高压Trench IGBT的研制论文.pdf

n d o i 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 3 3 5 3 x 2 0 1 2 0 4 0 0 3 高压 t r e n c h i g1 r e n c h b 一1的研制 局 l i 的自 升 利 唐红祥 计建新 孙 向东 孙永生 曹亮 无锡 华润 华 晶微 电子 有 限公 司 江苏 无锡 2 1 4 0 6 1 摘 要 介 绍 了当前 绝缘栅 双极 晶体 管 i g b t 的几种 结构及 沟槽 型 i g b t的发展 现 况 分析 了高电压沟槽型非穿通 n p t i g b t的结构及工艺特点 通过理论分析计算 出初步器件 的相 关 参数 再利用 i s e仿真软件模拟 器件的结构及击穿和导通特性 结合现有沟槽型 d mo s工艺流 程 确定 了器件 采 用多分压环 加 多晶场 板 的 复合 终 端 条状 元 胞 6 m深度 左 右 沟槽 低 浓度 背面掺杂分布与小于1 8 0 m 厚度的 器件 结构 可以很好地平衡击穿特性与导通特性对器件 结构 的要求 成功研制出l 2 0 0 v 沟槽型 n p t系列产品 并通过 可靠性考核 经过 电磁炉应 用电路 实 验 结果表 明 i g b t器件 可稳定 工作 满足 应 用要 求 该设 计 可适合 国 内半导 体 生产 线商 业化 生 产 关键词 电力半导体器件 高压 沟槽 非穿通 绝缘栅双极晶体管 中图分类号 t n 3 2 2 8 文献标识码 a 文章编号 1 0 0 3 3 5 3 x 2 0 1 2 0 4 0 2 5 8 0 5 de v e l o p me nt o f hi g h vo l t a g e tr e n c h i gbt ta n g ho n g x i a n g j i j i a n x i n s u n xi a n g d o n g s u n yo n g s h e n g ca o l i a n g wu x i c h i n a r e s o u r c e s h u a j i n g mi c r o e l e c t r o n i c s c o l t d wu x i 2 1 4 0 6 1 c h i n a a b s t r a c t t h e s t r u c t u r e s o f i s u l a t e d g a t e b i p o l a r t r a n s i s t o r i g b t a n d c u r r e n t s t a t u s o f t h e t r e n c h i gbt d e v i c e s d e v e l o p me n t we r e i n t r o d u c e d t h e n t he s t r u c t u r e a n d p r o c e s s f e a t u r e s o f hi g h v o l t a g e t r e n c h n o n p u n c h t h r o u g h np t i gb t d e v i c e s we r e a n a l y z e d a f t e r t h e d i me n s i o n w a s c o mp u t e d t h e d e v i c e s t r u c t u r e b r e a k i n g a n d c o n d uc t i n g c h a r a c t e r i s t i c s we r e s i mul a t e d b y i s e s o f t wa r e co mbi n i n g wi t h t h e t r e n c h dmos p r o c e s s flo w t h e d e v i c e s a d o p t e d fie l d r i n g s a nd p o l y fie l d p l a t e s t r i p s o f c e l l 6 i x m d e p t h o f t r e n c h l o w c o n c e n t r a t i o n d o p e d b a c k s i d e a n d l e s s t h a n 1 8 0 ix m t h i c k n e s s th e r e q u i r e me n t b e t we e n b l o c ki n g a nd c o n d u c t i n g c h a r a c t e r i s t i c s c a n b e s a t i s fie d we l 1 a s e r i e s o f 1 2 0 0 v n p t t r e n c h i gb t e x p a n d e d s u c c e s s f u l l y b y h u a j i n g r e l i a b i l i t y t e s t p a s s e d a n d i g b t d e v i c e wo r k e d we l l o n i n d u c t i o n c o o k e r i h t h e t r e n c h i gb t c a n b e p r o d u c e d c o mme r c i a l l y f o r d o me s t i c s e mi c o n d uc t o r p r o du c t i o n l i n e s ke y w o r d s p o w e r d e v i c e h i g h v o l t a g e t r e n c h n o n p u n c h t h r o u g h n p t i n s u l a t e d g a t e b i p o l a r t r a n s i s t o r i gb t eeacc 2 5 6 0 j 0 引言 绝缘栅双极 晶体管 i g b t 发 明于 1 9 8 2年 其结合 了双极 型功率 晶体管和功率 mo s f e t的优 点于一身 作为新型电力电子的代表性器件 在家 e ma i l t a n g h x h j c r mi c r o c o m 2 5 8 半 导体技 术第 3 7卷 第 4期 电行业 工业领域 军事领域等做为核心元件有着 非常广 泛 的应 用 目前 i g b t按结构区分主要有以下几种形式 从 元胞结 构来 看有 平 面 p l a n a r 和 沟槽 t r e n c h 型两种 从 i g b t击穿时电场分布类型来看有穿通 型 p u n c h t h r o u g h p t 非 穿 通 型 n o n p u n c h 2 0 1 2年 4月 唐 红祥等 高压 t r e n c h i g b t的研 制 t h r o u g h n p t 场截止型 f i e l d s t o p f s 其 中 穿 通型 结构 器 件在 击穿 时 电场 分 布与 f s相似 不 同在 于 p t结 构 的衬 底 p 区 为很 厚 的外 延 衬 底 且 f s结构 的特点在薄 的 p 区与相对 n 一 浓度 高的 n 区 相 比平 面 型 i g b t 沟 槽 栅 i g b t消 除 了 j f e t 区 无 减小了器件导通时的 尺 同时沟道 由横 向变 为纵 向 元 胞所 占面积减 小 单位 面 积 电 流密度可大幅提高 其正 向电流能力 比平 面结构 i g b t高 出 5 0 以上 而且 其 开 关性 能也 要 好 于 平 面结 构 的 i g b t 因 此 很 多 应 用 场 合 都 青 睐 沟 槽 n p t结 构 的 i g b t产 品 在产品开发上 国外知名半导体生产厂商不断 开发 i g b t 的高耐 压 大 电流 高 速 低 饱 和压 降 低成本技术 在近 3 0年来 i g b t技术 在国外 有了长足的发展 相继开发出了 i g b t第四代 第 五代技术 在 国内因为受设计水平 加工装备的限 制也一直在谋求突破 虽然最近几年 部分半导体 公司已经开发出平面结构 的 i g b t 并 且有一定批 量产品在销售 但是由于深槽工艺需要的设备及芯 片减薄后器件后续加工能力 的要求 沟槽 n p t结 构的高压 i g b t目前为止国内也只有个别厂家进入 规模 化生 产 本文利用 i s e软件模拟了高压沟槽 i g b t器件 的终端及元胞结构 从器件仿真到工艺实验 对影 响器件的各关键参数进行了分析 详细阐述了高压 沟槽 i g b t的研制过程 1 器件设计 i g b t从元 胞结 构 来 分 有 平 面 型 和 沟槽 型 两种 结构见图 1 从 图 1中可 以看 出 对于沟槽栅结 构 沟槽 n p t i g b t和沟槽 d mo s的区别 就是 背 面 a 平面型 b 沟槽型 图 1 平 面型和沟槽 型 i g b t fi g 1 pl a na r a n d t r e n c h i gbt n 层 换 成 了 p 层 见 图 2 这 样 的 改 变 就 使得 i g b t既 有 了 和 d mo s一样 的 电压 控 制 特 性 也具备了具有双极 晶体管低饱 和输 出特性 这样 i g b t就把 d m o s的容易启动 启动损耗低和双极 型的基 区电导调制效应完美集于一身 且高电压时 候体现得更突出 c i a 沟槽 i gb t元胞结构 b 沟槽 dmo s元胞结构 图 2沟槽 g b t和沟槽 d mo s结构 fi g 2 st r u c t u r e o f t r e n c h i gbt a nd t r e n c h dm os 1 1 材 料 的选取 沟槽 n p t i g b t衬底材料可采用高阻 区熔硅单 晶 f z 由于器件工作时 其正 向耐压主要由器 件 中 n 一 漂移区的电阻率和厚度决定 由半 导体器 件 物理 可知 了 1 1 1 p t x q n s 一0 o 1 8 5 b 3 式中 为 1 1 一 漂移 区掺杂 浓度 b v c 为正 向耐 压 p为电阻率 为硅材料 的电子迁移率 w为 n 一 漂移区的厚度 b v 设计值为1 3 5 0 v 按照发 挥材 料 本征 击 穿 的 6 8 为下 限 需 要 材 料 能 达 到 的击 穿 电压 约 为 1 9 6 5 v 因 此 将 1 9 6 5 v的 值代入公式 1 计算 出 再 由公 式 2 可 计算出材料的电阻率 由近似参考公式 3 计算 可得 n 一 漂 移 区的厚度 经计算 n 一 漂移区的浓度 n 一8 3 1 0 c m 电阻 率 p 5 5 8 q c m n 一 漂 移 区 的 厚 度 1 6 5 ix m 则 初 始 材 料 片 可选 择 材 料 电 阻率 为 5 5 7 0 n c m 厚为6 2 5 m 为 了保 证击穿 电压 及 圆片加 工 能力 完成 正 面工艺 后减 薄至 1 7 0 m s e mi c o n d u c t o r t e c h n o l o g y v o l 3 7 no 4 2 59 i 躯 一一 一 一一 一 唐红祥等 高压 t r e n c h i g b t的研 制 材料基片 n 一 漂移 区的电阻率和厚度除 了要满 足以上要求外 材料基片的选择还要 满足以下要 求 选取硅片表面 晶向 辅定位面 的晶 向也是 晶向的硅单晶材料 因为 晶 向的硅材料具备有载流子表面迁移率高 界面态密 度低等有利于器件参数的特性 要求单晶材料径 向电阻率均匀性小于 8 保证器件元胞工作一致 性 为 了有 利 于 圆 片加 工 要求 圆 片翘 曲度 1 0 m 为了保证有 良好的成品率 要严格控 制材料旋涡缺陷 使其为零 位错和微缺陷尽量控 制少一些 为了有利于 i g b t的关断特性 必须 要求材料的少子寿命为2 0 0 1 0 0 0 i x s 1 2 终端设 计 i g b t的击穿电压除 了受外延层厚度和掺杂浓 度决定外 由于表面器件易受表面电场及耗尽层电 场集 中的影响 发生低击穿 所以 本文高压沟槽 i g b t采用多 分压环 加 多 晶场板 的复合 式终 端设 计 其 中 p 环采用 4 m等宽环 间距由 1 4 m 逐渐增大到 3 8 m共计 1 0个 如 图 3 氧化层在 1 3 m以上 再覆盖大于 1 m的 b p s钝化层 在 i s e中对器件的复合终端 结构图见图 3 进行电压仿真 其结果见 图 4 从仿真 的结果看 采用该终端结构电压 b v 可以做到1 3 5 0 v 分压环 图 3 沟槽 n p t i g b t终端结构 fi g 3 tr e n c h np t i gbt t e r mi na t i o n s t r uc t u r e 图 4 电压 与终端设计长度 的关系 fi g 4 va r i a t i o n o f v o l t a g e wi t h t e r mi n a t i o n 1 3元胞 结构 设计 沟槽 n p t i g b t元胞结构如图 5 元胞横 向尺 寸主要受光刻工艺 沟槽工艺等 的限制 c 为发 射极接触孔大小 其尺寸主要考虑保证 n 发射 区 2 6 0半导体技术第 3 7卷 第4期 与 p基区充分短接 同时也要充分考虑避免 i g b t 的闩锁效 应 t 为沟 槽横 向大小 其 尺寸 主要 受光 刻 工艺 沟槽 工 艺及 填 槽 工 艺 的 限制 g 为 栅 氧 化层厚度选取需 要兼顾 j 和开启电压两个参数 i为 p 基 区的扩散 深度 t 为 沟槽 的深度 设 计 中 要考虑 t xi x i 为 n 发射区的扩散深度 一 x i 要大于 b v 击穿 时 电场 在 p基 区层 扩展深 度 保 证 p基 区层 与 n 不 发 生穿 通 选 取 尺 寸 后 进行模 拟见 图 6 c 图 5 沟槽 n p t i g b t元胞结构图 f i g 5 st r u c t u r e o f t h e t r e nc h npt i gbt c e l l a 反向时电场 b 正向时电场 图 6沟槽 n p t i g b t元胞特性模 拟 f i g 6 si mul a t i o n o f t h e t r e n c h npt i gbt c e l l 经过 i s e仿真后 元胞在外加 1 4 0 0 v偏压条 件 下 电场在 p基 区 内纵 向扩展 也 不 会导 致 与 n 发 射 区穿通 正 向导通 时一个 元胞 的压 降为7 0 5 1 0 v 这样 由所需 v c e s a t典 型值 2 2 v可计算 出所需 要 的元 胞数 目 u 7 0 5 1 0 v 2 2 v 3 2 1 0 个 这样整个器件 的版图需要接 近 3 2 1 0 个元胞 才 能 达 到所需要 的电性能 1 4版 图设 计 根据上述终端设计和元胞尺寸及数 目要求 形 o 3 2 l o 9 87 6 5 4 3 2 l 芒g 唐 红祥等 高压 t r e n c h i g b t的研制 成 器件 结构 需 要 的光 刻 版 主要 包 括 终 端 光 刻 源 区 光 刻 沟 槽 条 版 多 晶 刻 蚀 版 n 版 接 触 孔 版 正 面金 属 版 钝 化 层 版 共 计 8层 光 刻 版 图 7为 整个 器件 版 图布局 图 7 1 2 0 0 v沟槽 i g b t光刻版图 fi g 7 la y o ut o f t he t r e n c h i gbt 2 器件研制 沟槽工艺相 比平面工艺 主要是将平面栅结构 下方 的 j f e t区域 通 过干法 刻蚀 的方式 挖槽 去 除 其优 点 就是 消 除 了 j f e t区的 导 通 电 阻 同 时 沟道 由水平转换为垂直 可大幅度增加器件的元胞 密度 提 高 电流强 度 基本 工艺 步骤 见 图 8 图 8工 艺 流 程 图 f i g 8 pr o c e s s flo w 可 以看 到 基 本 的正 面 工 艺 和 沟 槽 d mo s工 艺基本一致 不同的工序主要是减薄厚度和背面掺 杂 的完成 两者有着较大的区别 由于器件减薄后 厚度薄 所 以器件的背面加工工艺需要充分考虑薄 片加工技术 一些支撑薄片完成的工艺 的工夹具是 必 不可少的 同时 由于正面 已做好金属铝 则 背面 注入掺杂后 的退火激活工艺需 限制在5 0 0 以下 目前 1 2 0 0 v 1 5 a商品化 的 i g b t成 品组装 主 要两种形式 i g b t单管封装 以及 内置反并联续 流 二极管的双芯片封装 针对电磁炉等电磁加热设备 的 电路 要求 华 晶产 品采用 内置反 并联 续 流二极 管 的双 芯片 封装 图 9为 与 f r d进 行 双 管 芯 封 装 的 内引线 示 意图 f r d芯片 图 9典 型封装示 意图 fi g 9 s ch e ma t i c d i a g r a m o f t he t y pi c a l pa c k a g e 3 研制结果 3 1 测试 参 数结 果 采用 j u n o d t s一1 0 0 0测试设备对研制的器件 进行测试 测试结果见表 1 表 1 成 品参 数测 试 t a b 1 f i n a i t e s t d a t a 同时在 t e k t r o n i x 3 7 0图示仪上观察击穿电压 曲线 在 5 0 a档 硬 击 穿 曲 线 良好 电 压 可 达 1 4 0 0 v 以上 电压的测试 曲线如图 1 0 由交直流 参 数测试 及 图示仪 观测 结果来 看 1 2 0 0 v i 5 a 沟槽 n p t i g b t的击 穿 电压 饱 和压 降 开启 电 压 以及交流参数等实测结果 与仿真结果都吻合地 较 好 s e mi c o n d u c t o r t e c h n o l o g y v o 1 3 7 no 4 2 6 1 唐 红祥等 高压 t r e n c h i g b t的研制 图 1 0 1 2 0 0 v 1 5 a沟槽 n t p i g b t电压测试图 f i g 1 0 p i c t ur e o f 1 2 0 0 v 1 5 a t r e n c h ntp i gbt v o l t a g e 3 2可 靠性验 证结 果 研 制 的 1 2 0 0 v 1 5 a 沟槽 n p t i g b t产 品经过 1 0 0 0 h的 高 温 度 反 偏 简 称 h t r b 高 温 栅 偏 简称 h t g b 双 8 5 等一系列 i g b t的可靠性老 化实验 证明了该产品设计和工艺是可靠 的 3 3应 用验证 结 果 1 2 0 0 v 1 5 a的 i g b t一 般应 用在 1 4 0 0 w以下 的电磁炉中作为开关器件使用 器件在工作时开关 及 导通 损耗 会使 管壳 温度 升高 稳定工 作 的器件 有 稳定的管壳表面温度 应用 中检测电磁炉加热状态 及管壳表面温度 可评判器件是否满足电器电路应 用要求 将此器件使用在1 0 0 0 w的电磁炉上 电 磁 炉 的加 热状态 正 常 i g b t的 管壳温 度 为5 5 o i 二 应 用研 究 的 结 果 表 明 研 制 的 l 2 0 0 v 1 5 a 沟槽 n p t i g b t满足 电器 电路 应用要 求 4 结语 本 文 就如何 设计 制 造 1 2 0 0 v的 高压沟槽 n p t i g b t做了深入研究 对可实现设计结构做 了 描述 采用 i s e仿真软件进行模拟仿真 并结合现 有 沟槽 d m o s工艺流 程 设 计 出 了 高压 沟槽 i g b t 的终端结构和元胞理想结构 并最终成功试制出满 足要求的产品且实现 了规模化生产 参 考 文献 1 陈龙 沈克强 v d m o s场效 应晶体 管的研究 与进 展 j 电子器件 2 0 0 6 2 9 1 2 9 0 2 9 5 2 b a l i g a b j mo d e r n p o w e r d e v i c e m n e w y o r k j o h n w i l e y s o n s 1 9 8 7 2