IGBT器件技术——氢注入场截止技术

1、引言
  随着电力电子技术的快速发展,功率半导体器件在电力转换和控制领域中发挥着关键作用。随着IGBT器件应用工况越来越严苛,对性能应用的效率越来越高,IGBT器件性能提升显得更为重要。
2、氢注入技术发展历程
  针对IGBT性能提升进行了很多研究,注入半超级、超结IGBT器件的研究以及逆导型RC-IGBT的研究。本篇文章将对另一种提升器件性能的方式——氢注入场截止技术进行详细介绍。自2000年提出场截止技术后,IGBT常采用磷(砷)等施主元素实现n型掺杂来实现背面缓冲层结构,近几年氢注入工艺的出现,正在缓慢替代传统方式形成新的工艺主线。1970年第一次报道氢离子注入具有N型掺杂的效果,距今已有50多年,根据目前研究,氢离子注入形成N型掺杂的机理:当将磷原子和氢原子掺杂入硅衬底中时,磷原子以替位掺杂的方式在硅中,其费米能级移动到导带底附近,形成明显的N型掺杂,这与实际的磷掺杂硅显示N型导电性质一致。而氢原子以间隙掺杂的方式,存在于两个硅原子成的键之间,费米能级如磷掺杂一样也移动到了导带底附近,N型掺杂性质明显。二者在导带底范围内出现的电子可形成自由电子实现导电。图1展示了具有缓冲层的IGBT单元胞简图。
 
图1具有缓冲层的IGBT单元胞简图
3、氢注入工艺技术及优势
  顾名思义,场截止技术是指IGBT器件纵向电场人为的在缓冲层边缘强行截止,耗尽层(电场)完全贯穿N-衬底,从而降低芯片厚度,达到降低损耗的效果。但是氢注入和磷注入形成的缓冲层结构差异巨大,由于氢离子体积轻,从器件背面注入时可被注入到深度约30um左右;而磷注入却只能被注入到近背面表面2-5um的范围。图2展示了不同注入方式下的深度。
 
图2 不同注入方式下缓冲层深度
  现阶段氢注入工艺主要分为:一重注入和四重注入,最后一层注入的深度要远高于其他三层。在器件开发过程中,对硅衬底中氢注入工艺进行了详细的测量,可以通过扩展电阻(Spreading Resistance Profile, SRP)的测试结果分析出载流子浓度分布、注入能量和峰值位置的关系、注入剂量和对应的峰值浓度等重要特征。如图3为氢注入和磷注入在IGBT器件中的载流子分布情况。
图3 IGBT器件中的载流子分布情况
  如上对IGBT器件氢注入工艺进行详细介绍,下面重点介绍氢注入优势。从如图4波形上面可以直观观察到,在关断情况下,在保持良好的关断速度前提下,有效的抑制了Vcepk。同样的如文献1的研究,随着IGBT氢注入次数由四次降为三次或两次或一次,虽然能降低工艺制造成本,并且对反向漏电(Ices)、饱和压(Vcesat)、输入电容(Ciss)、输出电容(Coss)、反馈电容(Cres)、栅电荷(Qg)、开关损耗(Eon+Eoff)、反偏安全工作区(RBSOA)无明显影响,同时还能提升击穿电压(BV)和降低开通损耗(Eon),但会导致关断损耗(Eoff)增大。此外,随着IGBT的氢注入次数降低,关断峰值电压(Vpeak)似乎有增大的趋势。
 
图4氢注入IGBT和磷注入IGBT双脉冲测试波形
  但是当前,氢注入仍只适应于击穿电压范围为600~1700V,并且芯片厚度小于200μm的IGBT。如何将氢注入应用到更高电压等级还需要长期的研究和探索。
4、参考文献
  [1]刘建华,曹功勋,吴晓丽.功率器件IGBT氢缓冲层工艺及特性研究[J].集成电路应用,2023,40(06):57-59.DOI:10.19339/j.issn.1674-2583.2023.06.022.
  [2]王思亮,胡强,张世勇,等.针对场截止型功率器件的多重质子注入研究[J].东方电气评论,2015,29(04):11-15.DOI:10.13661/j.cnki.issn1001-9006.2015.04.003.
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