晶闸管结终端结构优化解析

1.台面终端结构

对于低压晶闸管，常用正负斜角结终端；对超高压晶闸管，常用双正斜角或双负斜角结终端。对于焊接式晶闸管，由于采用烧结工艺形成阳极接触，在阳极欧姆接触形成后，采用磨角工艺形成正负斜角，工艺简单，成品率较高。对于压接式晶闸管，由于芯片两侧的电极是通过蒸铝形成的，因而常用双正斜角或双负斜角，如图7-20所示^[26]。管芯磨角后，经腐蚀去除掉表面的机械损伤层，然后用很薄的聚酰亚胺（Polyimide）膜钝化腐蚀过的斜面，最后外面涂覆硅胶（Silicon Rubber）进行保护。

图7-20 晶闸管常用的台面结终端结构剖面

台面结终端结构设计关键是斜角的大小及结终端截止的位置。采用双斜角结终端时，通常还会在最外侧设计一个包围整个器件的特别短路区，可以将在周边区域内流动的任何位移电流分流至阴极。

图7-21 方芯晶闸管采用FLR结终端结构剖面

2.平面结终端结构

除了上述的台面结终端结构外，晶闸管也可采用平面结终端结构，如场限环和横向变掺杂（VLD）结终端。

（1）场限环结终端结构 对具有正、反向阻断能力的方芯晶闸管而言，除了采用图7-9所示的双面沟槽结构外，还可以利用深扩散形成图7-21所示的场限环结构。上面的J₂结外侧设置了场限环（FLR）和沟道截止环，下面的J₁结与p深扩散区连通，相当于结终端延伸。芯片制作时，首先在芯片两侧同时进行p区深扩散，直至将两侧的p区连通，芯片做成后可以在连通的p扩散区进行划片。该扩散结终端结构的优点是，终端区的制作工艺与有源区工艺相兼容，只需要在芯片的单边进行光刻工艺即可。IXYS公司的晶闸管和二极管方形芯片多数采用这种结终端结构^[36]。此外，图5-43所示的RB-IGBT也可采用这种深扩散结终端结构，以实现正、反向阻断能力^[26]。(www.xing528.com)

（2）横向变掺杂结构 图7-22给出了晶闸管所用VLD结构、制作工艺流程、结构剖面及掺杂浓度分布^[37]。可见，它是在n^-衬底上先淀积一薄层铝杂质源，然后刻蚀掉部分杂质源（图7-22a中，d表示表面预留的杂质源尺寸），在高温下进行扩散。由于硅片表面预留的杂质源剂量不同，高温推进后的结深就不同（见图7-22b），由此得到结深缓变的横向变掺杂结构。图7-22c所示为扩散后测试的掺杂剖面，其中W_V是横向变掺杂区的宽度，图7-22d所示为对应的横向掺杂浓度分布。

图7-22 横向变掺杂结终端结构剖面、掺杂浓度分布及制作流程

采用该平面结终端结构可实现不同的耐压效果。当电阻率分别为500Ω·cm、270Ω·cm及90Ω·cm时，VLD区的宽度W_V与n^-区空间电荷层最大宽度W_D之比（W_V/W_D）分别可达2.08、3.33及7.91，对应的终端击穿电压可达9.1kV、6.1kV及3.4kV，分别为理想体击穿电压的89%、95%及100%。这说明当击穿电压较低时，VLD结终端结构的耐压效率较高；当击穿电压较高时，其耐压效率会下降。

深结横向变掺杂结终端结构设计的关键是杂质剂量的控制。预留的杂质剂量由尺寸d决定，从内到外逐渐减小，最小尺寸受制于光刻精度的限制；同时p薄层的厚度（即预沉积的铝源总量）也很关键。此外，横向变掺杂的剖面还与推进的工艺条件有关，由于铝扩散比较特殊，其表面掺杂浓度远低于铝在扩散温度下的固溶度。可见，采用这种扩散方法形成深结的VLD结构，工艺难度很大。采用铝离子注入来实现，可以大大降低其工艺难度。

GCT所用的VLD结终端剖面如图7-23所示^[9]。有源区采用波状p基区结构，可以改善其反偏安全工作区（RBSOA）。终端区设计为VLD结构，可以优化器件的高温性能。波状p基区是在n⁺阴极区的掩蔽下，通过铝注入形成的。所以，利用n⁺阴极区掩蔽在结终端区很容易实现p基区的横向变掺杂，从而解决了选择性铝扩散问题。该结终端结构设计的关键是n⁺掩蔽区的尺寸及间距，其间距决定了杂质源剂量。采用铝注入形成的VLD结构，其杂质源剂量与注入剂量有关，得到的掺杂剖面也与推进条件有关。

图7-23 GCT采用的VLD结终端剖面