IGBT結構及發展趨勢

張為國，張俊，唐世弋

( 上海微電子裝備（集團）股份有限公司，上海 201203)

0 引言

絕緣柵雙極晶體管IGBT（Insulated gate bipolar transistor）是GE(General Electric)和RCA(Radio Corporation of America)兩家美國公司于1982年提出，是繼雙極晶體管GTR和金屬-氧化物-半導體場效應晶體管MOSFET后的第三代功率半導體的分立器件，其綜合了GTR和MOSFET的優點，具有易于驅動、峰值電流容量大、自關斷、開關頻率高等特點，是當今市場具有較大創新的功率器件之一, 主要應用于電氣、新能源、交通等領域，其典型的結構示意圖如圖1所示，主要應用在600伏到6500伏中壓段，拓展了GTR缺乏電壓控制，甚至已擴展到可控硅整流器SCR和門控晶閘管GTO占優勢的大功率應用領域，是目前發展比較迅速且應用比較廣的新一代功率器件產品[1]。

圖1 典型的IGBT 結構示意圖

IGBT結構內部有兩部分構成，其一由PNP與NPN兩個三極管構成的推挽電路，還有一個就是結聯的MOSFET和PIN二極管，IGBT器件與MOSFET器件最大的區別在于IGBT克服了MOSFET存在導通電阻高的缺點，在高壓時IGBT仍具有較低的導通電阻，但IGBT也有不足[2]，在相似功率容量的IGBT和MOSFET，IGBT的速度會慢于MOSFET，一般同等技術水平下的IGBT芯片，標稱電壓越高的IGBT開關速度越遲緩，所以IGBT器件一般不太適合于高頻領域的應用。本文主要闡述了IGBT器件結構的發展變化，對這些新結構的分析和未來的發展的趨勢。

1 IGBT結構發展

在20世紀80年代初期用于MOSFET制造技術中的雙擴散形成的金屬-氧化物-半導體DMOS工藝引入到早期的IGBT中來，開發者巧妙的將DMOS的N+襯底換成P+襯底，引入了半導體二極管的注入機制，使高阻N+漂移區產生電導調制效應[3],從而大大降低了導通電阻，當時的IGBT是一種較厚的非穿通NPT型設計，由于器件外延層很厚，器件的性能不佳，器件也容易產生閂鎖效應[4]，導致柵失去控制能力，同時N+漂移區存在非平衡載流子的注入 ，器件的開關速度受到影響，后來出現在原來的P+/N+之間多長一層N型的緩沖層，緩沖層不僅可以減小閂鎖效應，同時可以使得N外延層厚度大幅度的減小，降低成本，同時增加了器件的生產效率。

隨著IGBT應用對電壓的要求不斷提高，以及產業化過程對成本的要求，器件開發設計及制造者們選擇用單晶硅襯底制作取代傳統外延襯底的方式，相應的工藝是采用背面進行離子注入方式摻雜P+區，新的單晶硅NPT結構可以滿足電壓超過1500V及以上高壓器件的需求，同樣，緩沖層結構IGBT又繼續應用到單晶硅襯底的IGBT上，此時利用背面通過多次離子注入的方式產生比較薄的n區與p區，可以實現帶有緩沖層的IGBT結構[5]。

平面型的功率MOS發展經歷了橫向雙擴散的LDMOS、V型槽工藝的VVMOS、U型槽工藝的VUMOS以及縱向雙擴散VDMOS的演化，其中VDMOS是功率MOS器件結構上的一次重大變革，之所以一次次的向前發展，主要是因為平面型器件制造與現有的工藝基本兼容，也因此得到了廣泛的應用，但其不足之處也很明顯即是平面結構其基本單元尺寸較大，很難滿足目前不斷縮小的線寬尺寸制備工藝的要求，同時基本單元尺寸元胞縮小受到限制會導致如穿過P阱的橫向空穴可能導致器件發生閂鎖等問題，為了解決平面工藝IGBT結構出現的諸多問題，此時器件設計者們又開發出利用干法刻槽工藝的Trench結構[6]，如圖2所示，最先應用于UMOS中，最大的特點是器件的溝道從水平變為垂直，使得元胞尺寸大大縮小，可以克服平面型IGBT存在的上述諸多問題，而且還帶來器件電流的增加以及導通電阻下降等優勢，使得器件的結構更加的緊湊,襯底的厚度還可以進一步的減薄[7-8]，降低了襯底的成本，目前已經可實現40um的厚的IGBT產品。

圖2 Trench IGBT 結構示意圖

隨著工藝水平的發展，尤其是高選擇性各向異性反應離子刻蝕技術的進步，UMOS-Trench結構經歷了由淺到深的過程，采用深的Trench結構，Trench完全可以穿過n+區，使得導通電阻進一步降低，可以進一步的改進IGBT的開關響應速度，但過深的結構也會帶來擊穿電壓的降低以及刻槽過程所引起的損傷處理等挑戰[9]，目前比較先進的增強型技術就是通過優化正面 MOS 結構,提高靠近發射極區一端的電子注入效率,從而優化導通壓降與關斷損耗的折中關系[10]，如圖3所示。

圖3 通態電壓和關斷損失的平衡

2 基于IGBT發展的結構

KITAGAWAM等人[11]將Trench器件的正面N型漂移層的上方在柵電極之間的區域進行EEI(Enhanced Electron Injector)進行重摻雜，稱之為N+局部摻雜IEGT（Injection Enhanced Insulated Gate Bipolar Transistor）結構，如圖4所示，目的是減弱PNP晶體管的作用，多余的電子則會與頂部的空穴進行復合，從而在漂移區的一側，會增強頂部發射極電子的注入,這種新結構器件的通態電壓降較小，飽和電流密度較低，開關損耗也比較小，IEGT是一種兼備IGBT其優點，克服其缺點的新型器件，近年來已經形成了商用產品，與傳統器件相比.通過減弱PNP晶體管從而開關頻率相比IGBT有所降低，但具有通態壓降較低，門極驅動電流較小，功率密度較大，開關損耗較小的優點，IEGT的優越性能決定了它非常適合在各種大功率變流器中使用，此外IEGT內部已集成了一個快速的反并聯二極管，且IEGT具有很寬的安全工作區并能承受較高的dv/dt和di/dt，因此IEGT逆變器無需陽極電抗，只需公用一個關斷吸收電路，同時，由于IEGT門極驅動功率低，門極驅動模塊體積很小，使用元件數量少，因而可靠性也得到很大提高，日本東芝近年利用此結構開發出耐壓等級從4500V延伸到1200V一系列產品[12]。

圖4 IEGT 結構示意圖

由日本三菱公司設計的CSTBT[13](carrier stored trench gate bipolar transistor)則是進一步的將IEGT的EEI層拓展至整個P-well阱之下,如圖5所示，再通過MOS結構的通道層連接到發射極，進一步的增強了電子的注入能力，從而改善了載流子的分布，使得器件的通態電壓降比較小，飽和電流密度低，開關損耗比較小。Katsumi Nakamura等人[14]設計了在大電流關斷操作下的高壓絕緣柵雙極晶體管邊緣終端，通過實驗模擬在4.5KV條件下優化背面空穴注入濃度及深度并緩和邊緣終止區域處以及表面pn結邊緣處的電場，可以有效的解決載流子碰撞導致電離現象，器件在關斷期間引起局部熱點等問題。

圖5 CSTBT 結構示意圖

Antonioum等人[15]設計的點注入型的IGBT結構，如圖6所示，器件的主要的特征是在N漂移區內和柵極底局部進行P型的重摻雜，并相應的增加了發射極側的電導率的調制作用，該結構在不影響功率器件開關性能的情況下，可以明顯的降低通態的損耗以及對功率器件的耐壓等電學性能的提升，與傳統的FS-IGBT相比，在相同的開關損耗情況下，在導通狀態下可以實現降低20%以上的能量損耗，但此種結構工藝流程也比較復雜，成本較高，給規模化應用增加一定的阻力。

圖6 點注入IGBT 結構示意圖

3 IGBT發展趨勢及國產化的機會與挑戰

未來IGBT器件將向著槽柵結構、精細化圖形、載流子注入增強調制、以及薄片化的加工工藝方向繼續發展。同時隨著IGBT芯片技術的不斷發展，芯片的最高工作結溫與功率密度不斷提高，IGBT模塊散熱技術也要與之相適應。未來IGBT模塊技術還將圍繞芯片背面焊接固定與正面電極互連兩方面同時改進，并同先進封裝技術結合，更多的集成同樣也是IGBT的發展方向，以降低產品尺寸并在模塊內集成更多其他功能元件，如集成多種傳感器及驅動電路，不斷提高IGBT模塊的功率密度、集成度及智能化。

除硅基IGBT外，SiC材料已被用于IGBT的研制[16]，2012年Cree公司報道了15kV的SiC N-IGBT，2014～2015年繼續報道了20KV及27KV的SiC N-IGBT，30KV的相關課題也正在Warwick大學開展[17-19]。近年來產業界紛紛通過調整業務領域，擴大產能供給，通過并購整合等方式，加強在第三代半導體領域的布局，全球迎來快速發展的熱潮，SiC成為全球巨頭們布局的熱點。隨著新能源電動車需求量大幅增加，以車企牽頭，第三代半導體碳化硅產品逐漸進入各汽車集團的主流供應鏈，產品供應開始上量，與Si基IGBT的價差持續縮小，目前主要的產品是MOSFET和二極管類產品，但隨著SiC技術的進一步完善，SiC-IGBT在不久將來會走向產業化應用。

近兩年，我國IGBT產業在國家政策及及市場牽引下得到了迅速發展，但在目前自身生產條件落后于國際先進水平的狀況下，國內的IDM企業不能局限于自身產品線的生產能力，應充分依托國內功率半導體器件龐大的市場，用技術去開拓市場，逐漸從替代產品向產品創新、牽引整體發展的轉變，而國內裝備可充分利用國內市場需求導向，緊密貼近客戶應用端。

目前，國內IGBT器件發展產業化中主要以硅基IGBT為主，在推進IGBT器件產業化的過程中還需要解決以下幾方面的挑戰：

（1）Trench器件結構的高深寬比制作以及損傷層的修復處理等工藝；（2）碎片率的控制，硅晶圓從背面到正面減薄以及金屬化工藝可能會引起形變的增加，從而導致碎片率的增加，尤其是當晶圓襯底的厚度在50um以下時；（3）相關配套的技術，如超薄片傳輸以及大翹曲片處理，大面積的柵氧化技術，背面光刻技術以及激光退火技術和多層金屬化技術等；（4）更多的模塊集成技術，降低功耗及提升器件性能，包括三維集成，異質集成技術等。

4 結語

IGBT作為新型電力電子器件的主流功率器件之一，介紹了其技術發展和結構的演變，討論了IGBT幾種新結構的主要技術措施以及特點，未來的IGBT器件及模塊將朝著薄片化及高集成度方向繼續發展。