IGBT器件结构及其分析

引言

IGBT是综合MOS管和双极型晶体管优势特征的一种半导体复合器件，作为功率半导体分离器件的代表，广泛应用于新能源汽车、消费电子、工业控制领域，所涉及领域几乎涵盖社会的各个方面，市场需求增长空间巨大。近几年中国IGBT产业在国家政策推动及市场牵引下得到迅速发展，但技术方面与国际大厂仍有较大差距，国际大厂中以英飞凌为代表，技术已发展到微沟槽性IGBT，并达到量产水平。

从1980年至今，IGBT经历了六代技术的发展演变，过程如图1所示，分别是第一代平面穿通型（P.PT），第二代改进的平面穿通型（P.PT），第三代平面非穿通型（P.NPT），第四代沟槽非穿通型（Trench.NPT），第五代平面栅软穿通型（P.SPT）和第六代沟槽栅电场-截止型（FS-Trench）。主要是围绕以下3种核心技术及与其同步的载流子浓度分布优化技术发展：（1）体结构（又称衬底）：PT（穿通）→NPT（非穿通）→ FS/SPT/LPT（软穿通）。（2）栅结构：平面栅→沟槽栅。（3）集电极区结构：透明集电极→内透明集电极结构。

IBGT芯片在结构上是由数万个元胞（Cell）重复组成，工艺上采用大规模集成电路技术和功率器件技术制造而成。每个元胞（Cell）结构如图2所示，可将其分为正面MOS结构、体结构和背面集电极区的结构三部分。

体结构的发展

IGBT 的体结构设计技术发展经历从穿通（PT）-非穿通（NTP）-软穿通（SPT）的历程。

（1）穿通结构（Punch Through，PT）特点。随着外延技术的发展，引入N型缓冲区形成穿通结构，降低了背部空穴注入效率，实现了批量应用，但限制了高压IGBT的发展，最高电压1 700V。

（2）非穿通结构（Non Punch Through ,NPT）特点。随着区熔薄晶圆技术发展，基于N型衬底的非穿通结构IGBT推动了电压等级的不断提升，并通过空穴注入效率控制技术使IGBT具有正温度系数，能够较快地实现并联应用、高短路能力，提高应用功率等级，并且不需要外延工艺从而降低成本。NPT技术缺点为器件漂移区较长，电场呈三角形分布，硅片较厚，静态和动态损耗较大。

（3）软穿通结构（Soft Punch Throughput,SPT）特点。NPT结构随着电压等级的不断提高，芯片衬底厚度也随之增加，导致通态压降增大，静态和动态损耗较大。为了优化通态压降与耐压的关系，局部穿通结构（又称为软穿通）应运而生，ABB称之为软穿通（Soft Punch Throng，SPT）；英飞凌称之为电场截止（Field Stop，FS）；三菱称之为弱穿通（Light Punch Through，LPT）等多种不同名称。在相同的耐压能力下，软穿通结构（SPT）比非穿通结构（NPT）的芯片厚度降低30%，芯片尺寸大幅度减小，动静态性能可扩至30%以上。同时仍保持非穿通结构（NPT）的正温度系数的特点。

近年来出现的各种增强型技术及超薄片技术都是基于软穿通的结构。

正面MOS结构的发展

IGBT的正面MOS结构包括栅极和发射区，其中栅的结构从平面栅（Planar）发展为沟槽栅（Trench）。（1）平面栅。平面栅有较好的栅氧化层质量，栅电容较小，不会在栅极下方造成电场集中而影响耐压，经过优化也可改善器件工作特性，如降低开关损耗等，在高压IGBT（3300V及以下电压等级）中被普遍采用。（2）沟槽栅。沟槽栅结构将多晶硅栅从横向变为纵向，有效提高元胞（Cell）密度，有利于降低功耗，同时载流子分布更理想，沟道电流大，被广泛应用于中、低（1700V及以下）电压等级的IGBT器件中。沟槽栅的缺点是相对于平面栅结构工艺较复杂、成品率与可靠性降低，栅电容比平面栅结构大，目前先进的增强型技术通过优化正面MOS结构，靠近发射极一端的电子注入效率，从而优化导通压降与关断损耗的折中关系。

技术发展具有阶段性，每种产品都存在多种技术共同使用的情况。IGBT产品从1980年代初期的非穿通平面栅结构（NPT Planar）发展到现在的主流的场沟道截止结构（Field Stop Trench），发展趋势无疑是朝着芯片更薄、更小，性能更优越的方向前进。通过在Infineon（IR）官网进行选型及对产品资料查找，查找到由IR公司制造的IGBT产品结构及每代产品的特点。经过对已生产的包含上述技术的IGBT产品进行详细工艺分析，以Infineon（IR）的历代产品为例得到一些数据。

经过对4款产品的基本分析，整理出以下信息。由于栅节距（Gate Pitch）在IGBT器件中可作为元胞节距（Cell Pitch），在表1中以元胞节距（CellPitch）进行统计。分析得出：（1）IR公司结合自有的生产工艺及国际通用IGBT技术定义产品代，并基本处于技术领先的位置。（2）在不同代产品中的相关技术保持工艺一致，如平面栅结构中的多晶硅厚度为1μm左右，沟槽栅结构中的沟槽深度为5.5μm左右。将以上Infineon(IR)第四代到第七代产品的实验数据与其发布的技术发展示意图结合，整理出如图3所示产品技术发展的参考示意图。

IGBT的分析方法

对于IGBT的分析，形成的分析方法主要包含4个步骤：（1）查找相应的理论支撑；（2）选取适合的样品；（3）使用平面及纵向分析进行实验；（4）实验数据与理论支撑比对分析。使用平面及纵向分析进行实验。对样品进行平面及纵向分析是集成电路中常用的实验方式，本文提到的分析方法中，选取适合产品及技术的实验方案是进行实验这个步骤的重要前提，只有实验方案正确，才能够获取真实的数据并与理论支持比对，得到合理的判断。

IGBT主要平面分析方法：使用反应离子刻蚀机去除IGBT产品中的钝化层或介质层，配合使用研磨机去除IGBT产品中的金属层，可以进行平面逐层分析。使用光学显微镜和扫描电子显微镜观测去除不同层次前后的产品。观测内容涉及芯片形貌特征、元胞尺寸测量等。

IGBT主要纵向分析方法：IGBT纵向分析主要包括基本纵向分析以及纵向染色分析，主要使用到研磨机进行样品制备。经过样品制备后，需要使用扫描电镜观测纵向形貌、层次结构、尺寸测量以及各层成分的分析。纵向染色分析需要使用光学显微镜配合扫描电子显微镜，观测染结的结构、形貌尺寸等。在项目过程中，一般会同时使用以上两种分析方法。

结语

基于EDA仿真验证进行芯片研发的方法在业内已广泛使用，与集成电路芯片不同，分立器件的研发由于种类繁多，工艺差异明显、仿真工具有限等，无法使用通用的此类方法，而是需要针对器件或工艺制定具体方法并实施项目。