高性能IGBT激光退火設備及其量產應用

陳勇輝，劉國淦

(上海微電子裝備有限公司，上海201203)

絕緣柵雙極型晶體管（IGBT，Insulated Gate Bipolar Transistor）是由雙極型三極管（BJT，Bipolar Junction Transistor） 和絕緣柵型場效應管（MOSFET，Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor）組成的復合全控制電壓驅動式功率半導體器件，集雙極型功率晶體管和功率MOSFET 的優點于一體，具有電壓控制、輸入阻抗大、驅動功率小、控制電路簡單、開關損耗小等優點。IGBT 可廣泛應用于電力領域、消費電子、汽車電子、新能源、軌道交通等傳統和新型領域、市場前景廣闊[1]。

IGBT 于1982年發明，隨著半導體技術的進步，IGBT 的制造技術也隨之改進，目前已經發展到第六代。IGBT 一般分傳統的平面結構PT（Punch Through）和新型的FS（Field Stop）溝槽結構（Trench）兩種，第三代之前為PT，第四代之后為FS 結構，表現在IGBT 工藝技術上，就是從PT型轉向NPT（Non Punch Through）型，接著從NPT型轉向FS 型以及FS-Trench 型[2]：

第一代：平面穿透型（Planar, PT），功耗100（相對值）

第二代：改進的平面穿透型（Planar, PT），功耗74（相對值）

第三代：溝槽型（Trench,PT），功耗51（相對值）

第四代：非穿透型（NPT），功耗39（相對值）

第五代：電場截至型（FS），功耗33（相對值）

第六代：溝槽型電場截至型（FS-Trench），功耗29（相對值）

IGBT 是縱向導電器件，器件的工作特性不僅取決于表面橫向結構，更重要的是與器件的縱向厚度相關，硅片厚度將決定器件的通態電阻和功耗，所以制作IGBT 的硅片也變得越來越薄，如圖1 所示，目前已經達到50 μm。為此，IGBT 引入了薄片工藝，以及背面離子注入和退火工藝。

圖1 IGBT 減薄硅片發展趨勢圖

傳統的退火方式有加熱退火、汞燈退火、紅外退火等，由于加熱時間長, 退火時容易導致整張硅片的溫度過高而使得硅片正面電性能損傷。為了保證不損傷正面的器件結構（<400 ℃），并保證背面的激活效果（>800 ℃），從IGBT 第四代之后，逐步采用激光退火技術取代傳統熱退火技術。實踐證明：激光退火工藝可以有效修復離子注入破壞的晶格結構，獲得比傳統退火方式更好的離子激活效率和激活深度，且不損傷正面器件[3，4]。

針對FS-IGBT 退火工藝發展所需，上海微電子裝備有限公司基于成熟的SSB500 系列先進封裝光刻機技術平臺，研制了SLA500 型高性能IGBT 激光退火設備，其不僅具備量產IGBT 背面退火工藝的能力，而且支持50～1 500 μm 的Taiko硅片、減薄硅片，以及鍵合厚硅片的生產。

1 FS-IGBT 激光退火設備

為了在IGBT 晶片的背面形成Field Stop 結構如圖2 所示，需要深層注入摻雜元素（如磷或硼），由于正面器件金屬層已完成，表面溫度需小于400 ℃，且隨著基底厚度不斷減薄，需要有效阻擋熱擴散，必須通過高溫短時激光退火對摻雜離子進行激活。激光退火原理是指用激光束照射半導體表面，在照射區內產生極高的溫度，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電導率和其它結特性。

圖2 Field Stop 結構圖

1.1 最佳退火深度選擇

目前業內生產IGBT 過程中，在硅片正面制作MOS 后，為了提高器件性能，需要在硅片背面制作P- 發射極和N- 發射極。業內主要采用注入離子后退火方式制作背面P 型層，以消除離子注入后材料損傷和改善晶格。離子注入的深度對退火深度有顯著影響。Si 加工中，P 型離子注入的元素主要為周期表III-A 族元素B（硼），IGBT 中退火生產前一工序常用的硼離子注入能量<100 keV。N 型離子注入的元素主要為周期表Ⅴ-A 族元素P（磷）和As（砷）等，相同能量下，P 離子注入深度最深，IGBT 中退火生產前一工序常用的磷離子注入能量<3 MeV。

為了分析IGBT 常用的退火深度，本文采用離子注入仿真軟件分析垂直入射的離子深度，其仿真結果如表1 所示。

從表1 可知，B 的最大退火深度約為0.6 μm，P 的最大退火深度約為2.7 μm。因此，最佳激光退火深度定義在3 μm。

表1 B/P 對硅材料的離子注入深度仿真結果

1.2 最佳激光波長選擇

在激光照射下，硅片表面液化，液化的表面在激光輻射下，熱傳導使得固態的溫度上升，液固相面向前推移直到激光停止輻射。當激光脈沖停止，液態冷卻為固態，被離子注入損壞且有缺陷的硅晶體，在液化后重結晶的過程中，重新形成單晶硅，即完成激活。

激光入射到晶體中有三個階段的表現形式：第一階段，激光能量沒有使晶體熔融階段，入射激光在固體中傳播直到衰減為0；第二階段，激光能量使晶體熔融，后續入射激光在熔融態（液體中）傳播直到衰減到0；第三階段，熔融區晶體再結晶，溫度逐漸降低并進行熱擴散和輻射傳播。

激光入射到非晶硅或單晶硅中，除一部分反射外，大部分入射并逐漸衰減，能量被逐漸吸收。激光入射后在非晶硅中的光強為：

其中：

I0表示未被反射而入射到硅片內的光強；

IL表示照射到硅片面的光強；

R 表示硅片對照射光的反射率，可通過菲涅爾公式計算，n 為折射率，k 為消光系數；

x 表示離硅片面的距離；

a 表示硅片吸收系數（當硅為固態時1E4/cm，而當硅為液態時1E6/cm）；

I 表示x 位置光強。

根據公式（1）可以計算得出不同波長的光在硅片中的退火深度，如表2 所示。從表中可以看出，綠光通過光輻射和熱傳導雙重作用，可使激光的退火深度達到2～3 μm（>800 ℃），可以有效地 激活注入的B 和P 離子。

表2 激光在硅片傳輸深度仿真結果

針對515 nm 波長的綠光，采用經典的傅里葉導熱方程方法來數值仿真硅片退火的整個熱過程，其在離硅片表面的不同深度的退火溫度曲線如圖3 所示，進一步驗證了綠光通過光輻射和熱傳導雙重作用，可使退火深度達到3 μm；同時，由于硅片比較厚（>50 μm），硅片另一面的溫度小于200 ℃，不會損傷正面的IGBT 結構。

圖3 離表面不同深度的溫度曲線

1.3 激光光斑尺寸與產率

激光退火設備工作流程可分為兩部分：硅片傳輸循環和工件臺動作循環。硅片傳輸循環包括：取片、預對準、交接片、下片；工件臺動作循環包括：交接片、硅片對準、全局調焦調平、曝光，如圖4 所示。

激光退火設備的產率主要取決于掃描曝光的執行效率，激光退火設備的光斑尺寸與掃描曝光的執行效率直接相關，故光斑尺寸越大，則產率越高，如圖5 所示，更大的光斑尺寸將減少掃描往返的次數，從而提高產率。然而，光斑尺寸越大，會帶來一系列問題，如光斑均勻性難以控制、激光器功率過高等技術難題，為此，平衡設備的光斑尺寸大小將有利于在技術實現難度和產率之間達到一個有機平衡。

圖4 激光退火設備工作流程圖

光斑大小與脈沖能量密度一一對應，比如最大能量密度2 J/cm2時，光斑大小為3 mm×0.2 mm，如果需要進一步提高能量密度到5 J/cm2，在其他條件不變的情況下，光斑需縮小為3 mm×0.1 mm。為此，上海微電子裝備有限公司根據客戶使用條件的不同，針對最高能量密度5 J/cm2時采用3 mm×0.1 mm 光斑，其在激光器5 kHz 激光頻率下，激光退火200 mm 硅片產率為13 片/h，10 kHz 激光頻率下，產率為21 片/h；針對最高能量密度2 J/cm2時采用3 mm×0.2 mm 光斑，在激光器5 kHz 激光頻率下，其200 mm 硅片產率為20 片/h。

圖5 光斑尺寸與產率

1.4 Taiko 薄片傳輸技術

為了改善關斷時間等IGBT 器件性能，IGBT硅片需要減薄為50～200 μm 的減薄片，當硅片磨薄到100 μm 以下，后續加工處理比較困難，傳統的半導體設備對如此厚度的減薄硅片加工具有一定難度，比如機械手無法傳輸、容易碎片等，如圖6 所示。

圖6 薄片碎片圖

因此，出現了Taiko 片，就是硅片周圍3 mm左右區域保持700 μm 厚度，而中間區域減薄到指定厚度，如圖7 所示為傳統薄片與Taiko 片的比較。

圖7 Taiko 片與傳統薄片的比較

采用Taiko 工藝制作的Taiko 片相對于傳統工藝制作的薄片具有顯著減少翹曲的功能，如圖8 所示，在將硅片減薄到50 μm 時，相對于傳統的采用研磨和干式拋光的工藝，Taiko 片有較佳的平整度，可以不用硬基底等載片即可維持構型。

然而，由于Taiko 片中心絕大部分區域厚度僅有50 μm 左右，采用傳統的機械手和預對準系統仍舊無法應對真空吸附導致的破片問題。因此，在激光退火設備研制過程中，經過多次嘗試，硅片傳輸機械手和預對準系統均采用彈性接觸方式進行Taiko 片的吸附和傳輸，如圖9 所示。

圖8 50 μm Taiko 片與50 μm 傳統薄片翹曲度比較

圖9 50 μm Taiko 片實際上片動作圖

2 FS-IGBT 退火工藝測試

評價FS-IGBT 激光退火設備的主要指標是P離子的退火深度及其激活效率，以及RS 均勻性和重復性等指標。

2.1 退火深度和激活率測試

SIMS 測試結果表明，SLA500 激光退火設備可以將P 離子退火深度推進到3 μm 左右，激活效率達到90%以上，如圖10 和圖11 所示。

圖10 Taiko 片P 離子退火深度測試圖

最佳退火深度和激活率測試結果匯總如表3所示，測試結果均滿足FS-IGBT 工藝指標需求。

2.2 RS 均勻性和重復性測試

RS 均勻性和重復性測試采用四探針法測試RS 電阻值，每個測試硅片一般測量Full map 121點，且要求在相同條件下連續3 天重復測試，硅片經過激光退火工藝后，RS 均勻性測試結果必須小于1%。

RS 測試結果表明SLA500 激光退火設備的RS 均勻性和重復性測試結果均能滿足客戶量產需求，如圖12 所示，其數據統計如表4 所示。

圖11 Taiko 片P 離子激活率測試圖

表3 退火深度和激活率性能測試結果

表4 RS 性能測試結果統計

圖12 RS 均勻性和重復性性能測試圖

3 結束語

激光退火憑借其獨特的性能優勢，近年來受到越來越多的關注，已經在IGBT、TFT、BSI-CIS和USJ 等領域部分替代傳統退火，市場需求量快速增長。作為擁有廣闊市場前景的IGBT 器件，激光退火工藝可以有效修復離子注入破壞的晶格結構，獲得比傳統退火方式更好的離子激活效率和激活深度，且不損傷正面器件。IGBT 工藝具備多樣性和適應性需求，所用基底越來越薄，隨著Taiko 片和鍵合片工藝的不斷成熟，激光退火將成為取代傳統退火的必然選擇。

Reverse Conducting（RC）和Reverse Blocking（RB）工藝是新出現的IGBT 制造技術，其中RC工藝是FS-IGBT 的升級，需要兼顧垂直和水平方向的擴散，而RB 工藝中p+ 隔離層退火也要求盡可能小的熱擴散。從技術角度分析，未來幾年國內外IGBT 廠商如果期待進一步提升產品性能，激光退火加Taiko 減薄工藝將會是首選。

上海微電子裝備有限公司所研制的SLA500型激光退火設備，主要面向IGBT 器件背面退火工藝應用，通過支持50 μm 及以上超薄片的退火工藝，已經成功通過FS-IGBT 生產線量產驗證。

[1] Thomas Gutt，Holger Schulze，Thomas Rupp，etc.Laser Thermal Annealing for Power Field Effect Transistor by using Deep Melt Actication[C]. 14th IEEE International Conference on Advanced Thermal Processing of Semiconductors-RTP2006，2006：193-197.

[2] Holger Schulze. 用于IGBT 薄片技術的激光熱退火深度熔化激活[J]. 電力電子，2011，(3)：47-49.

[3] Detlef Friedrich，Helmut Bernt，Henning Hanssen，etc.Laser Annealing of Power Devices[C].15th IEEE International Conference on Advanced Thermal Processing of Semiconductors-RTP2007，2007.

[4] Clément Sabatier，Simon Rack，Hervé Beseaucèle，etc.Laser Annealing of double implanted layers for IGBT Power Devices[C]. 16th IEEE International Conference on Advanced Thermal Processing of Semiconductors-RTP2008，2008.