功率器件（二）——IGBT芯片技术发展概述（下）

电子

` 本帖最后由比亚迪微电子于 2016-1-12 21:37 编辑

4、各种场终止技术

具有电场终止作用的N型缓冲层，其实现方式主要有两种，一种是先于IGBT制造之前形成，如深扩散的SPT技术、外延技术和硅直接键合（Silicon Direct Bonding：SDB）技术。另外一种是在IGBT减薄后注入形成。

4.1 SPT技术

SPT技术分别由ABB公司于2000年，北京工业大学的亢宝位于2001年独立提出。其用于场终止的缓冲层是通过在区熔硅背面预扩散一个结深非常深的N型区得到，如图 8所示。其特点是缓冲层比较深，掺杂过渡缓变，IGBT关断软度好，因此称为软穿通。

图 8 SPT技术示意图

4.2 外延形成的缓冲层

东芝公司于2000年提出的具有透明集电极的PT IGBT，是将传统的PT IGBT的P+衬底减薄到仅剩2μm左右，其缓冲层即由外延形成，其背面的杂质分布如图 9所示。据了解，飞兆半导体600V Field-StopIGBT采用的正是这种形成缓冲层的工艺。

图 9 采用外延形成缓冲层的600V IGBT背面杂质分布

4.3 SDB技术

将高阻的N-硅和N型硅直接键合得到的IGBT衬底材料，比SPT和外延更简单和灵活，值得关注。

4.4 Field-Stop（FS）技术

FS技术由英飞凌于1999年提出。同SPT技术不同的是用于电场终止的缓冲层是通过背注P实现。经推测，其大概工艺为：IGBT正面工艺进行到金属化之前→晶圆减薄→背面高能（~MeV）注入杂质P→高温炉管退火→背面注入杂质B→低温退火→正面金属化和钝化层。该技术的IGBT在正常工作电压下，N-区域也会被电场穿通。

4.5 LPT技术

三菱电机公司于2002年提出，与英飞凌的Field-Stop技术非常相似，缓冲层也是通过背注来实现。该技术的IGBT在正常工作电压下，N-区域不会被穿通，但在额定电压下，N-区域会被穿通。其缓冲层的实现方法应该也与英飞凌不同。经推测，其大概工艺为：IGBT正面工艺全部完成→晶圆减薄→背面高能（~几百KeV）注入杂质P→深度熔化激光退火→背面注入杂质B→低温退火。

4.6 CPT技术

ABB公司于2008年提出，通过在IGBT背面进行两次不同剂量和能量的杂质P注入形成缓冲层，可以将IGBT的厚度减得更薄，并且容易调节和控制背面的空穴注入效率，如图 10所示。

图 10 SPT和CPT技术缓冲层对比

5、各种新技术的IGBT

5.1 SPT+ IGBT

ABB公司于2005年提出，在SPT技术的基础上，在N-区和PWell之间增加了一层浓度高于N-的N型区，如图 11所示。由于N型区和N-区会形成一个空穴势垒，阻碍空穴从N-区直接被正面的P区收集，所以改善了IGBT的空穴分布，增强了IGBT近表面的载流子浓度，如图 12所示。由于增加该N型层后会降低IGBT的击穿电压，SPT+技术通过优化工艺，将PWell拐角——即电场最强处的N型区去掉，达到了既能降低IGBT的VCEsat，又不明显降低IGBT的耐压的目的。

（a）SPT IGBT结构示意图

（b）SPT+ IGBT结构示意图

图 11 SPT和SPT+ IGBT结构对比

图12 SPT和SPT+ IGBT内部载流子分布对比

5.2 Trench + Field-Stop

Trench栅代替平面栅后在不增加Eoff的情况下显著降低了IGBT的VCESat，其原因在于Trench栅下方可以形成一个载流子积累层，提高了近表面的载流子浓度，同时也消除了平面栅固有的结型场效应晶体管（Junction Field Effect Transistor：JFET）效应。以Trench + Field-Stop技术命名的IGBT主要包括英飞凌、富士电机、飞兆半导体和IR等公司的新型IGBT产品。表 2给出了英飞凌1200V/100A NPT和Trench + Field-StopIGBT的参数对比，可以看出新技术的明显优势。

		IGBT2	IGBT3	IGBT4	单位
技术特点		NPT	Trench+Field-Stop	Trench+Field-Stop
厚度		180	140	115	μm
芯片面积		158.5	109.3	98.7	mm2
有源区面积		132.6	85.8	76.1	mm2
VCEsat	Tj=25ºC	2.1	1.7	1.75	V
VCEsat	Tj=125ºC	2.4	1.9	2.05	V
Eoff	Tj=25ºC	8	8.25	7.0	mJ
Eoff	Tj=125ºC	12	12.5	10.0	mJ

表2 NPT和Trench + Field-Stop IGBT的参数对比

5.3 载流子存储沟槽双极晶体管（CarrierStored Trench Bipolar Transistor：CSTBT）

CSTBT的概念是三菱电机公司于1996年提出，其本质就是在TrenchIGBT的结构上增加一层空穴阻挡层。目前量产的CSTBT将Trench、空穴阻挡层、LPT、透明集电极等多种技术结合在一起，如图 13所示，性能不亚于英飞凌的IGBT4。

图 13 CSTBT的结构

5.4 逆倒型（ReverseConducting：RC）IGBT

IGBT在应用中几乎都需要搭配一个FRD来续流，RC IGBT将IGBT和FRD芯片集成到一颗芯片上（如图14所示），能够进一步提升IGBT和FRD的性能，同时降低生产成本，缩小封装体积。目前RC IGBT已成为各大IGBT生产商的研发热点。早期的RC IGBT中FRD的性能难以优化，只有英飞凌推出小功率的1200V RC IGBT用于对FRD要求不高的电磁炉领域。近几年来，已逐步有能用于逆变的RC IGBT出现，相信大功率的RC IGBT将很快进入商业化。

图14 RC IGBT结构示意图

5.5 智能型IGBT

IGBT在应用中需要有过流保护和过热保护。对于过流保护，一般是在IGBT上串联一个检流电阻，通过检测电阻两端的电压来判断是否过流。对于电流很大的场合，这种方法很不方便，也无法对并联的每颗IGBT芯片进行保护。对于过温保护，一般是在IGBT芯片附近焊接一个热敏电阻来监控温度，这种方法也不能及时和准确的反应出IGBT芯片的温度。未解决这些问题，日本的一些IGBT生产商，如三菱电机、瑞萨半导体、丰田等，推出了一种智能型的IGBT芯片，在芯片上集成一个体二极管、一个子IGBT，分别用于温度检测和电流检测，如图 15所示。

图 15 集成温度和电流传感器的IGBT

5.6 内透明集电极IGBT

采用场终止技术的1200V 及以下的IGBT需要减薄到120μm以下的厚度，然后进行注入、退火、清洗、金属化等一系列的工艺，在制造过程中极易发生翘曲、破片等，对工艺和设备提出了很大的挑战。北京工业大学的亢宝位教授提出了一种内透明集电极IGBT，背面的集电极采用轻掺杂且浓度较低的P型区，该P型区和高阻的P+衬底之间设置一层载流子低寿命的高复合层，可以起到金属电极的作用，屏蔽P+衬底对空穴注入效率的影响。该高复合层可以通过硅键合工艺实现。内透明集电极IGBT的结构如图 16所示，它在正面工艺完成后无需减薄，又可以实现VCEsat的正温度系数，综合了PT IGBT和透明集电极技术的优点，工艺非常简单。

图 16 内透明集电极IGBT结构示意图

6、结束语

随着新能源产业和其他工业领域如变频器、伺服、机车牵引等产业的飞速发展，市场对IGBT的需求和性能要求不断提高，IGBT正朝着效率更高、面积更小、功能更全、成本更低的方向发展。

比亚迪微电子有限公司从2008年开始致力于IGBT芯片的自主研发和制造。目前拥有专门的研发团队和晶圆工厂，独立进行芯片结构和工艺开发。现有1200V及600V IGBT芯片产品已大批量应用于电动汽车领域和工控及家电领域。

`