激光退火工藝在IGBT制造中的應用

激光退火是絕緣柵雙極型晶體管(IGBT背面工藝的重要步驟。對離子注入后的硅基IGBT 圓片背面進行激光快速退火，實現(xiàn)激活深度，有效修復離子注入破壞的晶格結(jié)構(gòu)。隨著IGBT技術發(fā)展和薄片加工工藝研發(fā)的需要，IGBT背面退火越來越多應用激光退火技術。

01 IGBT火技術

在垂直方向上，IGBT結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了穿通型(pouch through，PT)，非穿通型(nonpouch through，NPT)和電場截止型(field stop，F(xiàn)S)，使器件的整體性能不斷提高。

圖IGBT結(jié)構(gòu)的變化

在NPT和FS型IGBT中，常見的工藝流程是先完成正面工藝包括正面金屬化工藝，再進行硅片背面減薄，達到需要的硅片厚度，之后通過離子注入和退火工藝在背面形成P+區(qū)域(NPT IGBT的集電區(qū))或同時形成FS IGBT的P型區(qū)(集電區(qū))和n型場截止層或緩沖層。

圖IGBT工藝流程

由于硅片正面金屬鋁的存在，此處的退火藝必須保證硅片正面溫度要小于500℃，因此用爐管工藝來激活時溫度必須低于500℃(一般選擇400-450℃)。但在這一溫度范圍內(nèi)，注入離子的激活率很低，對器件的性能調(diào)整造成影響。

激光退火由于能夠?qū)杵趁孢M行局域加熱，在硅片背面局部形成極高溫，大幅提高背面注入離子的激活率，同時保持硅片正面在較低溫度。

02 激光退火技術

20世紀60年代后期和20世紀70年代初期偶爾出現(xiàn)過關于激光退火的報道，但是激光退火直到1971年才被發(fā)明出來。為了保證不損傷正面的器件結(jié)構(gòu)，并保證背面的激活效果，從IGBT第四代之后，逐步采用激光退火技術取代傳統(tǒng)熱退火技術。

激光退火的原理是用激光束照射半導體表面，在照射區(qū)內(nèi)產(chǎn)生極高的溫度，使晶體的損傷得到修復，并消除位錯的方法。它能有效地消除離子注入所產(chǎn)生的晶格缺陷，同時由于加熱時間極短(約為普通熱退火的百萬分之一)，可避免破壞集成電路的淺結(jié)電導率和其他結(jié)特性。

圖激光退火波長與深度的關系示意圖

激光退火工藝可以有效修復離子注入破壞的晶格結(jié)構(gòu)，獲得比傳統(tǒng)退火方式更好的離子激活效率和激活深度，且不損傷硅片的正面器件，從而在IGBT制造過程中得到業(yè)界的廣泛關注和應用。