electric field plates.By adopting 8inch planar gate process，FRD chips were fabricated and packaged to 4 500 V/3 000 A modules.The forward voltage（VF）of the modules is 3.1 V，reverse leakage current（IR）is 10 mA，and reverse recovery energy（Erec）is 5 300 mJ，the reverse recovery softness is 1.24 and the maximum power is 8 MW when the reverse recovery current falling rate with time is 6 000 A/s at the temperature of 125.Key words：reverse bias leakage current；reverse recovery softness；light ions irradiation；electrons irradiation；stepped electric field plates引 言 快恢复二极管（Fast recovery diode，FRD）器件是智能电网输变电系统的关键器件，随着应用要求的不断提高，FRD 要具有高的工作结温，而高结温下的反向偏置漏电流，反向恢复时的波形及软度等情况1将直接影响器件的关态损耗和可靠性。目前国内高压 FRD 芯片主要应用于铁路的机车牵引和电网的直流输变电系统中，大多采用英飞凌、三菱、ABB 等国外公司产品。英飞凌公司的 FRD采用阳极区掺杂控制技术减小反向恢复损耗；三菱射频微波与太赫兹基金项目：国家电网有限公司总部科技项目（SGSXJX00AZJS2100176）联系作者：E-mail:gdygdy-DOI:10.19623/ki.rpsse.2023.01.0021期高东岳等：漏电低软度大的 4 500 V FRD 设计公司的FRD开发了弛豫场结构或阴极场电荷抽取技术，配合背面轻离子寿命控制技术大幅提高了芯片的动态雪崩稳定性；ABB公司的 FRD采用局域寿命控制阳极区和场电荷抽取阴极区技术，实现了较大的反向恢复安全工作区和良好的软恢复特性2。FRD 芯片设计的难点在于实现低静态导通压降的同时，漏电流和动态反向恢复能量也要低，这些要求对器件来说是矛盾的。降低 FRD 的反向恢复能量的常用做法是通过寿命来控制，如电子辐照，掺杂重金属金、铂的方法，但是这些方法要形成有效的寿命控制，高温下的漏电会变大，器件的结温难以高到 125 以上，而且反向恢复时软度不高，容易振荡。对于高压 FRD，由于保护环的长度较长，产生的漏电流就更大。为解决高漏电和硬恢复问题，本文介绍了一种4 500 V FRD 芯片设计方法，采用电子辐照和轻离子辐照相结合的 FRD 元胞结构和台阶梯形场板的保护环结构，可以实现较低的高温漏电流和较高的关断软度，并且反向恢复时不易振荡。1 元胞结构 当 FRD 从阳极到阴极间流过正向电流(IF)时，阳极和阴极间的电压为正向压降（VF）。FRD 的静态正向压降越低，其静态损耗就越低。FRD 的 VF通过改变正面阳极注入剂量来调节，但是 VF变低，动态反向恢复能量（Erec）就会很大，这是由于 FRD开通时注入到漂移区的空穴在 FRD 反向恢复过程中需要返回到阳极。空穴返回到阳极产生的能量是由反向恢复时间、反向恢复电流和反向恢复时的电压决定的。返回到阳极的电流主要来源于漂移电流和扩散电流。由于空穴迁移率较低，所以反向恢复的时间较长。为了缩小 FRD 的反向恢复时间，一种常用做法是增加 FRD 中的复合中心3，使空穴通过复合中心而消失，从而缩短反向恢复时间。电子辐照可以在 FRD 中产生复合中心，但该复合中心分布在整个 FRD 中，当这些复合中心由于外加电压处于耗尽区时，复合中心就成为了产生中心，从而增加了 FRD 的反向漏电流（IR），尤其是高温时，复合中心产生的电子空穴对更多，IR更大。在 FRD 阳极区通过轻离子辐照可以产生局域寿命控制中心，也会起到快速复合空穴的作用。如果该种复合中心位置位于耗尽区外面，产生的漏电流就会很小，但只采用轻离子辐照，寿命控制的效果有限4。因此，采用轻离子辐照和电子辐照相结合的方案，可以降低电子辐照剂量，从而可以降低 FRD 的漏电流5。轻离子辐照还可以降低反向恢复电流（IRRM），增加 FRD 的软度。为了增加轻离子注入的深度窗口，FRD 采用深结阳极结构，这可以使 FRD 在反向恢复过程中耗尽区边界不容易扩展到轻离子注入的位置6。为了减少阳极表面的接触电阻，阳极表面采用二次补偿注入，也可以增强阳极注入效率，增强FRD的浪涌电流（IFSM）能力。FRD 的元胞结构如图1 所示。在 FRD 的元胞边缘设置了长度为 100 m以上的电阻区，该区与元胞相连接，可以使 FRD 在反向恢复时，电流不在元胞边缘集中，FRD 元胞边缘结构图如图 2所示。2 保护环 本文保护环的注入区采用 P型场限环和 N 型场限 环 相 结 合 的 结 构，场 板 采 用 由 多 晶 硅（PolySilicon）和金属铝硅铜（AlSiCu）相结合的台阶形场板结构7，P型场限环和 N型场限环的宽度基本相当（为 1015 m），并且位置相接，如图 3（a）所示。其中台阶型场板的长度为场限环宽度的 10倍左右，多晶硅下面是 1.5 m 厚的场氧化层（SiO2），金属下面是5 m厚的掺磷的二氧化硅介质层（PSG）。图 1 元胞结构示意图Fig.1 Cell structure图 2 FRD元胞边缘结构图Fig.2 Cell edge structure41固 体 电 子 学 研 究 与 进 展 http:GTDZ43卷N 型场限环增加了衬底表面的浓度，当 FRD 承受高的反向电压（VR）时，耗尽区的扩展范围在衬底表面会因表面浓度的增加而变小，从而减少了保护环长度；长的台阶形场板可以减轻电场线的曲率，减少保护环的数量，提高保护环的击穿电压；厚的介质层可以使 P 型场限环的结不必太深，工艺上容易实现。这样的保护环结构长度较短，漏电流较低，工作结温容易提升。保护环在优化后使碰撞电离的强点发生在主结位置，如图 3（b）所示，这不但可以提高保护环的击穿电压，还可以降低保护环受氧化层中的电荷影响，从而提高保护环的击穿电压和漏电流的稳定性，提高 FRD 的可靠性。图 4是保护环击穿时的电势分布，图 5 显示仿真得到的击穿电压（BVR）可以达到 5 596 V。3 工艺流程 本文的 4 500 V FRD 芯片采用 203.2 mm（8 英寸）平面栅工艺。选用电阻率均匀性好的中子嬗变掺 杂（Neutron transmutation doping，NTD）的203.2 mm（8 英寸）硅基衬底晶圆，硅片最后减薄到560 m，其中每个 FRD 的尺寸为 14 mm14 mm。工艺过程中介质层的厚度为 5 m。为了减少厚的介质层对硅片翘曲的影响，工艺上采用正反面同时淀积介质层的方式来减少翘曲，待正面介质层光刻后再去掉背面的介质层。正面金属上面的钝化层采用不易脱落、形变和不易断裂的负性聚酰亚胺（Polyimide，PI）来保护。芯片背面的场终止层采用H离子注入工艺形成。寿命控制采用 H离子辐照和电子辐照工艺。具体的工艺流程如图 6所示。4 FRD模块设计及测试结果 由于单颗FRD芯片的额定电流为125 A，为实现3 000 A 的 FRD 模块，需要 24颗 FRD 芯片并联。24颗芯片平均分布在 6个子单元上，每个子单元的基板图 5 击穿电压仿真曲线Fig.5 Simulation curve of breakdown voltage图 6 工艺流程图Fig.6 Process flow图 4 终端击穿时的电势分布Fig.4 Electric potential distribution of termination when breakdown图 3 终端结构和碰撞电离示意图：（a）保护环的场环和场板结构；（b）保护环击穿时的碰撞电离Fig.3 Termination structure and impact ionization distributions:(a)Field plate and field limiting ring structure;(b)Impact ionization distribution at breakdown421期高东岳等：漏电低软度大的 4 500 V FRD 设计材料为钼铜。每颗FRD背面的阴极通过锡铅银焊料直接