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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