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

旺材芯片 ? 來(lái)源:研究與設(shè)計(jì) ? 作者:田新儒 ? 2022-07-10 15:00 ? 次閱讀

引言


IGBT是綜合MOS管和雙極型晶體管優(yōu)勢(shì)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(huì)的各個(gè)方面,市場(chǎng)需求增長(zhǎng)空間巨大。近幾年中國(guó)IGBT產(chǎn)業(yè)在國(guó)家政策推動(dòng)及市場(chǎng)牽引下得到迅速發(fā)展,但技術(shù)方面與國(guó)際大廠仍有較大差距,國(guó)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(guò)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(chǎng)-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)。

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IBGT芯片在結(jié)構(gòu)上是由數(shù)萬(wàn)個(gè)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(gè)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。

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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(dòng)了電壓等級(jí)的不斷提升,并通過(guò)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(jí),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(zhǎng),電場(chǎng)呈三角形分布,硅片較厚,靜態(tài)和動(dòng)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(jí)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(dòng)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(chǎng)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(dòng)靜態(tài)性能可擴(kuò)至30%以上。同時(shí)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(lái)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(huì)在柵極下方造成電場(chǎng)集中而影響耐壓,經(jīng)過(guò)優(yōu)化也可改善器件工作特性,如降低開(kāi)關(guān)損耗等,在高壓IGBT(3300V及以下電壓等級(jí))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(shí)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(jí)的IGBT器件中。溝槽柵的缺點(diǎn)是相對(duì)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(guò)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(chǎng)溝道截止結(jié)構(gòu)(Field Stop Trench),發(fā)展趨勢(shì)無(wú)疑是朝著芯片更薄、更小,性能更優(yōu)越的方向前進(jìn)。通過(guò)在Infineon(IR)官網(wǎng)進(jìn)行選型及對(duì)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(guò)對(duì)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(guò)對(duì)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(guó)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。

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3 IGBT的分析方法

對(duì)于IGBT的分析,形成的分析方法主要包含4個(gè)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(duì)分析。使用平面及縱向分析進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。對(duì)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(gè)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(duì),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(cè)去除不同層次前后的產(chǎn)品。觀測(cè)內(nèi)容涉及芯片形貌特征、元胞尺寸測(cè)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(guò)樣品制備后,需要使用掃描電鏡觀測(cè)縱向形貌、層次結(jié)構(gòu)、尺寸測(cè)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(cè)染結(jié)的結(jié)構(gòu)、形貌尺寸等。在項(xiàng)目過(guò)程中,一般會(huì)同時(shí)使用以上兩種分析方法。

4 結(jié)語(yǔ)

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(wú)法使用通用的此類方法,而是需要針對(duì)器件或工藝制定具體方法并實(shí)施項(xiàng)目。



審核編輯:劉清

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原文標(biāo)題:IGBT器件結(jié)構(gòu)及其分析

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