1200 V IGBT的性能优化

李宏

(上海先进半导体制造股份有限公司，上海 200233)

1200 V IGBT的性能优化

李宏

(上海先进半导体制造股份有限公司，上海 200233)

主要研究1200 V IGBT器件的性能优化方法。理论分析了IGBT结构参数与其主要性能的关系，按1200 V IGBT器件击穿电压和饱和压降的设计要求，重点讨论了FS、JFET注入、延长JFET退火时间和减小Pring注入剂量对IGBT器件击穿电压（BV）和饱和压降（Vdson）的影响，最终得到了满足器件设计要求的最佳性能参数。

IGBT；FS-IGBT；JFET注入；JFET退火；Pring注入；击穿电压;饱和压降

1　引言

上世纪80年代初，试图把MOS与BJT技术集成起来的研究导致称为绝缘栅双极晶体管（IGBT）的新型功率器件的发明。作为新型电力半导体器件的主要代表，IGBT被广泛用于工业、信息、新能源、医学、交通、军事和航空领域。随着半导体材料和加工工艺的不断进步，IGBT的电流密度、耐压和频率不断得到提升。目前，市场上的IGBT器件的耐压高达6500 V，单管芯电流高达200 A，频率达到300 kHz。在高频大功率领域，目前还没有任何一个器件可以代替它。本文着重分析讨论1200 V IGBT器件的性能优化。

2　IGBT结构和设计理念

IGBT是一个复合器件，由一个MOSFET和一个PNP管组成，如图1。

IGBT集MOSFET的栅极电压控制特性和BJT的低导通电阻于一体，具有电压控制、输入阻抗大、驱动功率小、导通电阻小、开关损耗低及工作频率高等特点，并具有类似MOSFET的宽SOA（安全工作区）特性，是近乎理想的半导体大功率开关器件。然而对于IGBT的设计目前还是一个难点。为了减小器件开通的功率损耗以及开关损耗，希望器件的通态压降越小越好；同时为了兼顾高压器件的耐用性，希望IGBT的击穿电压尽可能高。击穿电压与导通电阻两者的矛盾要求IGBT各个结构参数做尽可能的最优化设计。

图1　IGBT结构图以及等效电路图

2.1IGBT击穿电压

击穿电压又称为反向阻断电压，当IGBT工作在反向阻断状态时，希望器件的漏电流越小越好。1200V IGBT的设计要求击穿电压1200 V以上，实际应用还必须考虑一定的余量，所以耐压一般要求在1250 V左右。影响击穿电压的主要因素有：

（1）漂移区的电阻（Rd）；

（2）漂移区厚度；

（3）终端设计；

漂移区的电阻率越大，击穿电压越大；漂移区越厚，击穿电压越大。

2.2通态压降

通态压降（Vdson）又称为饱和压降(Vcesat)，主要由图1中的电阻构成：

Vdson的大小决定着器件的耗散功率。对高压IGBT而言，主要影响Vdson的电阻是Rj和Rd，即JFET区域的电阻和N-漂移区内的电阻。因此，如何尽量降低Rj和Rd是大功率IGBT设计中应重点考虑的。

2.3终端设计

终端设计对IGBT的击穿电压有着决定性的作用，当前国内设计多采用的是多级浮空P-轻掺杂场限环与场板相结合的技术，见图2。

图2　IGBT终端结构平面图及截面示意图

3　1200 V IGBT性能优化

3.1基础工艺制造的IGBT性能

电阻率为65 Ω·cm的衬底，采用基础工艺制造的1200 V IGBT，其部分静态参数见图3。

图3　基础工艺下IGBT的静态参数

在当前条件下，击穿电压（HBVDSS，以后简称BV）、饱和压降（以后简称Vdson）以及开启电压（以后简称Vt）分别可以做到1405 V、2.53 V和5.28 V。详细数据见表1。

该产品最初主要应用于电磁炉，量产稳定。但是近来，部分客户反馈该产品在应用到高频大功率设备时，经常会出现“过热”现象，有极大的安全隐患。这就局限了产品的应用范围，只可以“屈就”低频领域。客户迫切希望自己的产品能够涵盖多领域，不再“短腿”。

3.2性能优化

客户反馈的“过热”现象一般都发生在设备工作期间，也就是IGBT导通状态下，功耗偏大。跟据公式PD=Vdson×IC,在工作电流IC稳定的前提下，由于Vdson偏高而造成了功耗偏大。解决“过热”即为降低Vdson。降低Vdson的方法很多，但是都会影响到BV，所以改动时要找到两者的平衡点。

表1　基础工艺下IGBT的静态参数平均值

3.2.1FS IGBT

FS IGBT为场终止IGBT,是在图1中的P和N-中加一层N+层，以此改变器件的纵向电场分布，使其可以在漂移区 (N-区)变薄的条件下，Vdson降低而BV几乎没有太大的影响，如图4所示。

图4　FS IGBT结构图及对应的纵向电场分布图

由于N+层的介入，使器件的厚度大大减薄。FS IGBT采用外延衬底——硅+浓薄外延层一+淡厚外延层二。加工时所有步骤都与基础工艺相同，只是将硅片减薄得更多，硅片的最终厚度比基础工艺薄了将近55 μm，Vdson大大降低，而BV以及Vt则在可接受范围内，如图5。

图5　FS与基础工艺关键参数的比较

FS IGBT经过客户评估使用，基本达到预期要求，无论低频高频器件。但是由于FS比基础工艺减薄得更多，在减薄以及随后的注入、蒸发、退火等工艺过程中接连出现了碎片，碎片率超过8%，若要解决，就需要更大的设备投入，投入与收入不成比例，因此FS虽然能解决客户的困扰，但是当前并不可行。

3.2.2JFET注入&退火时间优化

降低Vdson除了降低Rd外，还可以通过降低Rj来实现。降低Rj的方法主要有两个：增大JFET注入剂量或是延长JFET退火时间。通过这两种方法，都极大地降低了Vdson，甚至还优于FS工艺。见图6。

图6　Vt、Vdson、BV在4种条件下的对比

虽然Vdson都得到了极大的改善，但是单一化改进都造成了其他参数的失效：增大JFET注入剂量，符合了部分硼，改变了P-body的杂质分布，Vt变小；延长JFET退火时间，Vt也略有降低，仍在可接受范围内；BV大大降低，却在意料之外。对失效片进行目检，没有发现任何烧毁点，这就说明管芯仍旧可以正常工作，只是工作的耐压降低——击穿的尖峰电场仍旧发生在最外Ring环端；由于JFET退火时间加长，P环同时向左右以及下方扩散，各环之间的间距变小，P环的空间电荷区也随之向下以及左右扩散，作用于每个P环的尖峰电场的位置发生偏移，造成耐压降低。图7所示是未延长退火时间前的耐压原理图。每一个环按照设计时的要求承受固定的耐压，经过最后一个环，耐压达到了1300 V左右。

延长JFET退火时间，P环变宽变大，设计时计算好的环间距变小，各个Ring环承受的最大电压的位置由于势垒变大而发生偏移，如图8所示，最终导致最大耐压值变小。

根据图7、图8的理论，降低P-注入剂量，再延长JFET退火时间，可以调节P环的扩散宽度以及深度，从而在不影响P环间距的前提下，达到降低Vdson的目的，同时对Vt的影响微乎其微。经过拉偏实验，最终发现P-的注入剂量在降低到原来的七分之一时，再延长JFET退火时间，各个参数可以有效地建立平衡，如图9。

图7　未延长JFET退火时间前的耐压原理示意图

图8　延长JFET退火时间后的耐压原理示意图

图9　最终优化与基础工艺以及各个改动之间的参数对比

4　优化效果

优化后，Vdson达到了预期要求，Vt变动不大，虽然BV下降较多，但是对于1250 V的使用下限也高出了100 V左右，客户对此表示接受。优化后的产品经过使用评估，完全达到使用要求，应用趋于多元化，客户非常满意，基础工艺现已统一优化。根据此优化方案，采用现有的制程，在提高衬底电阻率的前提下，可以扩展衍生到1500 V甚至1700 V IGBT的制造优化上，形成一个稳定的IGBT工艺制造平台，提高生产效率。

5　结论

本文先在理论基础上分析了IGBT的结构和设计理念，并给出了基础工艺制造的1200 V IGBT的主要参数值。根据设计理念对基础工艺关键参数进行优化，得到了最平衡的制造方案，并将之量化成一个稳定的IGBT制造平台。

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An Optimization Method of 1200 V IGBT

LI Hong
（Advanced Semiconductor Manufacturing Corporation Limited,Shanghai 200233,China）

An optimization method of 1200 V IGBT is presented in this article.The relationship between the structure and performance of IGBT is analyzed.The influence of FS-IGBT,JFET implant,JFET anneal prolonging and Pring implant decreasing on the balance of breakdown voltage and saturation voltage is studied for better IGBT performance.

IGBT;FS-IGBT;JFET implant;JFET anneal;Pring implant;breakdown voltage;saturation voltage

TN305.3

A

1681-1070（2016）11-0044-04

2016-5-26

李宏（1978—），男，山东日照人，复旦大学在读工程硕士，先后在中国电子科技集团公司第47研究所和上海新进半导体制造公司任职，目前在上海先进半导体工艺整合部门工作。