功率器件IGBT氢缓冲层工艺及特性研究.pdf

集成电路应用 第 40 卷 第 6 期（总第 357 期）2023 年 6 月 57Process and Fabrication 工艺与制造6075cm，采用高能注入机对实验片进行氢离子注入，利用炉管进行退火，退火炉内的气体氛围为N2。3 结果与讨论 3.1 沟槽氢场终止薄片IGBT工艺流程准备一片N型掺杂的晶圆，按照常规工艺对晶圆进行IGBT正面工艺的制作，然后将晶圆反转，进行IGBT背面工艺，首先在IGBT正面贴膜，接着进行背面Taiko减薄，并进行背面湿法腐蚀释放减薄过程产生的应力，然后去除正面保护膜，通过离子注入机进行IGBT集电极硼注入并利用激光退火设备将其激活，接着利用高能氢注入机进行氢离子注入并退火再接着进行背金溅射，最后进行CP测试和划片。可见，采用氢场终止技术的IGBT，在IGBT正面工艺时不需要薄片工艺能力，大大降低工艺制造过程中的碎片率，同时提升场终止设计的灵活性。3.2 氢缓冲层退火前后掺杂对比2片晶圆#A和#B，分别进行四次氢离子注入，为了验证高能氢离子注入机的一致性，#A和#B采用相同的氢离子注入条件。图1为四次氢离子注入退0 引言IGBT作为能源转换与传输的核心器件，受新能源汽车、充电桩、光伏逆变等新兴市场的驱动，需求规模大、增速快、市场前景可观。1 研究背景1980年代初发明以来，受到国内外广泛研究，2000年提出场终止技术后1，主流6001 700V IGBT常采用场终止缓冲层技术，通过多次不同能量和剂量的氢离子注入可形成IGBT背面深缓冲层，缓冲层深度和浓度灵活可调，同时不需要正面薄片加工能力，是目前IGBT最先进的制造技术之一。1970年代第一次报道氢离子注入具有N型掺杂的效果，距今已有50多年，根据目前研究，氢离子注入形成N型掺杂的最有可能的机理是一个或者多个氢离子吸附在氧杂质和自间隙上。同时，由氢离子注入晶圆诱导的氢相关N型掺杂只在300500温度下退火后才会出现。高能氢离子注入设备价格昂贵，且国内主要集中在晶圆代工厂，因此鲜有氢注入工艺及氢缓冲层IGBT器件特性研究报道，本文通过二次离子质谱（SIMS)和扩展电阻（SRP）分析掺杂浓度分布，借助Sentaurus TCAD仿真软件进行IGBT动态仿真，采用动静态测试仪进行动静态测试对比分析。2 实验采用单面抛光N型NTD FZ硅晶圆，电阻率作者简介：刘建华，上海积塔半导体有限公司，高级工程师；研究方向：集成电路制造。收稿日期：2023-04-26；修回日期：2023-05-27。摘要：阐述IGBT氢缓冲层的实验分析，包括退火工艺、退火温度、IGBT器件性能关系，工艺结构与IGBT器件的性能关系，借助SIMS测量方法分析氢缓冲层经过400退火条件后氢掺杂分布变化。关键词：集成电路制造，IGBT，功率器件，氢缓冲层。中图分类号：TN405 文章编号：1674-2583(2023)06-0057-03DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.2023.06.022文献引用格式：刘建华，曹功勋，吴晓丽.功率器件IGBT氢缓冲层工艺及特性研究J.集成电路应用,2023,40(06):57-59.功率器件IGBT氢缓冲层工艺及特性研究刘建华，曹功勋，吴晓丽（上海积塔半导体有限公司，上海 201309）Abstract This paper describes the experimental analysis of IGBT hydrogen buffer layer,including annealing process,annealing temperature,IGBT device performance relationship,and the relationship between process structure and IGBT device performance.With SIMS measurement method,the hydrogen doping distribution of hydrogen buffer layer after annealing at 400 is analyzed.Index Terms IC manufacturing,IGBT,power device,hydrogen buffer layer.Study on Process and Characteristics of IGBT Hydrogen Buffer Layer for Power DevicesLIU Jianhua,CAO Gongxun,WU Xiaoli(Shanghai GTA Semiconductor Co.,Ltd.,Shanghai 201309,China.)图1 氢离子注入退火前后SIMS测试结果58 集成电路应用 第 40 卷 第 6 期（总第 357 期）2023 年 6 月Process and Fabrication工艺与制造火前后SIMS测试结果，深度为0m的位置为晶圆表面，退火温度为400，退火炉内的气体氛围为N2。如图1所示，#A和#B退火前氢离子具有很好的一致性，挑选#A进行退火，退火后发现氢元素峰值位置主要取决于氢注入能量，但氢元素浓度明显降低，尤其是靠近晶圆表面的氢元素，同时发现氢元素往晶圆表面有明显移动，但往晶圆体内无明显移动，可能是由于晶圆经过氢离子注入后，从晶圆表面到氢注入射程区间的晶圆体内存在大量缺陷，便于氢元素扩散，但在氢注入射程外，晶圆结构仍然是单晶，不利于氢元素扩散。根据文献2，往晶圆表面扩散深度近似正比于退火时间的均方根。3.3 氢缓冲层退火工艺研究按照晶圆#A的氢注入条件制备10个样品，并分别进行不同温度的退火，退火温度从350到550，退火后进行SRP测量，氢注入能量N1剂量J1的N型掺杂的峰值浓度随退火温度变化如图2（a）所示，氢注入能量N2剂量J2的N型掺杂的峰值浓度随退火温度变化如图2（b）所示,发现在350400退火温度区间，N型掺杂浓度变化甚微，当退火温度大于400，N型掺杂浓度开始明显下降，420500退火温度区间，N型掺杂浓度又变得与温度无明显关系，当退火温度大于500，N型掺杂浓度又开始明显下降，直到550时N型掺杂效果消失。说明氢注入形成N型掺杂可能由两部分组成，其中一种在350400退火条件下保持稳定，在400420退火条件下消失，另一种在350500退火条件下保持稳定，当退火温度大于500开始消失，直到550完全消失。3.4 氢缓冲层退火温度与IGBT器件性能关系采用同一正面工艺条件制备7只沟槽IGBT样品，然后在氢缓冲层退火时进行退火温度分组，退火温度从350450,7只样品的其余背面工艺也是采用同一条件。IGBT饱和压降和击穿电压与氢缓冲层退火温度关系如图3所示，随着退火温度由350升高至420，饱和压降逐渐降低，然后随着退火温度进一步升高，饱和压降开始增大。而击穿电压随着退火温度升高单调逐渐增大。如图2（a）和图2（b）所示，随着退火温度升高，氢N型掺杂浓度逐步降低，因此击穿电压逐步增大，但是饱和压降不仅与氢N型掺杂浓度有关还与氢注入带来的缺陷浓度有关，饱和压降随退火温度变化趋势应该是氢N型掺杂浓度随退火温度变化和缺陷浓度随退火温度变化的两者综合效果。表1是氢缓冲层退火温度与IGBT器件动态性能关系，随着退火温度由360升高至420，关断损耗逐渐增大，由420升高至440，关断损耗减小，该变化趋势与IGBT饱和压降随退火温度变化趋势完全相反，经过360和380退火的IGBT具有相同的短路安全工作区（SCSOA），当退火温度升至400440区间，IGBT的SCSOA增大40%。五种条件退火的IGBT具有一致的反偏安全工作区（RBSOA）。综合考虑IGBT器件性能和工艺产能，氢缓冲层的退火温度优选400440。3.5 氢缓冲层结构与IGBT器件性能关系IGBT动态测试条件为Vge=15V,Vce=400V,Ic=额定电流，Rg=10，不同氢缓冲层IGBT常温下动静态测试对比结果，随着IGBT氢注入次数由四次降为三次或两次或一次，虽然能降低工艺制造成本，并且对反向漏电（Ices）、饱和压降（Vcesat）、输入电容（Ciss）、输出电容（Coss）、反馈电容（Cres）、栅电荷（Qg）、开关损耗（Eon+Eoff）、反偏安全工作区（RBSOA）无明显影响，同时还能提升击穿电压（BV）和降低开通损耗（Eon），但会导致关断损耗（Eoff）增大。此外，随着IGBT的氢注入次数降低，关断峰值电压（Vpeak）似乎有增大的趋势，为进一步对比分析，将IGBT动态测试条件中Vce电压由400V逐步提升至650V,分别是500V，550V和650V。测试结果如图4所示，在500V和550V测试电压下Vpeak都随着氢注入次数降低而逐渐增大，当测试电压增加至650V时，四次氢注入和三次氢注入IGBT都能正常关断，而两次氢注入和一次氢注入IGBT都在测试过程中因过电压损坏。通过Sentaurus TCAD软件对IGBT关断进行仿真，图5为两种缓冲层结构IGBT的关断电压电流仿真曲线，为了突显两种缓冲层结构区别，仿真时采用大负载电感，四次氢注入缓冲层结构IGBT的Vpeak图2 氢注入峰值浓度与退火温度之间的关系 图3 氢退火温度与IGBT器件静态性能关系表1 氢缓冲层退火温度与IGBT器件动态性能关系图4 不同氢缓冲层IGBT在不同Vce测试电压下Vpeak对比集成电路应用 第 40 卷 第 6 期（总第 357 期）2023 年 6 月 59Process and Fabrication 工艺与制造明显低于一次氢注入缓冲层结构IGBT，趋势与实际测试吻合。取t1t8八个时间节点进行分析，图6（a）和图6（b）分别为四次氢注入和一次氢注入缓冲层结构IGBT在t1t8时刻空间电荷区宽度（图中白色线代表空间电荷区展宽位置），两种缓冲层结构空间电荷区变化趋势类似，t1时刻，Vce电压未上升，空间电荷区未建立，t2时刻，Vce电压开始上升，开始建立空间电荷区，随着空穴和电子不断抽取，t3t5时刻空间电荷区逐渐展宽，t6t8时刻，空间电荷区都展宽至缓冲层。在t1、t2时刻四次氢注入和一次氢注入缓冲层结构IGBT空穴浓度分布无明显区别，由于一次氢注入缓冲层结构IGBT具有更高的集电极发射效率，因此该缓冲层结构IGBT体内具有更高的空穴浓度。t4时刻由于建立明显的空间电荷区，IGBT芯片正面空穴浓度明显减少，同时，一次氢注入缓冲层结构IGBT展宽空间电荷区速度低于四次氢注入缓冲层结构IGBT展宽空间电荷区速度，这也是图5中，t4时刻，一次氢注入缓冲层结构IGBT电压上升速度和电流下降速度更慢的原因。t5时刻体内空穴浓度进一步降低，空间电荷区进一步展宽，四次氢注入缓冲层结构IGBT的空间电荷区已经展宽至缓冲层，而一次氢注入缓冲层结构IGBT因缓冲层深度较浅，尚未到达缓冲层。t6时刻空间电荷区都展宽到缓冲层，由于此时一次氢注入缓冲层结构IGBT此处缓冲层浓度高于四次氢注入缓冲层结构IGBT，根据二维泊松方程，电场在一次氢注入缓冲层结构IGBT中下降更快，此外，此时一次氢注入缓冲层结构IGBT背面剩余空穴更少，一次氢注入缓冲层结构IGBT需要更高的电压才能抽取出足够的空穴，以满足感性电路中电流不能突变的要求，因此，一次氢注入缓冲层结构IGBT的Vpeak会大于四次氢注入缓冲层结构IGBT。到t7、t8时刻一次氢注入缓冲层结构IGBT背面空穴浓度明显低于四次氢注入缓冲层结构IGBT背面空穴浓度,因此图5中t7、t8时刻，一次氢注入缓冲层结构IGBT的电流下降速度更快。IGBT正常工作时一般工作在高温状态，不同氢缓冲层结构IGBT在高温下性能也进行了对比测试，Vcesat、Eon、Eoff、Eon+Eoff、RBSOA等参数对比结果同常温下结论，但是Ices参数与常温不同，常温下不同氢缓冲层结构IGBT的Ices无明显区别，但是在150和175下，随着氢注入次数减小，Ices也随之增大，在25测试条件下，不同氢缓冲层结构IGBT反向漏电无明显差异，都在6e-8A左右，当测试温度提升至150，四次氢注入和三次氢注入缓冲层结构IGBT反向漏电无明显区别，都在5e-5A左右，但是当氢注入次数减少至两次，IGBT反向漏电则增大至6e-5A左右，当氢注入次数进一步减少至一次，IGBT反向漏电则进一步增大至7.5e-5A左右。综上所述，一次氢注入缓冲层结构相比四次、三次、两次氢注入缓冲层结构IGBT具有更高的BV和更低的Eon，但Eoff会增大，Vpeak也会增大，同时还会增加关断时电压震荡风险，对于对电磁干扰（EMI）有要求的应用电路，建议采用多次氢注入次数缓冲层结构IGBT。此外，在高温下，一次氢注入缓冲层结构IGBT的Ices也明显高于四次、三次、两次氢注入缓冲层结构IGBT，该参数与实际应用中功耗密切相关。4 结语采用氢场终止缓冲层技术的IGBT，在IGBT正面工艺时不需要薄片工艺能力，大大降低工艺制造过程中的碎片率，同时提升场终止设计的灵活性，非常适合击穿电压范围为6001 700V，并且芯片厚度小于200m的IGBT。氢离子注入形成N型掺杂由两部分组成，其中一种在350400退火条件下保持稳定，在400420退火条件下消失，另一种在350500退火条件下保持稳定，当退火温度大于500开始消失，直到550完全消失，因此IGBT器件性能与氢退火工艺相关，综合考虑IGBT器件性能和工艺产能，氢缓冲层的退火温度优选400440。IGBT性能与氢缓冲层结构紧密相关，氢缓冲层结构选择取决于实际应用电路对IGBT性能的要求。参考文献1 T.Laska,M.Munzer,F.Pfirsch,C.Schaeffer,T.Schmidt.The Field Stop IGBT(FS IGBT).A new power device concept with a great improvement potentialC.International Symposium on Power Semiconductor Devices&Ics,2000.2 Laven,et al.Activation and Dissociation of Proton-Induced Donor Profiles in SiliconJ.ECS Journal of Solid State Science and Technology,2013,2(9):389-394.图5 四次氢注入和一次氢注入缓冲层结构IGBT关断电压电流曲线图6 四次氢注入和一次氢注入缓冲层结构IGBT在t1t8空间电荷区宽度