朱國(guó)夫 余 慶 李曉敏 章志明 周家泉

(1.紹興市華越微電子有限公司,浙江 紹興312000；2.國(guó)家紡織機(jī)械質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)(紹興)中心，浙江 紹興312000；3.浙江方圓機(jī)電有限公司，浙江 紹興312000)

耐高壓大電流IGBT管芯的設(shè)計(jì)與工藝關(guān)鍵技術(shù)研究

朱國(guó)夫1余 慶1李曉敏2章志明3周家泉3

(1.紹興市華越微電子有限公司,浙江 紹興312000；2.國(guó)家紡織機(jī)械質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)(紹興)中心，浙江 紹興312000；3.浙江方圓機(jī)電有限公司，浙江 紹興312000)

IGBT廣泛應(yīng)用于電子、新能源、鐵路交通、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域.由于難以克服IGBT關(guān)鍵的減薄工藝與背面集電極工藝難題，1 200 V以上的耐高壓IGBT領(lǐng)域還是少有產(chǎn)品問(wèn)世.文章主要研究1 700 V高壓的IGBT管芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造的關(guān)鍵工藝，包括雙面深結(jié)擴(kuò)散工藝、背面透明集電極工藝、結(jié)終端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及版圖設(shè)計(jì)等.這些關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用提升了IGBT管芯的耐高壓性能和工作穩(wěn)定性、可靠性.

IGBT；雙面深結(jié)擴(kuò)散；背面透明集電極；結(jié)終端結(jié)構(gòu)

0 引言

電力電子器件如不可控型器件(二極管等)、半控型器件(晶閘管等)，場(chǎng)控型器件(功率MOSFET、IGBT等)，隨著科技的發(fā)展品種逐漸多樣化，性能也得到很大程度的提高.由于它直接決定了整個(gè)電力電子系統(tǒng)的能耗、效率、可靠性和成本等，因此對(duì)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益和穩(wěn)定性產(chǎn)生重大的影響.在最新一代場(chǎng)控型器件中，IGBT既有功率MOSFET易于驅(qū)動(dòng)、控制簡(jiǎn)單、開(kāi)關(guān)頻率高的優(yōu)點(diǎn)，又有雙極型功率晶體管飽和壓降低、電流處理能力大和損耗小的優(yōu)點(diǎn)，在技術(shù)和功效上具有顯著的優(yōu)勢(shì)[1].因此IGBT在許多應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)逐步替代以往功率器件產(chǎn)品，成為消費(fèi)電子、新能源、鐵路交通、智能電網(wǎng)、電動(dòng)車(chē)中不可缺少的功率“芯臟”.

近年來(lái)由于國(guó)家對(duì)綠色能源與能源效率的日益重視，使得國(guó)內(nèi)對(duì)IGBT的需求量也日益升高.2010年國(guó)內(nèi)IGBT銷(xiāo)售額達(dá)到7.1億美元，比2009年的4.3億美元增加了65%.根據(jù)HIS iSuppli公司的報(bào)告，2011年中國(guó)IGBT的銷(xiāo)售額達(dá)到了8.19億美元，2015年有望達(dá)到13億美元[2].由于國(guó)內(nèi)的整體設(shè)計(jì)水平與工藝水平較低，尤其是難以克服IGBT關(guān)鍵的減薄工藝與背面工藝難題，1 200V以上的高壓IGBT領(lǐng)域還是少有產(chǎn)品問(wèn)世.

本文主要研究1 700 V高壓的IGBT管芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造的關(guān)鍵工藝.包括背面集電極工藝、實(shí)現(xiàn)背面硼離子注入的低溫激活和背面集電極金屬化、歐姆接觸，可提升IGBT管芯的相關(guān)性能和工作穩(wěn)定性、可靠性.

1 IGBT晶體管雙面深結(jié)擴(kuò)散結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

IGBT晶體管主要參數(shù)指標(biāo)包括正向阻斷電壓、導(dǎo)通壓降、工作電流及關(guān)斷時(shí)間.從理論分析上確定各個(gè)參數(shù)與器件結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)之間的關(guān)系.對(duì)于平面柵型IGBT來(lái)說(shuō)，為降低正面累積層電阻與JFET電阻，就要提高表面的摻雜濃度，通常的做法是在制作正面結(jié)構(gòu)之前先做一次JFET注入退火工藝，但JFET注入退火后由于結(jié)較淺(一般為幾微米)，形成的是突變結(jié)，會(huì)導(dǎo)致正向阻斷電壓下降.所以創(chuàng)新設(shè)計(jì)了雙面深結(jié)結(jié)構(gòu)[3].在襯底正反兩面同時(shí)形成N+后，正面減薄保留數(shù)微米N+殘留層，由于結(jié)較深，形成類似漸變摻雜的線性緩變結(jié)，此結(jié)的存在對(duì)器件正向阻斷電壓下降的影響非常小.通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真軟件Medici和Tsuprem 4進(jìn)行設(shè)計(jì)并優(yōu)化各個(gè)參數(shù).仿真N+擴(kuò)散殘留層與JFET5E11注入兩種IGBT管結(jié)構(gòu)的耐壓與電流能力的比較如圖1所示.從圖1可以看出，為獲得相同的電流能力，使用JFET注入的管芯耐壓要比采用殘留層技術(shù)的低約70V，而且工藝漲落(JFET注入深淺)也會(huì)導(dǎo)致器件的耐壓和電流能力的急劇變化，而采用雙面深結(jié)擴(kuò)散層技術(shù)的管芯卻具有較好的工藝穩(wěn)定性及器件穩(wěn)定性.

由于正面N+殘留層的存在，使得正面的表面摻雜濃度有所增加，可以有效降低累積層電阻和JFET電阻.圖2比較了在導(dǎo)通狀態(tài)下有正面N+殘留層(remnant，4.5μm厚)和沒(méi)有N+殘留層情況下器件內(nèi)部的空穴分布，可以看出由于N+殘留層的存在，整個(gè)器件內(nèi)部的空穴濃度明顯得到提高，這使得其導(dǎo)通電阻降低，導(dǎo)通壓降下降，工作電流也就會(huì)相應(yīng)上升.而且由于正面的N+殘留層摻雜分布呈近似線性梯度分布，這使得IGBT管芯的電流能力在增強(qiáng)同時(shí)，正向阻斷電壓下降卻并不多.正向阻斷電壓和工作電流隨正面N+殘留層的變化結(jié)果如圖6所示，在正面N+殘留層小于6μm時(shí)，器件電流能力有10%以上的提高，而正向阻斷電壓下降lt;3.7%.

雙面深結(jié)擴(kuò)散形成正面的N+殘留層與背面緩沖層方案形成的IGBT結(jié)構(gòu)形成的結(jié)構(gòu)如圖3所示.

2 IGBT晶體管雙面深結(jié)擴(kuò)散工藝

IGBT晶體管雙面深結(jié)擴(kuò)散工藝如圖4所示.以區(qū)熔高阻硅片為襯底，先進(jìn)行雙面深結(jié)擴(kuò)散，然后減薄在硅片正面形成數(shù)微米厚度的N+擴(kuò)散殘留層，在其上形成IGBT管芯正面的MOS結(jié)構(gòu)，接著減薄背面的N+擴(kuò)散層，保留數(shù)十微米形成緩沖層，最后在這層緩沖層上通過(guò)背面集電極工藝形成IGBT管芯的背面結(jié)構(gòu).

3 背面透明集電極工藝

背面集電極工藝的實(shí)現(xiàn)是提高IGBT管芯工作電流、降低導(dǎo)通壓降、折中導(dǎo)通壓降與關(guān)斷時(shí)間的關(guān)鍵，是IGBT管芯制造的又一個(gè)難點(diǎn).背面透明集電極的工藝可以分為背面P+注入離子低溫激活和背面的電極金屬化兩步.由于背面工藝是在正面工藝完成后實(shí)現(xiàn)的，因此背面硼離子注入后的激活溫度不能過(guò)高，否則會(huì)引起正面鋁硅互熔或鋁起泡，但過(guò)低的溫度使硼離子P+激活率很低，一般來(lái)說(shuō)如果背面P+表面濃度小于1E18 cm-3，與背面金屬形成不了良好的歐姆接觸，導(dǎo)致器件導(dǎo)通壓降的升高，功效下降.在硼離子注入前需要做表面處理以去除減薄后的表面損傷，而在背面離子注入之后采用鋁的濺射和真空退火的特殊技術(shù)提高表面硼離子激活率.如圖5所示，使用特殊技術(shù)處理之后，硼離子激活后的表面濃度增大了2.4倍(表面濃度分別是5E17 cm-2和1.2E18 cm-2)左右，可大大增強(qiáng)歐姆接觸的性能，降低導(dǎo)通壓降.

4 結(jié)終端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

對(duì)場(chǎng)限環(huán)進(jìn)行仿真研究，保持環(huán)的寬度盡量小，增加環(huán)的個(gè)數(shù)，合理調(diào)整間距，可在相同的耐壓下獲得最小的橫向尺寸.因此在環(huán)的仿真研究時(shí)，采取每個(gè)環(huán)的寬度相同的方案，通過(guò)改變環(huán)的間距與環(huán)的個(gè)數(shù)以達(dá)到環(huán)的擊穿符合設(shè)計(jì)正向阻斷電壓的要求，并通過(guò)對(duì)其電性能仿真，得出各個(gè)環(huán)的電場(chǎng)強(qiáng)度，根據(jù)環(huán)的電場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)調(diào)整環(huán)的間距使其各個(gè)環(huán)的電場(chǎng)強(qiáng)度能盡量趨于一致.圖7為采用23個(gè)場(chǎng)限環(huán)后，終端結(jié)構(gòu)二維仿真的電場(chǎng)電力線分布圖.

在版圖設(shè)計(jì)方面，采用抗閂鎖性能最好的條件元胞作為元胞的基本形狀[4]，為達(dá)到電流均勻分布及開(kāi)啟均勻，采用柵電極置中的版圖布局，并分別以90°C下工作電流100 A與75 A為規(guī)格，設(shè)計(jì)了兩款光刻版芯片，如圖10所示.其中大版圖尺寸面積為77.3 mm2，小版圖面積為59.2 mm2.

5 結(jié)論與展望

本文主要研究了1 700 V耐高壓的IGBT管芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造的關(guān)鍵工藝，包括雙面深結(jié)擴(kuò)散工藝、背面透明集電極工藝、結(jié)終端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及版圖設(shè)計(jì)等.這些關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用提升了IGBT管芯的耐高壓性能和工作穩(wěn)定性及可靠性.

[1]屈維謙, 王久和. 大容量 IGBT 可靠性的分析[J]. 電氣開(kāi)關(guān), 2008, 46(4): 1-4.

[2]寧大龍, 同向前. IGBT 高壓串聯(lián)組件的失效檢測(cè)與恢復(fù)策略[J]. 西安理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 28(2): 210-215.

[3]陳永真, 陳之勃. 從不同年代的通用型 IGBT 模塊的數(shù)據(jù)分析看 IGBT 的進(jìn)步 (二)[J]. POWER SUPPLY TECHNOLOGIES AND APPLICATIONS, 2013, 1(16).

[4]齊躍. 3 300 V NPT-IGBT 動(dòng)態(tài)特性研究[D]. 電子科技大學(xué), 2013.

Design and Key Technologies of Withstanding High Voltage and Current Stressing Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT)

Zhu Guofu1Yu Qing1Li Xiaomin2Zhang Zhiming3Zhou Jiaquan3

(1.Shaoxing Huayue Microelectronic Industry Co.,Ltd.,Shaoxing,Zhejiang 312000;2.General Administration of Textile Machinery Quality Supervision,Inspection and Detection of China (Shaoxing),Shaoxing,Zhejiang 312000;3.Zhejiang Fangyuan Machinery amp; Electric Industry Co.,Ltd.,Shaoxing,Zhejiang 312000)

Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) has been widely applied in electronics,new resources of energy,railway communication,smart grids and other fields.Few withstanding high voltage 1200V IGBT products are available for the key technology problems of reducing the thickness and back collector regions.The paper studied the design and key technologies of withstanding high voltage and current stressing Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT),covering the duplicated deep knot diffusion process,back clearlook collector regions technology,and the ends of knots design and layout design.The application of the key technologies helps improve the withstanding high voltage and its working stability and reliability.

IGBT;duplicated deep knot diffusion process;back clearlook collector region;the end of knot design and layout

2014-05-21

朱國(guó)夫(1978-)，男，浙江紹興人，工程師，主要研究方向?yàn)榧呻娐分圃旃に嚭凸こ碳夹g(shù).

TG501

A

1008-293X(2014)08-0004-05

(責(zé)任編輯王海雷)