第一代到第六代IGBT設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的發(fā)展概況

1、第一代到第六代 IGBT 設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的發(fā)展概況 愿本文能順利地為未接觸過半導(dǎo)體工藝技術(shù)的 IGBT 使用者提供 參考（一）引言：據(jù)報(bào)道， IGBT 功率半導(dǎo)體器件自上世紀(jì)八十年代中 期問世后，受到應(yīng)用者的熱烈歡迎，大量使用在電力電子裝置上，使 裝置進(jìn)入了一個突飛猛進(jìn)階段。 IGBT 也越來越深入人心。初期的 IGBT 存在了很多不足的地方， 使應(yīng)用受到了極大的限制。 其后人們針對其存在的不足， 作了不斷改進(jìn)。 行內(nèi)習(xí)慣按改進(jìn)次序排 列，現(xiàn)今 IGBT 已進(jìn)入到第六代?？梢赃@么說每一次改進(jìn)都有一個飛 躍。（二）了解一下半導(dǎo)體雖然 IGBT 的應(yīng)用者需要了解的只是 IGBT 規(guī)格、型號、性能、

2、 參數(shù)和應(yīng)用須知就夠了， 但不妨了解一下半導(dǎo)體器件最基本的知識對 閱讀本文是有幫助的。IGBT 是一種功率半導(dǎo)體器件。器件的制作就是在薄薄的一層均 勻的半導(dǎo)體硅晶片中按設(shè)計(jì)方案用特定的工藝手段做成不同功能的 若干小區(qū)域 （可能大家已有了解的所謂 PN 結(jié)、高阻層、高濃度雜質(zhì)低 阻區(qū)、絕緣層、原胞、發(fā)射極、集電極、柵極等 ），而且按要求連接成回路。各個小的功能區(qū)的厚薄、大小、位置、雜質(zhì)性質(zhì)、雜質(zhì)濃度 甚至雜質(zhì)濃度分布如濃度梯度都會給器件性能帶來極大的影響。所有半導(dǎo)體器件（含微電子、集成電路等）設(shè)計(jì)和制作就是在硅晶片中做這 樣的結(jié)構(gòu)文章。如何去制作不同結(jié)構(gòu)的小區(qū)域 （即晶片內(nèi)結(jié)構(gòu)），則需 用各種半

3、導(dǎo)體制作工藝（如擴(kuò)散工藝、外延工藝、離子注入工藝、輻 照工藝、光刻工藝、溝槽工藝等）及相關(guān)的專用設(shè)備和工藝條件（如不 同級別的原料、輔料及潔凈廠房等）。舉例說來，同是功率半導(dǎo)體器 件的可控硅和IGBT芯片結(jié)構(gòu)就大不一樣?？煽毓桦娏髟俅?、電壓再 高，只有一個單獨(dú)的芯片。IGBT則是利用MOS集成電路工藝，在 一個大硅晶片上制成若干個可分割的芯片， 每個芯片中又有不少的同 樣結(jié)構(gòu)的原胞并聯(lián)組成（見下圖），然后在封裝時(shí)根據(jù)需要把芯片組成 回路或把芯片并聯(lián)制成大電流的單管、橋臂等模塊。此例只是兩者芯 片內(nèi)結(jié)構(gòu)差異中的一個小例而已，其它差異多得是，不勝枚舉。IGBT芯片中 唐胞分布昭片站BT芯n訓(xùn)面西中

4、的兩"T世和斥芮圖（三）IGBT的發(fā)展過程IGBT 中文名為 “絕緣柵雙極型晶體管 ”，是一種 MOS 功率器件（MOSFET）和大功率雙極型晶體管（GTR）混合型電力電子器件。它的 控制信號輸入是 MOS 型的，與器件的晶片絕緣 （常稱絕緣柵 ），利用 感應(yīng)原理輸入信號。 20世紀(jì)七十年代出現(xiàn)的 MOSFET 就是這樣一種 輸入阻抗高、控制功率小、驅(qū)動電路簡單、開關(guān)速度高的 MOS 器件。 它的缺點(diǎn)是導(dǎo)通電阻大、 電流通過能力受到限制， 還有器件承受工作 電壓能力也極其有限。當(dāng)人們把 MOSFET 絕緣柵技術(shù)結(jié)合到大功率 雙極型晶體管（GTR）上就出現(xiàn)了面目全新的IGBT，當(dāng)時(shí)從原

5、理上論 證它應(yīng)該具有電流密度大、飽和壓降低、電流處理能力強(qiáng)、開關(guān)速度 快等優(yōu)點(diǎn)。但實(shí)際并非如此，甚至第一代 IGBT 在改進(jìn)前實(shí)用意義不 大。于是從上世紀(jì)八十年代中到本世紀(jì)初這二十年中， IGBT 在上述 兩者結(jié)合的基礎(chǔ)上走過了六次大改進(jìn)的路程，常稱六代 （德國稱四代 ） 這個過程是很艱苦的， 面對的是大量的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)調(diào)整和工藝上的難題。 下表概括了六次改進(jìn)所采取的技術(shù)措施和改進(jìn)后的效果。六代 IGBT 的變遷與特性改進(jìn)表氐技術(shù)特點(diǎn)命名戶芯片面尿柏對值工藝卩（:徽來”和壓欝伏*關(guān)斷*Rh司屮（趣）*功率攝耗屮（擁朋値2電壓4'（伏Z出現(xiàn)永 時(shí)間+， yI*3平面穿邇型（FT"3

6、310019SS-改進(jìn)的平面穿適型（PT）2如0.30P74<50QP199(h-溝槽型1 trench）心W2.0Q濟(jì)12(XM1992衛(wèi)韭穿通型（MPT,1.V0.23P3j00p1997電場截ihCFS）廠2沖ONL幷0一1如45 WP20Q1-P 溝槽型電場-熬止型C FS-Tisndi） *2護(hù)0.舁畑0和那(MR2003（四）IGBT技術(shù)改進(jìn)的追求目標(biāo)及效果分析1, 減小通態(tài)壓降。達(dá)到增加電流密度、降低通態(tài)功率損耗的目 的。2, 降低開關(guān)時(shí)間，特別是關(guān)斷時(shí)間。達(dá)到提高應(yīng)用時(shí)使用頻率、 降低開關(guān)損耗的目的。3, 組成IGBT的大量原胞”在工作時(shí)是并聯(lián)運(yùn)行，要求每個原 胞在工作溫

7、度允許范圍內(nèi)溫度變化時(shí)保持壓降一致，達(dá)到均流目的。否則會造成IGBT器件因個別原胞過流損壞而損壞。4, 提高斷態(tài)耐壓水平，以滿足應(yīng)用需要。上表列出數(shù)據(jù)表明:1，在同樣工作電流下芯片面積、通態(tài)飽和壓降、功率損耗逐代 下降。關(guān)斷時(shí)間也是逐代下降。而且下降幅度很大。達(dá)到了增加電流 密度、降低功率損耗的目的。2, 表上列出的 斷態(tài)電壓”即是Vceo,發(fā)射極和集電極之間耐壓。這是應(yīng)用需要提出的越來越高的要求，（五）采取了哪些技術(shù)改進(jìn)措施在硅晶片上做文章,有很多新技術(shù)、新工藝。 IGBT 技術(shù)改進(jìn)措 施主要有下面幾個方面：1, 為了提高工作頻率降低關(guān)斷時(shí)間,第一代、第二代早期產(chǎn)品 曾采用過 “輻照”手段,

8、但卻有增加通態(tài)壓降 （會增加通態(tài)功耗 ）的反作 用危險(xiǎn)。2, 第一代與第二代由于體內(nèi)晶體結(jié)構(gòu)本身原因造成 “負(fù)溫度系 數(shù)”,造成各 IGBT 原胞通態(tài)壓降不一致,不利于并聯(lián)運(yùn)行,因此當(dāng) 時(shí)的 IGBT 電流做不大。此問題在第四代產(chǎn)品中采用了 “透明集電區(qū) 技術(shù)”,產(chǎn)生正溫度系數(shù)效果后基本解決了,保證了 （四）3 中目標(biāo)的實(shí) 現(xiàn)。3, 第二代產(chǎn)品采用 “電場中止技術(shù) ”,增加一個 “緩沖層 ”,這樣 可以用較薄的晶片實(shí)現(xiàn)相同的耐壓 （擊穿電壓）。因?yàn)榫奖? ,飽和 壓降越小,導(dǎo)通功耗越低。此技術(shù)往往在耐壓較高的 IGBT 上運(yùn)用效 果明顯。耐壓較低的如幾百伏的 IGBT 產(chǎn)品，晶片本來就薄，

9、再減薄到如 100到 150微米的話，加工過程極容易損壞晶片。4，第三代產(chǎn)品是把前兩代平面絕緣柵設(shè)計(jì)改為溝槽柵結(jié)構(gòu)，即 在晶片表面柵極位置垂直刻槽深入晶片制成絕緣柵。 柵極面積加大但 占用晶片位置減小，增加了柵極密度。工作時(shí)增強(qiáng)了電流導(dǎo)通能力， 降低了導(dǎo)通壓降。5, 第四代非穿通型IGBT（NPT）產(chǎn)品不再采用 外延”技術(shù)，代之 以“硼離子注入 ”方法生成集電極，這就是 （五）2 中提到的 “透明集電區(qū) 技術(shù)”。除已提到的產(chǎn)生正溫度系數(shù)、便于并聯(lián)運(yùn)行的功能外,主要 還有：5.1 不必用輻照技術(shù)去減少關(guān)斷時(shí)間,因?yàn)?“透明集電區(qū)技術(shù) ”也 有此功能。因此不存在輻照使通態(tài)壓降增加而增加通態(tài)損耗的可

10、能。 即（五）1 中提到的 “危險(xiǎn)”。5.2 不采用 “外延”工藝和 “輻照”工藝,可以減低制造成本。6, 表中所列的第五、第六代產(chǎn)品是在 IGBT 經(jīng)歷了上述四次技 術(shù)改進(jìn)實(shí)踐后對各種技術(shù)措施的重新組合。 第五代 IGBT 是第四代產(chǎn) 品“透明集電區(qū)技術(shù) ”與“電場中止技術(shù) ”的組合。第六代產(chǎn)品是在第五 代基礎(chǔ)上改進(jìn)了溝槽柵結(jié)構(gòu),并以新的面貌出現(xiàn)。請注意表中第五季第六代產(chǎn)品的各項(xiàng)指標(biāo)改進(jìn)十分明顯， 尤其是承受工作電壓水平從第四代的 3300V提高到6500V,這是一個極大 的飛躍。上述幾項(xiàng)改進(jìn)技術(shù)已經(jīng)在各國產(chǎn)品中普遍采用， 只是側(cè)重面有所 不同。除此以外，有報(bào)道介紹了一些其它技術(shù)措施如： 內(nèi)

11、透明集電極、 砷摻雜緩沖層、基板薄膜化、軟穿通技術(shù)等。7，世界各 IGBT 制造公司的技術(shù)動態(tài)7.1 低功率 IGBT摩托羅拉、 ST 半導(dǎo)體、三菱等公司推出低功率 IGBT 產(chǎn)品，應(yīng) 用范圍一般都在 600V、1KA 、1KHz 以上區(qū)域。7.2 NPT-IGBT在設(shè)計(jì) 6001200V 的 IGBT 時(shí)， NPTIGBT 可靠性最高， 正成 為 IGBT 發(fā)展方向。西門子公司可提供 600V、1200V、1700V 系列產(chǎn) 品和6500V高壓IGBT，并推出低飽和壓降 DLC型NPTIGBT，依 克賽斯、哈里斯、英特西爾、東芝等公司也相繼研制出 NPTIGBT 及其模塊系列，富士電機(jī)、摩托

12、羅拉等在研制之中。7.3 SDB-IGBT三星、快捷等公司采用 SDB( 硅片直接鍵合 )技術(shù)，在 IC 生產(chǎn)線 上制作第四代高速 IGBT 及模塊系列產(chǎn)品，特點(diǎn)為高速，低飽和壓降， 低拖尾電流， 正溫度系數(shù)易于并聯(lián)， 在 600V 和 1200V 電壓范圍性能 優(yōu)良，分為 UF、 RUF 兩大系統(tǒng)。7.4 超快速 IGBT國際整流器 IR 公司研制的超快速 IGBT 可最大限度地減少拖尾 效應(yīng)，關(guān)斷時(shí)間不超過2000ns,采用特殊高能照射分層技術(shù)，關(guān)斷時(shí) 間可在100 ns以下，拖尾更短，重點(diǎn)產(chǎn)品有 6種型號。7.5 IGBT 功率模塊IGBT 功率模塊從復(fù)合功率模塊 PIM 發(fā)展到智能功率模塊 IPM 、 電力電子積木PEBB、電力模塊IPEM。PIM向高壓大電流發(fā)展，其 產(chǎn)品水平為 1200 1800A/18003300V，IPM 600A/2000V。大電流 IGBT 模塊,有源器件 PEBB 采用平面低電感封裝技術(shù)。 IPEM 采用 共燒瓷片多芯片模塊技術(shù)， 組裝的 PEBB 大大降低電路接線電感， 提 高系統(tǒng)效率。智能化、模塊化成為 I