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FS-IGBT芯片的背面工艺研究现状分析

发表时间：2020/9/27 来源：《基层建设》2020年第17期作者：李建林

[导读] 摘要：绝缘栅双极型晶体管因具有耐高压、开关速度快、驱动电路简单等优点，被广泛应用到工业领域中。

        四川广义微电子股份有限公司四川省遂宁 629000
        摘要：绝缘栅双极型晶体管因具有耐高压、开关速度快、驱动电路简单等优点，被广泛应用到工业领域中。该技术存在背面工艺实现难度大，进而发展了FS-IGBT背面技术。本文详细分析了FS-IGBT芯片的背面工艺原理、IGBT发展历程以及国内外研究现状，为FS-IGBT芯片的背面工艺研究提供了帮助。
        关键词：FS-IGBT；背面工艺；元器件
        0引言
        近年来随着物联网不断发展，对芯片的需求量不断增加。绝缘栅双极型晶体管（IGBT）隐具有控制简单、频率高、驱动容易、大电流、损耗低等优点被广泛应用到智能控制系统中，是一种使用频率较高的半导体元器件。本文就现有的IGBT元器件进行分析，并分析FS-IGBT芯片的背面工艺，为芯片工艺制作提供技术支撑。
        1工作原理
        FS-IGBT是在传统的NPT-IGBT结构基础上衍生而来，其结构见图1所示。传统NPI-IGBT结构制作工艺是将n型单晶硅转化为n漂移区中作为衬底，随后使用P离子后形成了nFS层。传统NPI-IGBT集成过程中掺杂浓度比较高，从而导致反向电压降低，为解决该问题，提出了隐埋式FS-IGBT。隐埋式FS-IGBT工艺与常规的FS-IGBT相比，主要是在背面隐埋型中注入了nFS层，相比以往的工艺难度大大提高。

        图1 FS-IGBT结构示意图
        FS-IGBT工作中分为阻断式和导通式。阻断式中包含正向阻断和反向阻断。其中正向阻断是指由于栅极与发射极出现短路，这样导致集电极中出现加正向电压，反向阻断与之相反。从图1中可见，如果发射极与栅极之间正电压大于0同时小于阀值电压时，该过程就叫正向阻断。如果J1承担的反向电压Uce时该过程称为反向阻断。整个过程中由于存在nFS层，导致电场受到压缩。从而提高了器件耐压型，降低了器件厚度。如果FS-IGBT栅极提供的电压高于阀值电压，当射极电压增加时，器件出现导通情况。这与器件中电子密度有关，如果漂移区中大量电子与空穴不断复合，这样会形成pnp晶体管导通。
        FS-IGBT层形成有三种方式。（1）磷离子注入，当磷离子注入到硅片上后，会形成高斯分布，浓度关系可按照如下公式计算：

        （2）低温预沉积和再扩散，首先进行预沉积，在硅片表面形成一定量的杂质，该过程反应时间段。第二步进行分布，反应时间长、反应温度高。
        （3）H+注入，传统nFS层注入时间较长，深度较浅，直接影响了正面工艺质量。为解决这一问题，提出采用H+注入方法，H+注入到硅片中，空位按照高斯分布进行分布，但是在注入过程中最大浓度不够高影响了掺杂质量。
        2IGBT工艺发展历程
        晶体管起源于上世纪60年代，该时期的晶体管电路设计复杂、能耗高；到70年代，出现了MOSFET晶体管，具有静态驱动功耗低、开关速度快优点；到上世纪80年代，由Baliga教授提出了IGBT概念，世界知名电器公司最终统一了IGBT。纵观IGBT发展历程，可划分为四个阶段，第一代为：平面栅IGBT，是在MOSFET结构中加入了PN结构，使用少量的载流子，便可完成电导调制效应。第二代IGBT是由NPT-IGBT构成，与第一代相比没有N-buffer层，正面结构和第一代一致，但是第一代中由于JFET的影响使得导通电阻比较高，第二代中加入了掺杂浓度，这样大部分电子流可以穿越到P+极电区内，这样使得第二代相比第一代制造工艺成本降低、工艺技术难度降低。第三代ICBT诞生于2000年，结构体是FS-IGBT，与NPT-IGBT相比背面的电子区深度减少了0.3um-0.5um，与第二代相比饱和电压明显得到改善，开关损耗也得到控制。如表1为FS-IGBT与NPT-IGBT性能对比结果。
        表1 FS-IGBT与NPT-IGBT性能对比结果

        第四代IGBT采用了沟槽栅技术，这一代技术早在2000年就有人提出，但是由于制造设备能力限制导致产品无法实现。第四代技术中沟槽栅结构消除了平面JFET区域影响，这样降低了沟道电阻最终提高了芯片的利用率。
        2FS-IGBT芯片的背面工艺研究
        到目前为止IGBT技术的背面通常采用场截止层和透明集成技术。国外在20102年提出使用激光退火技术进行了硼元素掺杂，结果表明掺杂后提高了电极注入效率、降低了开关损耗率。2013年国外学者根据现有硅IGBT制造工艺，加入了H+制备了二极管的n-buffer层，结果表明掺杂H+后电学性能得到改善。国外由于制造业水平比较高，IGBT芯片制备相继出现了H+注入、薄片、激光退火、中子掺杂等先进背面工艺技术。
        国内IGBT的研制相比国外较晚。主要体现在制造技术方面。2015年中国中车自主研发的第五代IGBT芯片生产成功。目前FS-IGBT研究主要体现在，文献[2]进行了内透明集电极 IGBT（ITC-IGBT）与PT-IGBT、FS-IGBT 的性能比较，结果表明ITC-IGBT具有很好的性能，如果使用缓冲层技术后ITC-IGBT技术性能最佳。文献[3]提出以一种浮空P型FS-IGBT，将其结合阳极电路，仿真结果表明，与传统FS-IGBT相比，击穿电压提升了13.90%，关断时间降低了60%，具有较高的应用价值。文献[4]指出FS-IGBT是当前最为先进的结构，具有PT-IGBT、NPT-IGBT两种技术的优点，也具有较薄的N-区和FS场，这样大大降低了关断时间和损耗。
        3结语
        本文详细分析了IGBT发展历程，结果表明FS-IGBT是在传统的NPT-IGBT结构基础上衍生而来；IGBT经历了四个阶段，下一阶段是对上一阶段问题的弥补，其中第四阶段理论早在第三阶段实现，但是由于制造工艺水平不佳导致发展很慢；国外FS-IGBT技术发展相对成熟目前已有H+注入、薄片、激光退火、中子掺杂等先进背面工艺技术，国内发展相对缓慢。
        参考文献：
        [1]刘齐.FS-IGBT芯片的背面工艺研究[D].西安理工大学，2018.
        [2]游雪兰，吴郁，胡冬青，等.内透明集电极IGBT（ITC-IGBT）与PT-IGBT，FS-IGBT的性能比较[J].电子器件，2009，32（003）：529-533.
        [3]陈旭东，成建兵，郭厚东，等.A Novel FS-IGBT with a Floating P-type Layer[J].微电子学，2017，047（002）：254-257，284.
        [4]张满红，邹其峰.沟槽式FS-IGBT各部分对其性能的影响研究[J].现代电子技术，2018，041（014）：5-9.