基于EDA仿真驗(yàn)證進(jìn)行IGBT芯片研發(fā)的方法使用

引言

IGBT是綜合MOS管和雙極型晶體管優(yōu)勢特征的一種半導(dǎo)體復(fù)合器件，作為功率半導(dǎo)體分離器件的代表，廣泛應(yīng)用于新能源汽車、消費(fèi)電子、工業(yè)控制領(lǐng)域，所涉及領(lǐng)域幾乎涵蓋社會的各個方面，市場需求增長空間巨大。近幾年中國IGBT產(chǎn)業(yè)在國家政策推動及市場牽引下得到迅速發(fā)展，但技術(shù)方面與國際大廠仍有較大差距，國際大廠中以英飛凌為代表，技術(shù)已發(fā)展到微溝槽性IGBT，并達(dá)到量產(chǎn)水平。

從1980年至今，IGBT經(jīng)歷了六代技術(shù)的發(fā)展演變，過程如圖1所示，分別是第一代平面穿通型（P.PT），第二代改進(jìn)的平面穿通型（P.PT），第三代平面非穿通型（P.NPT），第四代溝槽非穿通型（Trench.NPT），第五代平面柵軟穿通型（P.SPT）和第六代溝槽柵電場-截止型（FS-Trench）。主要是圍繞以下3種核心技術(shù)及與其同步的載流子濃度分布優(yōu)化技術(shù)發(fā)展：（1）體結(jié)構(gòu)（又稱襯底）：PT（穿通）→NPT（非穿通）→FS/SPT/LPT（軟穿通）。（2）柵結(jié)構(gòu)：平面柵→溝槽柵。（3）集電極區(qū)結(jié)構(gòu)：透明集電極→內(nèi)透明集電極結(jié)構(gòu)。

IBGT芯片在結(jié)構(gòu)上是由數(shù)萬個元胞（Cell）重復(fù)組成，工藝上采用大規(guī)模集成電路技術(shù)和功率器件技術(shù)制造而成。每個元胞（Cell）結(jié)構(gòu)如圖2所示，可將其分為正面MOS結(jié)構(gòu)、體結(jié)構(gòu)和背面集電極區(qū)的結(jié)構(gòu)三部分。

1 體結(jié)構(gòu)的發(fā)展

IGBT 的體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷從穿通（PT）-非穿通（NTP）-軟穿通（SPT）的歷程。

（1）穿通結(jié)構(gòu)（Punch Through，PT）特點(diǎn)。隨著外延技術(shù)的發(fā)展，引入N型緩沖區(qū)形成穿通結(jié)構(gòu)，降低了背部空穴注入效率，實(shí)現(xiàn)了批量應(yīng)用，但限制了高壓IGBT的發(fā)展，最高電壓1 700V。

（2）非穿通結(jié)構(gòu)（Non Punch Through ,NPT）特點(diǎn)。隨著區(qū)熔薄晶圓技術(shù)發(fā)展，基于N型襯底的非穿通結(jié)構(gòu)IGBT推動了電壓等級的不斷提升，并通過空穴注入效率控制技術(shù)使IGBT具有正溫度系數(shù)，能夠較快地實(shí)現(xiàn)并聯(lián)應(yīng)用、高短路能力，提高應(yīng)用功率等級，并且不需要外延工藝從而降低成本。NPT技術(shù)缺點(diǎn)為器件漂移區(qū)較長，電場呈三角形分布，硅片較厚，靜態(tài)和動態(tài)損耗較大。

（3）軟穿通結(jié)構(gòu)（Soft Punch Throughput,SPT）特點(diǎn)。NPT結(jié)構(gòu)隨著電壓等級的不斷提高，芯片襯底厚度也隨之增加，導(dǎo)致通態(tài)壓降增大，靜態(tài)和動態(tài)損耗較大。為了優(yōu)化通態(tài)壓降與耐壓的關(guān)系，局部穿通結(jié)構(gòu)（又稱為軟穿通）應(yīng)運(yùn)而生，ABB稱之為軟穿通（Soft Punch Throng，SPT）；英飛凌稱之為電場截止（Field Stop，F(xiàn)S）；三菱稱之為弱穿通（Light Punch Through，LPT）等多種不同名稱。在相同的耐壓能力下，軟穿通結(jié)構(gòu)（SPT）比非穿通結(jié)構(gòu)（NPT）的芯片厚度降低30%，芯片尺寸大幅度減小，動靜態(tài)性能可擴(kuò)至30%以上。同時仍保持非穿通結(jié)構(gòu)（NPT）的正溫度系數(shù)的特點(diǎn)。 近年來出現(xiàn)的各種增強(qiáng)型技術(shù)及超薄片技術(shù)都是基于軟穿通的結(jié)構(gòu)。

2 正面MOS結(jié)構(gòu)的發(fā)展

IGBT的正面MOS結(jié)構(gòu)包括柵極和發(fā)射區(qū)，其中柵的結(jié)構(gòu)從平面柵（Planar）發(fā)展為溝槽柵（Trench）。

（1）平面柵。平面柵有較好的柵氧化層質(zhì)量，柵電容較小，不會在柵極下方造成電場集中而影響耐壓，經(jīng)過優(yōu)化也可改善器件工作特性，如降低開關(guān)損耗等，在高壓IGBT（3300V及以下電壓等級）中被普遍采用。

（2）溝槽柵。溝槽柵結(jié)構(gòu)將多晶硅柵從橫向變?yōu)榭v向，有效提高元胞（Cell）密度，有利于降低功耗，同時載流子分布更理想，溝道電流大，被廣泛應(yīng)用于中、低（1700V及以下）電壓等級的IGBT器件中。溝槽柵的缺點(diǎn)是相對于平面柵結(jié)構(gòu)工藝較復(fù)雜、成品率與可靠性降低，柵電容比平面柵結(jié)構(gòu)大，目前先進(jìn)的增強(qiáng)型技術(shù)通過優(yōu)化正面MOS結(jié)構(gòu)，靠近發(fā)射極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。

技術(shù)發(fā)展具有階段性，每種產(chǎn)品都存在多種技術(shù)共同使用的情況。IGBT產(chǎn)品從1980年代初期的非穿通平面柵結(jié)構(gòu)（NPT Planar）發(fā)展到現(xiàn)在的主流的場溝道截止結(jié)構(gòu)（Field Stop Trench），發(fā)展趨勢無疑是朝著芯片更薄、更小，性能更優(yōu)越的方向前進(jìn)。通過在Infineon（IR）官網(wǎng)進(jìn)行選型及對產(chǎn)品資料查找，查找到由IR公司制造的IGBT產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及每代產(chǎn)品的特點(diǎn)。經(jīng)過對已生產(chǎn)的包含上述技術(shù)的IGBT產(chǎn)品進(jìn)行詳細(xì)工藝分析，以Infineon（IR）的歷代產(chǎn)品為例得到一些數(shù)據(jù)。

經(jīng)過對4款產(chǎn)品的基本分析，整理出以下信息。由于柵節(jié)距（Gate Pitch）在IGBT器件中可作為元胞節(jié)距（Cell Pitch），在表1中以元胞節(jié)距（CellPitch）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。分析得出：

（1）IR公司結(jié)合自有的生產(chǎn)工藝及國際通用IGBT技術(shù)定義產(chǎn)品代，并基本處于技術(shù)領(lǐng)先的位置。

（2）在不同代產(chǎn)品中的相關(guān)技術(shù)保持工藝一致，如平面柵結(jié)構(gòu)中的多晶硅厚度為1μm左右，溝槽柵結(jié)構(gòu)中的溝槽深度為5.5μm左右。將以上Infineon(IR)第四代到第七代產(chǎn)品的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與其發(fā)布的技術(shù)發(fā)展示意圖結(jié)合，整理出如圖3所示產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展的參考示意圖。

3 IGBT的分析方法

對于IGBT的分析，形成的分析方法主要包含4個步驟：

（1）查找相應(yīng)的理論支撐；（2）選取適合的樣品；（3）使用平面及縱向分析進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；（4）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論支撐比對分析。使用平面及縱向分析進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。對樣品進(jìn)行平面及縱向分析是集成電路中常用的實(shí)驗(yàn)方式，本文提到的分析方法中，選取適合產(chǎn)品及技術(shù)的實(shí)驗(yàn)方案是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)這個步驟的重要前提，只有實(shí)驗(yàn)方案正確，才能夠獲取真實(shí)的數(shù)據(jù)并與理論支持比對，得到合理的判斷。

IGBT主要平面分析方法：使用反應(yīng)離子刻蝕機(jī)去除IGBT產(chǎn)品中的鈍化層或介質(zhì)層，配合使用研磨機(jī)去除IGBT產(chǎn)品中的金屬層，可以進(jìn)行平面逐層分析。使用光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀測去除不同層次前后的產(chǎn)品。觀測內(nèi)容涉及芯片形貌特征、元胞尺寸測量等。

IGBT主要縱向分析方法：IGBT縱向分析主要包括基本縱向分析以及縱向染色分析，主要使用到研磨機(jī)進(jìn)行樣品制備。經(jīng)過樣品制備后，需要使用掃描電鏡觀測縱向形貌、層次結(jié)構(gòu)、尺寸測量以及各層成分的分析?？v向染色分析需要使用光學(xué)顯微鏡配合掃描電子顯微鏡，觀測染結(jié)的結(jié)構(gòu)、形貌尺寸等。在項(xiàng)目過程中，一般會同時使用以上兩種分析方法。

4 結(jié)語

基于EDA仿真驗(yàn)證進(jìn)行芯片研發(fā)的方法在業(yè)內(nèi)已廣泛使用，與集成電路芯片不同，分立器件的研發(fā)由于種類繁多，工藝差異明顯、仿真工具有限等，無法使用通用的此類方法，而是需要針對器件或工藝制定具體方法并實(shí)施項(xiàng)目。

審核編輯：劉清