大(dà)功率IGBT芯片的(de)技術現狀與特點

時(shí)間:2020-03-02 10:33　來(lái)源:未知　作者:admin　 點擊:次

本文分(fēn)别從IGBT芯片體結構、背面集電極區(qū)結構和(hé)正面MOS結構出發，系統分(fēn)析了(le)大(dà)功率IGBT芯片的(de)技術現狀與特點，從芯片焊接與電極互連兩方面全面介紹了(le)IGBT模塊封裝技術，并從新結構、新工藝及新材料技術三方面分(fēn)析了(le)IGBT技術未來(lái)的(de)發展方向。
絕緣栅雙極晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)是在金屬氧化(huà)物(wù)場(chǎng)效應晶體管(MOSFET)和(hé)雙極晶體管(Bipolar)基礎上發展起來(lái)的(de)一種新型複合功率器件，具有MOS輸入、雙極輸出功能。IGBT集Bipolar器件通(tōng)态壓降小、載流密度大(dà)、耐壓高(gāo)和(hé)功率MOSFET驅動功率小、開關速度快(kuài)、輸入阻抗高(gāo)、熱(rè)穩定性好的(de)優點于一身。作爲電力電子變換器的(de)核心器件，爲應用(yòng)裝置的(de)高(gāo)頻(pín)化(huà)、小型化(huà)、高(gāo)性能和(hé)高(gāo)可(kě)靠性奠定了(le)基礎。
自IGBT商業化(huà)應用(yòng)以來(lái)，作爲新型功率半導體器件的(de)主型器件，IGBT在1—100kHz的(de)頻(pín)率應用(yòng)範圍内占據重要地位，其電壓範圍爲600V—6500V，電流範圍爲1A—3600A(140mm x 190mm模塊)。IGBT廣泛應用(yòng)于工業、4C(通(tōng)信、計算(suàn)機、消費電子、汽車電子)、航空航天、國防軍工等傳統産業領域以及軌道交通(tōng)、新能源、智能電網、新能源汽車等戰略性新興産業領域。采用(yòng)IGBT進行功率變換，能夠提高(gāo)用(yòng)電效率和(hé)質量，具有高(gāo)效節能和(hé)綠色環保的(de)特點，是解決能源短缺問題和(hé)降低碳排放的(de)關鍵支撐技術，因此被稱爲功率變流産品的(de)“CPU”、“綠色經濟之核”。在未來(lái)很長(cháng)一段時(shí)間内，爲适應全球降低CO2排放的(de)戰略需要，IGBT必将扮演更爲重要的(de)角色，是節能技術和(hé)低碳經濟的(de)重要支點。

IGBT應用(yòng)領域
目前，世界各大(dà)功率半導體公司對(duì)IGBT的(de)研發熱(rè)潮日益高(gāo)漲，研究步伐和(hé)技術革新日益加快(kuài)，IGBT芯片的(de)設計與生産廠家有英飛(fēi)淩(Infineon)、 ABB、三菱(Mitsubishi Electric)、Dynex(中國南(nán)車，CSR)、IXYS Corporation、International Rectifier、Powerex、Philips、Motorola、Fuji Electric、Hitachi、Toshiba等，主要集中在歐、美(měi)、日等國家。因爲種種原因，國内在IGBT技術研究開發方面雖然起步較早，但進展緩慢(màn)，特别是在IGBT産業化(huà)方面尚處于起步階段，作爲全球最大(dà)的(de)IGBT應用(yòng)市場(chǎng)，IGBT模塊主要依賴進口。近年來(lái)，在國家宏觀政策的(de)引導和(hé)組織下(xià)，國内企業通(tōng)過各種途徑在IGBT芯片、模塊等領域已經取得(de)很多(duō)可(kě)喜的(de)進展，中國南(nán)車通(tōng)過并購(gòu)英國Dynex半導體，充分(fēn)利用(yòng)歐洲豐富的(de)技術資源，成立功率半導體海外研發中心，迅速掌握了(le)先進的(de)1200V-6500V IGBT芯片設計、工藝制造及模塊封裝技術，并且在株洲建設了(le)一條先進的(de)8英寸IGBT芯片及其封裝生産線。并将于2014年初實現IGBT芯片量産。中科同志科技生産的(de)IGBT真空共晶爐，助力各大(dà)IGBT工廠，用(yòng)專業的(de)技術和(hé)工藝爲國産IGBT産品添磚加瓦。
　　在模塊封裝技術方面，國内基本掌握了(le)傳統的(de)焊接式封裝技術，其中中低壓IGBT模塊封裝廠家較多(duō)，高(gāo)壓IGBT模塊封裝主要集中在南(nán)車與北(běi)車兩家公司。與國外公司相比，技術上的(de)差距依然存在。國外公司基于傳統封裝技術相繼研發出多(duō)種先進封裝技術，能夠大(dà)幅提高(gāo)模塊的(de)功率密度、散熱(rè)性能與長(cháng)期可(kě)靠性，并初步實現了(le)商業應用(yòng)。中科同志的(de)IGBT真空封裝技術已經在BYD等大(dà)型IGBT公司經過長(cháng)期驗證。
　　2 技術現狀
　　2.1 IGBT芯片技術
IGBT（真空共晶爐）芯片在結構上是由數萬個(gè)元胞(重複單元)組成，工藝上采用(yòng)大(dà)規模集成電路技術和(hé)功率器件技術制造而成[2]。每個(gè)元胞結構如下(xià)圖2所示，可(kě)将其分(fēn)成體結構、正面MOS結構及背面集電極區(qū)結構三部分(fēn)。

IGBT元件結構
商用(yòng)IGBT的(de)體結構設計技術的(de)發展經曆了(le)從穿通(tōng)(Punch Through，PT)到非穿通(tōng)(Non Punch Through，NPT)，再到軟穿通(tōng)(Soft Punch Through，SPT)的(de)過程，如圖3所示[3]。而在穿通(tōng)結構之前，IGBT的(de)體結構是基于厚晶圓擴散工藝的(de)非穿通(tōng)結構，背部空穴的(de)注入效率很高(gāo)，由于器件内部的(de)寄生晶閘管結構，IGBT在工作時(shí)容易發生闩鎖，因此很難實現商用(yòng)。随著(zhe)外延技術的(de)發展，引入了(le)N型緩沖層形成穿通(tōng)結構，降低了(le)背部空穴注入效率，并實現了(le)批量應用(yòng)，但由于外延工藝的(de)特點，限制了(le)高(gāo)壓IGBT的(de)發展，其最高(gāo)電壓等級爲1700V。随著(zhe)區(qū)熔薄晶圓技術發展，基于N型襯底的(de)非穿通(tōng)結構IGBT推動了(le)電壓等級不斷提高(gāo)，并通(tōng)過空穴注入效率控制技術使IGBT具有正溫度系數，能夠較好地實現并聯應用(yòng)，提高(gāo)了(le)應用(yòng)功率等級。随著(zhe)電壓等級不斷提高(gāo)，芯片襯底厚度也(yě)迅速增加，并最終導緻通(tōng)态壓降增大(dà)，爲了(le)優化(huà)通(tōng)态壓降與耐壓的(de)關系，局部穿通(tōng)結構應運而生，ABB稱之爲軟穿通(tōng)(Soft Punch Through，SPT)[4]，英飛(fēi)淩稱之爲電場(chǎng)截止(Field Stop，FS)[5]，三菱稱之爲弱穿通(tōng)(Light Punch Through， LPT)[6]，IXYS稱之爲超薄穿通(tōng)(eXtremely light Punch Through，XPT)，以及其他(tā)的(de)薄穿通(tōng)(Thin Punch Through， TPT)和(hé)受控穿通(tōng)(Controlled Punch Through， CPT)[7]等各種不同的(de)稱呼。在相同的(de)耐壓能力下(xià)，軟穿通(tōng)結構可(kě)比非穿通(tōng)結構的(de)芯片厚度降低30%，同時(shí)還(hái)保持了(le)非穿通(tōng)結構的(de)正溫度系數的(de)特點。近年來(lái)出現的(de)各種增強型技術及超薄片技術都是基于軟穿通(tōng)的(de)體結構的(de)，目前600V電壓等級軟穿通(tōng)IGBT芯片的(de)厚度可(kě)以達到70um。

75A/1200V IGBT芯片發展（125℃）
IGBT的(de)集電極區(qū)結構影(yǐng)響著(zhe)PNP晶體管的(de)增益，對(duì)正向壓降與關斷損耗都有重要的(de)影(yǐng)響。早期的(de)穿通(tōng)型IGBT其集電極區(qū)結深較大(dà)，空穴注入效率很大(dà)，容易發生闩鎖效應，必須采用(yòng)局部壽命控制技術來(lái)控制背部空穴注入效率，但是卻因此面導緻了(le)導通(tōng)壓降的(de)負溫度系數，不利于并聯應用(yòng)。後來(lái)出現的(de)非穿通(tōng)型IGBT，采用(yòng)了(le)透明(míng)集電極結構，
控制了(le)空穴注入，免除了(le)局部壽命控制，實現了(le)導通(tōng)壓降的(de)正溫度系數，這(zhè)一結構技術一直沿用(yòng)至今，并通(tōng)過優化(huà)改進以提高(gāo)關斷速度及短路安全工作區(qū)特性 。針對(duì)目前1200V電壓等級以下(xià)的(de)芯片由于片薄而存在的(de)加工工藝困難的(de)問題，又提出了(le)一種“内透明(míng)集電極”結構，采用(yòng)氦離子注入與外延相結合的(de)方法，避免了(le)超薄片加工技術來(lái)形成透明(míng)集電極。集電極區(qū)結構還(hái)對(duì)安全工作區(qū)特别是短路安全工作區(qū)特性有重要影(yǐng)響，針對(duì)短路安全工作區(qū)特性有特殊要求的(de)應用(yòng)，通(tōng)過集電極區(qū)摻雜(zá)濃度和(hé)緩沖層注入效率的(de)控制與優化(huà)，實現與關斷損耗的(de)折中。
IGBT的(de)正面MOS結構包括栅極與發射極區(qū)。栅極結構有平面栅(圖4(a))與溝槽栅(圖4(b))兩種。平面栅結構具有較好的(de)栅氧化(huà)層質量，其栅電容較小，并且不會在栅極下(xià)方處造成電場(chǎng)集中而影(yǐng)響耐壓，在高(gāo)壓IGBT(3300V及以上電壓等級)中被普遍采用(yòng)。平面栅結構經過優化(huà)改進，可(kě)以進一步降低栅電容同時(shí)改進其他(tā)的(de)工作特性，如降低栅存儲時(shí)間，降低開關損耗，還(hái)能減小短路安全工作區(qū)(SCSOA)測試中的(de)栅電壓過沖[16]。而溝槽栅結構将溝道從橫向變爲縱向，消除了(le)導通(tōng)電阻中RJFET的(de)影(yǐng)響，還(hái)可(kě)以提高(gāo)元胞密度，從而有利于降低功耗[17]，因此被廣泛應用(yòng)于中低壓(1700V及以下(xià)電壓等級)産品中，但是溝槽刻蝕後表面粗糙，會影(yǐng)響載流子遷移率及造成電場(chǎng)集中，影(yǐng)響擊穿電壓，而且多(duō)晶矽栅面積增加，使栅電容增大(dà)，此外，由于電流密度增大(dà)導緻其短路能力降低。爲了(le)減小栅電容并降低短路電流，需要對(duì)元胞結構進行優化(huà)設計，如圖5所示。三菱公司則提出了(le)一種“元胞合并式” IGBT結構(plugged/dummy cells)[18-19](圖6)以降低飽和(hé)電流，提高(gāo)短路能力，并抑制短路測試過程中的(de)栅電壓振蕩現象。爲了(le)滿足不同的(de)封裝需要，IGBT的(de)栅極電極可(kě)以位于芯片中心、邊上中央及邊角處，對(duì)于焊接式封裝，這(zhè)三種位置都可(kě)滿足要求，對(duì)于壓接式封裝，一般選擇将栅電極設置在邊角處。

IGBT技術

IGBT栅極技術
目前先進的(de)增強型技術就是通(tōng)過優化(huà)正面MOS結構，提高(gāo)靠近發射極區(qū)一端的(de)電子注入效率，從而優化(huà)導通(tōng)壓降與關斷損耗的(de)折中關系(圖7)。普遍采用(yòng)的(de)是載流子存儲層(Carrier Stored Layer，CSL)/空穴阻擋層結構(Hole Barrier Layer，HBL)，如圖8所示。從圖中可(kě)以看出，該結構通(tōng)過在P-阱外圍設置一個(gè)N型摻雜(zá)區(qū)，将P-阱包圍起來(lái)。該摻雜(zá)區(qū)縮短了(le)溝道長(cháng)度，并增加了(le)空穴載流子流向IGBT發射極的(de)勢壘，這(zhè)樣就在P-阱外圍形成了(le)一個(gè)空穴的(de)積累層，并增加了(le)在導通(tōng)狀态下(xià)電子從MOS溝道的(de)注入效率，從而增強了(le)該處的(de)電導調制效應，可(kě)以大(dà)大(dà)地減小器件的(de)導通(tōng)損耗。在工藝實現上，可(kě)以采用(yòng)自對(duì)準工藝，不增加光(guāng)刻次數。但是，研究發現，P-阱下(xià)方的(de)N摻雜(zá)區(qū)對(duì)芯片的(de)耐壓性能不利。爲了(le)獲得(de)更好的(de)導通(tōng)壓降與阻斷電壓的(de)折中，研究開發了(le)P阱旁N型摻雜(zá)技術，即在P-阱兩邊形成一對(duì)對(duì)稱的(de)N摻雜(zá)區(qū)域，如圖9所示[23]。與載流子存儲層/空穴阻擋層結構技術相比，差别在于摻雜(zá)區(qū)沒有包圍P-阱的(de)底部及其拐角處，因此，在有效降低芯片導通(tōng)壓降的(de)同時(shí)還(hái)最大(dà)程度地維持了(le)芯片的(de)耐壓能力。其他(tā)一些增強型措施包括通(tōng)過優化(huà)溝槽元胞結構或者利用(yòng)特殊溝槽結構來(lái)降低基區(qū)空穴被抽取的(de)效率，達到電子注入增強的(de)目的(de)，在維持較低關斷損耗的(de)同時(shí)降低導通(tōng)損耗。

1200V IGBT的(de)導通(tōng)降壓與關斷損耗折的(de)這(zhè)折中關系

阱旁N型摻雜(zá)
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