IGBT結(jié)構(gòu)及發(fā)展趨勢

張為國，張俊，唐世弋

( 上海微電子裝備（集團）股份有限公司，上海 201203)

0 引言

絕緣柵雙極晶體管IGBT（Insulated gate bipolar transistor）是GE(General Electric)和RCA(Radio Corporation of America)兩家美國公司于1982年提出，是繼雙極晶體管GTR和金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管MOSFET后的第三代功率半導(dǎo)體的分立器件，其綜合了GTR和MOSFET的優(yōu)點，具有易于驅(qū)動、峰值電流容量大、自關(guān)斷、開關(guān)頻率高等特點，是當(dāng)今市場具有較大創(chuàng)新的功率器件之一, 主要應(yīng)用于電氣、新能源、交通等領(lǐng)域，其典型的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，主要應(yīng)用在600伏到6500伏中壓段，拓展了GTR缺乏電壓控制，甚至已擴展到可控硅整流器SCR和門控晶閘管GTO占優(yōu)勢的大功率應(yīng)用領(lǐng)域，是目前發(fā)展比較迅速且應(yīng)用比較廣的新一代功率器件產(chǎn)品[1]。

圖1 典型的IGBT 結(jié)構(gòu)示意圖

IGBT結(jié)構(gòu)內(nèi)部有兩部分構(gòu)成，其一由PNP與NPN兩個三極管構(gòu)成的推挽電路，還有一個就是結(jié)聯(lián)的MOSFET和PIN二極管，IGBT器件與MOSFET器件最大的區(qū)別在于IGBT克服了MOSFET存在導(dǎo)通電阻高的缺點，在高壓時IGBT仍具有較低的導(dǎo)通電阻，但IGBT也有不足[2]，在相似功率容量的IGBT和MOSFET，IGBT的速度會慢于MOSFET，一般同等技術(shù)水平下的IGBT芯片，標(biāo)稱電壓越高的IGBT開關(guān)速度越遲緩，所以IGBT器件一般不太適合于高頻領(lǐng)域的應(yīng)用。本文主要闡述了IGBT器件結(jié)構(gòu)的發(fā)展變化，對這些新結(jié)構(gòu)的分析和未來的發(fā)展的趨勢。

1 IGBT結(jié)構(gòu)發(fā)展

在20世紀(jì)80年代初期用于MOSFET制造技術(shù)中的雙擴散形成的金屬-氧化物-半導(dǎo)體DMOS工藝引入到早期的IGBT中來，開發(fā)者巧妙的將DMOS的N+襯底換成P+襯底，引入了半導(dǎo)體二極管的注入機制，使高阻N+漂移區(qū)產(chǎn)生電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)[3],從而大大降低了導(dǎo)通電阻，當(dāng)時的IGBT是一種較厚的非穿通NPT型設(shè)計，由于器件外延層很厚，器件的性能不佳，器件也容易產(chǎn)生閂鎖效應(yīng)[4]，導(dǎo)致柵失去控制能力，同時N+漂移區(qū)存在非平衡載流子的注入 ，器件的開關(guān)速度受到影響，后來出現(xiàn)在原來的P+/N+之間多長一層N型的緩沖層，緩沖層不僅可以減小閂鎖效應(yīng)，同時可以使得N外延層厚度大幅度的減小，降低成本，同時增加了器件的生產(chǎn)效率。

隨著IGBT應(yīng)用對電壓的要求不斷提高，以及產(chǎn)業(yè)化過程對成本的要求，器件開發(fā)設(shè)計及制造者們選擇用單晶硅襯底制作取代傳統(tǒng)外延襯底的方式，相應(yīng)的工藝是采用背面進行離子注入方式摻雜P+區(qū)，新的單晶硅NPT結(jié)構(gòu)可以滿足電壓超過1500V及以上高壓器件的需求，同樣，緩沖層結(jié)構(gòu)IGBT又繼續(xù)應(yīng)用到單晶硅襯底的IGBT上，此時利用背面通過多次離子注入的方式產(chǎn)生比較薄的n區(qū)與p區(qū)，可以實現(xiàn)帶有緩沖層的IGBT結(jié)構(gòu)[5]。

平面型的功率MOS發(fā)展經(jīng)歷了橫向雙擴散的LDMOS、V型槽工藝的VVMOS、U型槽工藝的VUMOS以及縱向雙擴散VDMOS的演化，其中VDMOS是功率MOS器件結(jié)構(gòu)上的一次重大變革，之所以一次次的向前發(fā)展，主要是因為平面型器件制造與現(xiàn)有的工藝基本兼容，也因此得到了廣泛的應(yīng)用，但其不足之處也很明顯即是平面結(jié)構(gòu)其基本單元尺寸較大，很難滿足目前不斷縮小的線寬尺寸制備工藝的要求，同時基本單元尺寸元胞縮小受到限制會導(dǎo)致如穿過P阱的橫向空穴可能導(dǎo)致器件發(fā)生閂鎖等問題，為了解決平面工藝IGBT結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的諸多問題，此時器件設(shè)計者們又開發(fā)出利用干法刻槽工藝的Trench結(jié)構(gòu)[6]，如圖2所示，最先應(yīng)用于UMOS中，最大的特點是器件的溝道從水平變?yōu)榇怪保沟迷叽绱蟠罂s小，可以克服平面型IGBT存在的上述諸多問題，而且還帶來器件電流的增加以及導(dǎo)通電阻下降等優(yōu)勢，使得器件的結(jié)構(gòu)更加的緊湊,襯底的厚度還可以進一步的減薄[7-8]，降低了襯底的成本，目前已經(jīng)可實現(xiàn)40um的厚的IGBT產(chǎn)品。

圖2 Trench IGBT 結(jié)構(gòu)示意圖

隨著工藝水平的發(fā)展，尤其是高選擇性各向異性反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)的進步，UMOS-Trench結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了由淺到深的過程，采用深的Trench結(jié)構(gòu)，Trench完全可以穿過n+區(qū)，使得導(dǎo)通電阻進一步降低，可以進一步的改進IGBT的開關(guān)響應(yīng)速度，但過深的結(jié)構(gòu)也會帶來擊穿電壓的降低以及刻槽過程所引起的損傷處理等挑戰(zhàn)[9]，目前比較先進的增強型技術(shù)就是通過優(yōu)化正面 MOS 結(jié)構(gòu),提高靠近發(fā)射極區(qū)一端的電子注入效率,從而優(yōu)化導(dǎo)通壓降與關(guān)斷損耗的折中關(guān)系[10]，如圖3所示。

圖3 通態(tài)電壓和關(guān)斷損失的平衡

2 基于IGBT發(fā)展的結(jié)構(gòu)

KITAGAWAM等人[11]將Trench器件的正面N型漂移層的上方在柵電極之間的區(qū)域進行EEI(Enhanced Electron Injector)進行重?fù)诫s，稱之為N+局部摻雜IEGT（Injection Enhanced Insulated Gate Bipolar Transistor）結(jié)構(gòu)，如圖4所示，目的是減弱PNP晶體管的作用，多余的電子則會與頂部的空穴進行復(fù)合，從而在漂移區(qū)的一側(cè)，會增強頂部發(fā)射極電子的注入,這種新結(jié)構(gòu)器件的通態(tài)電壓降較小，飽和電流密度較低，開關(guān)損耗也比較小，IEGT是一種兼?zhèn)銲GBT其優(yōu)點，克服其缺點的新型器件，近年來已經(jīng)形成了商用產(chǎn)品，與傳統(tǒng)器件相比.通過減弱PNP晶體管從而開關(guān)頻率相比IGBT有所降低，但具有通態(tài)壓降較低，門極驅(qū)動電流較小，功率密度較大，開關(guān)損耗較小的優(yōu)點，IEGT的優(yōu)越性能決定了它非常適合在各種大功率變流器中使用，此外IEGT內(nèi)部已集成了一個快速的反并聯(lián)二極管，且IEGT具有很寬的安全工作區(qū)并能承受較高的dv/dt和di/dt，因此IEGT逆變器無需陽極電抗，只需公用一個關(guān)斷吸收電路，同時，由于IEGT門極驅(qū)動功率低，門極驅(qū)動模塊體積很小，使用元件數(shù)量少，因而可靠性也得到很大提高，日本東芝近年利用此結(jié)構(gòu)開發(fā)出耐壓等級從4500V延伸到1200V一系列產(chǎn)品[12]。

圖4 IEGT 結(jié)構(gòu)示意圖

由日本三菱公司設(shè)計的CSTBT[13](carrier stored trench gate bipolar transistor)則是進一步的將IEGT的EEI層拓展至整個P-well阱之下,如圖5所示，再通過MOS結(jié)構(gòu)的通道層連接到發(fā)射極，進一步的增強了電子的注入能力，從而改善了載流子的分布，使得器件的通態(tài)電壓降比較小，飽和電流密度低，開關(guān)損耗比較小。Katsumi Nakamura等人[14]設(shè)計了在大電流關(guān)斷操作下的高壓絕緣柵雙極晶體管邊緣終端，通過實驗?zāi)M在4.5KV條件下優(yōu)化背面空穴注入濃度及深度并緩和邊緣終止區(qū)域處以及表面pn結(jié)邊緣處的電場，可以有效的解決載流子碰撞導(dǎo)致電離現(xiàn)象，器件在關(guān)斷期間引起局部熱點等問題。

圖5 CSTBT 結(jié)構(gòu)示意圖

Antonioum等人[15]設(shè)計的點注入型的IGBT結(jié)構(gòu)，如圖6所示，器件的主要的特征是在N漂移區(qū)內(nèi)和柵極底局部進行P型的重?fù)诫s，并相應(yīng)的增加了發(fā)射極側(cè)的電導(dǎo)率的調(diào)制作用，該結(jié)構(gòu)在不影響功率器件開關(guān)性能的情況下，可以明顯的降低通態(tài)的損耗以及對功率器件的耐壓等電學(xué)性能的提升，與傳統(tǒng)的FS-IGBT相比，在相同的開關(guān)損耗情況下，在導(dǎo)通狀態(tài)下可以實現(xiàn)降低20%以上的能量損耗，但此種結(jié)構(gòu)工藝流程也比較復(fù)雜，成本較高，給規(guī)模化應(yīng)用增加一定的阻力。

圖6 點注入IGBT 結(jié)構(gòu)示意圖

3 IGBT發(fā)展趨勢及國產(chǎn)化的機會與挑戰(zhàn)

未來IGBT器件將向著槽柵結(jié)構(gòu)、精細(xì)化圖形、載流子注入增強調(diào)制、以及薄片化的加工工藝方向繼續(xù)發(fā)展。同時隨著IGBT芯片技術(shù)的不斷發(fā)展，芯片的最高工作結(jié)溫與功率密度不斷提高，IGBT模塊散熱技術(shù)也要與之相適應(yīng)。未來IGBT模塊技術(shù)還將圍繞芯片背面焊接固定與正面電極互連兩方面同時改進，并同先進封裝技術(shù)結(jié)合，更多的集成同樣也是IGBT的發(fā)展方向，以降低產(chǎn)品尺寸并在模塊內(nèi)集成更多其他功能元件，如集成多種傳感器及驅(qū)動電路，不斷提高IGBT模塊的功率密度、集成度及智能化。

除硅基IGBT外，SiC材料已被用于IGBT的研制[16]，2012年Cree公司報道了15kV的SiC N-IGBT，2014～2015年繼續(xù)報道了20KV及27KV的SiC N-IGBT，30KV的相關(guān)課題也正在Warwick大學(xué)開展[17-19]。近年來產(chǎn)業(yè)界紛紛通過調(diào)整業(yè)務(wù)領(lǐng)域，擴大產(chǎn)能供給，通過并購整合等方式，加強在第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域的布局，全球迎來快速發(fā)展的熱潮，SiC成為全球巨頭們布局的熱點。隨著新能源電動車需求量大幅增加，以車企牽頭，第三代半導(dǎo)體碳化硅產(chǎn)品逐漸進入各汽車集團的主流供應(yīng)鏈，產(chǎn)品供應(yīng)開始上量，與Si基IGBT的價差持續(xù)縮小，目前主要的產(chǎn)品是MOSFET和二極管類產(chǎn)品，但隨著SiC技術(shù)的進一步完善，SiC-IGBT在不久將來會走向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

近兩年，我國IGBT產(chǎn)業(yè)在國家政策及及市場牽引下得到了迅速發(fā)展，但在目前自身生產(chǎn)條件落后于國際先進水平的狀況下，國內(nèi)的IDM企業(yè)不能局限于自身產(chǎn)品線的生產(chǎn)能力，應(yīng)充分依托國內(nèi)功率半導(dǎo)體器件龐大的市場，用技術(shù)去開拓市場，逐漸從替代產(chǎn)品向產(chǎn)品創(chuàng)新、牽引整體發(fā)展的轉(zhuǎn)變，而國內(nèi)裝備可充分利用國內(nèi)市場需求導(dǎo)向，緊密貼近客戶應(yīng)用端。

目前，國內(nèi)IGBT器件發(fā)展產(chǎn)業(yè)化中主要以硅基IGBT為主，在推進IGBT器件產(chǎn)業(yè)化的過程中還需要解決以下幾方面的挑戰(zhàn)：

（1）Trench器件結(jié)構(gòu)的高深寬比制作以及損傷層的修復(fù)處理等工藝；（2）碎片率的控制，硅晶圓從背面到正面減薄以及金屬化工藝可能會引起形變的增加，從而導(dǎo)致碎片率的增加，尤其是當(dāng)晶圓襯底的厚度在50um以下時；（3）相關(guān)配套的技術(shù)，如超薄片傳輸以及大翹曲片處理，大面積的柵氧化技術(shù)，背面光刻技術(shù)以及激光退火技術(shù)和多層金屬化技術(shù)等；（4）更多的模塊集成技術(shù)，降低功耗及提升器件性能，包括三維集成，異質(zhì)集成技術(shù)等。

4 結(jié)語

IGBT作為新型電力電子器件的主流功率器件之一，介紹了其技術(shù)發(fā)展和結(jié)構(gòu)的演變，討論了IGBT幾種新結(jié)構(gòu)的主要技術(shù)措施以及特點，未來的IGBT器件及模塊將朝著薄片化及高集成度方向繼續(xù)發(fā)展。