陳勇輝，劉國淦

(上海微電子裝備有限公司，上海201203)

絕緣柵雙極型晶體管（IGBT，Insulated Gate Bipolar Transistor）是由雙極型三極管（BJT，Bipolar Junction Transistor） 和絕緣柵型場效應(yīng)管（MOSFET，Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor）組成的復(fù)合全控制電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件，集雙極型功率晶體管和功率MOSFET 的優(yōu)點(diǎn)于一體，具有電壓控制、輸入阻抗大、驅(qū)動(dòng)功率小、控制電路簡單、開關(guān)損耗小等優(yōu)點(diǎn)。IGBT 可廣泛應(yīng)用于電力領(lǐng)域、消費(fèi)電子、汽車電子、新能源、軌道交通等傳統(tǒng)和新型領(lǐng)域、市場前景廣闊[1]。

IGBT 于1982年發(fā)明，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，IGBT 的制造技術(shù)也隨之改進(jìn)，目前已經(jīng)發(fā)展到第六代。IGBT 一般分傳統(tǒng)的平面結(jié)構(gòu)PT（Punch Through）和新型的FS（Field Stop）溝槽結(jié)構(gòu)（Trench）兩種，第三代之前為PT，第四代之后為FS 結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)在IGBT 工藝技術(shù)上，就是從PT型轉(zhuǎn)向NPT（Non Punch Through）型，接著從NPT型轉(zhuǎn)向FS 型以及FS-Trench 型[2]：

第一代：平面穿透型（Planar, PT），功耗100（相對(duì)值）

第二代：改進(jìn)的平面穿透型（Planar, PT），功耗74（相對(duì)值）

第三代：溝槽型（Trench,PT），功耗51（相對(duì)值）

第四代：非穿透型（NPT），功耗39（相對(duì)值）

第五代：電場截至型（FS），功耗33（相對(duì)值）

第六代：溝槽型電場截至型（FS-Trench），功耗29（相對(duì)值）

IGBT 是縱向?qū)щ娖骷?，器件的工作特性不僅取決于表面橫向結(jié)構(gòu)，更重要的是與器件的縱向厚度相關(guān)，硅片厚度將決定器件的通態(tài)電阻和功耗，所以制作IGBT 的硅片也變得越來越薄，如圖1 所示，目前已經(jīng)達(dá)到50 μm。為此，IGBT 引入了薄片工藝，以及背面離子注入和退火工藝。

圖1 IGBT 減薄硅片發(fā)展趨勢(shì)圖

傳統(tǒng)的退火方式有加熱退火、汞燈退火、紅外退火等，由于加熱時(shí)間長, 退火時(shí)容易導(dǎo)致整張硅片的溫度過高而使得硅片正面電性能損傷。為了保證不損傷正面的器件結(jié)構(gòu)（<400 ℃），并保證背面的激活效果（>800 ℃），從IGBT 第四代之后，逐步采用激光退火技術(shù)取代傳統(tǒng)熱退火技術(shù)。實(shí)踐證明：激光退火工藝可以有效修復(fù)離子注入破壞的晶格結(jié)構(gòu)，獲得比傳統(tǒng)退火方式更好的離子激活效率和激活深度，且不損傷正面器件[3，4]。

針對(duì)FS-IGBT 退火工藝發(fā)展所需，上海微電子裝備有限公司基于成熟的SSB500 系列先進(jìn)封裝光刻機(jī)技術(shù)平臺(tái)，研制了SLA500 型高性能IGBT 激光退火設(shè)備，其不僅具備量產(chǎn)IGBT 背面退火工藝的能力，而且支持50～1 500 μm 的Taiko硅片、減薄硅片，以及鍵合厚硅片的生產(chǎn)。

1 FS-IGBT 激光退火設(shè)備

為了在IGBT 晶片的背面形成Field Stop 結(jié)構(gòu)如圖2 所示，需要深層注入摻雜元素（如磷或硼），由于正面器件金屬層已完成，表面溫度需小于400 ℃，且隨著基底厚度不斷減薄，需要有效阻擋熱擴(kuò)散，必須通過高溫短時(shí)激光退火對(duì)摻雜離子進(jìn)行激活。激光退火原理是指用激光束照射半導(dǎo)體表面，在照射區(qū)內(nèi)產(chǎn)生極高的溫度，使晶體的損傷得到修復(fù)，并消除位錯(cuò)的方法。它能有效地消除離子注入所產(chǎn)生的晶格缺陷，同時(shí)由于加熱時(shí)間極短(約為普通熱退火的百萬分之一)，可避免破壞集成電路的淺結(jié)電導(dǎo)率和其它結(jié)特性。

圖2 Field Stop 結(jié)構(gòu)圖

1.1 最佳退火深度選擇

目前業(yè)內(nèi)生產(chǎn)IGBT 過程中，在硅片正面制作MOS 后，為了提高器件性能，需要在硅片背面制作P- 發(fā)射極和N- 發(fā)射極。業(yè)內(nèi)主要采用注入離子后退火方式制作背面P 型層，以消除離子注入后材料損傷和改善晶格。離子注入的深度對(duì)退火深度有顯著影響。Si 加工中，P 型離子注入的元素主要為周期表III-A 族元素B（硼），IGBT 中退火生產(chǎn)前一工序常用的硼離子注入能量<100 keV。N 型離子注入的元素主要為周期表Ⅴ-A 族元素P（磷）和As（砷）等，相同能量下，P 離子注入深度最深，IGBT 中退火生產(chǎn)前一工序常用的磷離子注入能量<3 MeV。

為了分析IGBT 常用的退火深度，本文采用離子注入仿真軟件分析垂直入射的離子深度，其仿真結(jié)果如表1 所示。

從表1 可知，B 的最大退火深度約為0.6 μm，P 的最大退火深度約為2.7 μm。因此，最佳激光退火深度定義在3 μm。

表1 B/P 對(duì)硅材料的離子注入深度仿真結(jié)果

1.2 最佳激光波長選擇

在激光照射下，硅片表面液化，液化的表面在激光輻射下，熱傳導(dǎo)使得固態(tài)的溫度上升，液固相面向前推移直到激光停止輻射。當(dāng)激光脈沖停止，液態(tài)冷卻為固態(tài)，被離子注入損壞且有缺陷的硅晶體，在液化后重結(jié)晶的過程中，重新形成單晶硅，即完成激活。

激光入射到晶體中有三個(gè)階段的表現(xiàn)形式：第一階段，激光能量沒有使晶體熔融階段，入射激光在固體中傳播直到衰減為0；第二階段，激光能量使晶體熔融，后續(xù)入射激光在熔融態(tài)（液體中）傳播直到衰減到0；第三階段，熔融區(qū)晶體再結(jié)晶，溫度逐漸降低并進(jìn)行熱擴(kuò)散和輻射傳播。

激光入射到非晶硅或單晶硅中，除一部分反射外，大部分入射并逐漸衰減，能量被逐漸吸收。激光入射后在非晶硅中的光強(qiáng)為：

其中：

I0表示未被反射而入射到硅片內(nèi)的光強(qiáng)；

IL表示照射到硅片面的光強(qiáng)；

R 表示硅片對(duì)照射光的反射率，可通過菲涅爾公式計(jì)算，n 為折射率，k 為消光系數(shù)；

x 表示離硅片面的距離；

a 表示硅片吸收系數(shù)（當(dāng)硅為固態(tài)時(shí)1E4/cm，而當(dāng)硅為液態(tài)時(shí)1E6/cm）；

I 表示x 位置光強(qiáng)。

根據(jù)公式（1）可以計(jì)算得出不同波長的光在硅片中的退火深度，如表2 所示。從表中可以看出，綠光通過光輻射和熱傳導(dǎo)雙重作用，可使激光的退火深度達(dá)到2～3 μm（>800 ℃），可以有效地 激活注入的B 和P 離子。

表2 激光在硅片傳輸深度仿真結(jié)果

針對(duì)515 nm 波長的綠光，采用經(jīng)典的傅里葉導(dǎo)熱方程方法來數(shù)值仿真硅片退火的整個(gè)熱過程，其在離硅片表面的不同深度的退火溫度曲線如圖3 所示，進(jìn)一步驗(yàn)證了綠光通過光輻射和熱傳導(dǎo)雙重作用，可使退火深度達(dá)到3 μm；同時(shí)，由于硅片比較厚（>50 μm），硅片另一面的溫度小于200 ℃，不會(huì)損傷正面的IGBT 結(jié)構(gòu)。

圖3 離表面不同深度的溫度曲線

1.3 激光光斑尺寸與產(chǎn)率

激光退火設(shè)備工作流程可分為兩部分：硅片傳輸循環(huán)和工件臺(tái)動(dòng)作循環(huán)。硅片傳輸循環(huán)包括：取片、預(yù)對(duì)準(zhǔn)、交接片、下片；工件臺(tái)動(dòng)作循環(huán)包括：交接片、硅片對(duì)準(zhǔn)、全局調(diào)焦調(diào)平、曝光，如圖4 所示。

激光退火設(shè)備的產(chǎn)率主要取決于掃描曝光的執(zhí)行效率，激光退火設(shè)備的光斑尺寸與掃描曝光的執(zhí)行效率直接相關(guān)，故光斑尺寸越大，則產(chǎn)率越高，如圖5 所示，更大的光斑尺寸將減少掃描往返的次數(shù)，從而提高產(chǎn)率。然而，光斑尺寸越大，會(huì)帶來一系列問題，如光斑均勻性難以控制、激光器功率過高等技術(shù)難題，為此，平衡設(shè)備的光斑尺寸大小將有利于在技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度和產(chǎn)率之間達(dá)到一個(gè)有機(jī)平衡。

圖4 激光退火設(shè)備工作流程圖

光斑大小與脈沖能量密度一一對(duì)應(yīng)，比如最大能量密度2 J/cm2時(shí)，光斑大小為3 mm×0.2 mm，如果需要進(jìn)一步提高能量密度到5 J/cm2，在其他條件不變的情況下，光斑需縮小為3 mm×0.1 mm。為此，上海微電子裝備有限公司根據(jù)客戶使用條件的不同，針對(duì)最高能量密度5 J/cm2時(shí)采用3 mm×0.1 mm 光斑，其在激光器5 kHz 激光頻率下，激光退火200 mm 硅片產(chǎn)率為13 片/h，10 kHz 激光頻率下，產(chǎn)率為21 片/h；針對(duì)最高能量密度2 J/cm2時(shí)采用3 mm×0.2 mm 光斑，在激光器5 kHz 激光頻率下，其200 mm 硅片產(chǎn)率為20 片/h。

圖5 光斑尺寸與產(chǎn)率

1.4 Taiko 薄片傳輸技術(shù)

為了改善關(guān)斷時(shí)間等IGBT 器件性能，IGBT硅片需要減薄為50～200 μm 的減薄片，當(dāng)硅片磨薄到100 μm 以下，后續(xù)加工處理比較困難，傳統(tǒng)的半導(dǎo)體設(shè)備對(duì)如此厚度的減薄硅片加工具有一定難度，比如機(jī)械手無法傳輸、容易碎片等，如圖6 所示。

圖6 薄片碎片圖

因此，出現(xiàn)了Taiko 片，就是硅片周圍3 mm左右區(qū)域保持700 μm 厚度，而中間區(qū)域減薄到指定厚度，如圖7 所示為傳統(tǒng)薄片與Taiko 片的比較。

圖7 Taiko 片與傳統(tǒng)薄片的比較

采用Taiko 工藝制作的Taiko 片相對(duì)于傳統(tǒng)工藝制作的薄片具有顯著減少翹曲的功能，如圖8 所示，在將硅片減薄到50 μm 時(shí)，相對(duì)于傳統(tǒng)的采用研磨和干式拋光的工藝，Taiko 片有較佳的平整度，可以不用硬基底等載片即可維持構(gòu)型。

然而，由于Taiko 片中心絕大部分區(qū)域厚度僅有50 μm 左右，采用傳統(tǒng)的機(jī)械手和預(yù)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)仍舊無法應(yīng)對(duì)真空吸附導(dǎo)致的破片問題。因此，在激光退火設(shè)備研制過程中，經(jīng)過多次嘗試，硅片傳輸機(jī)械手和預(yù)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)均采用彈性接觸方式進(jìn)行Taiko 片的吸附和傳輸，如圖9 所示。

圖8 50 μm Taiko 片與50 μm 傳統(tǒng)薄片翹曲度比較

圖9 50 μm Taiko 片實(shí)際上片動(dòng)作圖

2 FS-IGBT 退火工藝測(cè)試

評(píng)價(jià)FS-IGBT 激光退火設(shè)備的主要指標(biāo)是P離子的退火深度及其激活效率，以及RS 均勻性和重復(fù)性等指標(biāo)。

2.1 退火深度和激活率測(cè)試

SIMS 測(cè)試結(jié)果表明，SLA500 激光退火設(shè)備可以將P 離子退火深度推進(jìn)到3 μm 左右，激活效率達(dá)到90%以上，如圖10 和圖11 所示。

圖10 Taiko 片P 離子退火深度測(cè)試圖

最佳退火深度和激活率測(cè)試結(jié)果匯總?cè)绫?所示，測(cè)試結(jié)果均滿足FS-IGBT 工藝指標(biāo)需求。

2.2 RS 均勻性和重復(fù)性測(cè)試

RS 均勻性和重復(fù)性測(cè)試采用四探針法測(cè)試RS 電阻值，每個(gè)測(cè)試硅片一般測(cè)量Full map 121點(diǎn)，且要求在相同條件下連續(xù)3 天重復(fù)測(cè)試，硅片經(jīng)過激光退火工藝后，RS 均勻性測(cè)試結(jié)果必須小于1%。

RS 測(cè)試結(jié)果表明SLA500 激光退火設(shè)備的RS 均勻性和重復(fù)性測(cè)試結(jié)果均能滿足客戶量產(chǎn)需求，如圖12 所示，其數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表4 所示。

圖11 Taiko 片P 離子激活率測(cè)試圖

表3 退火深度和激活率性能測(cè)試結(jié)果

表4 RS 性能測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)

圖12 RS 均勻性和重復(fù)性性能測(cè)試圖

3 結(jié)束語

激光退火憑借其獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)，近年來受到越來越多的關(guān)注，已經(jīng)在IGBT、TFT、BSI-CIS和USJ 等領(lǐng)域部分替代傳統(tǒng)退火，市場需求量快速增長。作為擁有廣闊市場前景的IGBT 器件，激光退火工藝可以有效修復(fù)離子注入破壞的晶格結(jié)構(gòu)，獲得比傳統(tǒng)退火方式更好的離子激活效率和激活深度，且不損傷正面器件。IGBT 工藝具備多樣性和適應(yīng)性需求，所用基底越來越薄，隨著Taiko 片和鍵合片工藝的不斷成熟，激光退火將成為取代傳統(tǒng)退火的必然選擇。

Reverse Conducting（RC）和Reverse Blocking（RB）工藝是新出現(xiàn)的IGBT 制造技術(shù)，其中RC工藝是FS-IGBT 的升級(jí)，需要兼顧垂直和水平方向的擴(kuò)散，而RB 工藝中p+ 隔離層退火也要求盡可能小的熱擴(kuò)散。從技術(shù)角度分析，未來幾年國內(nèi)外IGBT 廠商如果期待進(jìn)一步提升產(chǎn)品性能，激光退火加Taiko 減薄工藝將會(huì)是首選。

上海微電子裝備有限公司所研制的SLA500型激光退火設(shè)備，主要面向IGBT 器件背面退火工藝應(yīng)用，通過支持50 μm 及以上超薄片的退火工藝，已經(jīng)成功通過FS-IGBT 生產(chǎn)線量產(chǎn)驗(yàn)證。

[1] Thomas Gutt，Holger Schulze，Thomas Rupp，etc.Laser Thermal Annealing for Power Field Effect Transistor by using Deep Melt Actication[C]. 14th IEEE International Conference on Advanced Thermal Processing of Semiconductors-RTP2006，2006：193-197.

[2] Holger Schulze. 用于IGBT 薄片技術(shù)的激光熱退火深度熔化激活[J]. 電力電子，2011，(3)：47-49.

[3] Detlef Friedrich，Helmut Bernt，Henning Hanssen，etc.Laser Annealing of Power Devices[C].15th IEEE International Conference on Advanced Thermal Processing of Semiconductors-RTP2007，2007.

[4] Clément Sabatier，Simon Rack，Hervé Beseaucèle，etc.Laser Annealing of double implanted layers for IGBT Power Devices[C]. 16th IEEE International Conference on Advanced Thermal Processing of Semiconductors-RTP2008，2008.