高性能場(chǎng)終止壽命控制FRD芯片工藝研究

  以快恢復(fù)二極管（FRD）與絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）為代表的功率器件廣泛應(yīng)用于新能源汽車(chē)、光伏、智能電網(wǎng)、軌道牽引、工業(yè)變頻等重要場(chǎng)合，有非常重要的戰(zhàn)略意義與市場(chǎng)價(jià)值。FRD廣泛應(yīng)用于功率電子中，一般與IGBT反并聯(lián)，為負(fù)載中的無(wú)功電流提供回路，減少電容的放電時(shí)間，同時(shí)抑制負(fù)載電流的瞬時(shí)反向引起的高感應(yīng)電壓。為了匹配越來(lái)越快的電路開(kāi)關(guān)速度和越來(lái)越復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境，F(xiàn)RD必須滿(mǎn)足開(kāi)關(guān)速度快、靜態(tài)和動(dòng)態(tài)損耗低、反向恢復(fù)時(shí)間短和較好的軟恢復(fù)特性等要求。
 
  載流子壽命控制和器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化是實(shí)現(xiàn)高性能FRD關(guān)鍵技術(shù)。載流子壽命控制技術(shù)是降低反向恢復(fù)時(shí)間的關(guān)鍵技術(shù)之一，通過(guò)在器件的基區(qū)引入深能級(jí)產(chǎn)生復(fù)合中心，降低載流子的壽命，降低正向?qū)〞r(shí)基區(qū)的存儲(chǔ)電荷總量，并加速反向關(guān)斷時(shí)少數(shù)載流子的復(fù)合，進(jìn)而降低反向恢復(fù)時(shí)間。載流子壽命控制技術(shù)根據(jù)引入的產(chǎn)生復(fù)合中心的位置可以分為全局載流子壽命控制技術(shù)和局域載流子壽命控制技術(shù)兩類(lèi)。全局載流子壽命控制技術(shù)，也稱(chēng)軸向均勻壽命控制技術(shù)，通過(guò)擴(kuò)金、鉑等深能級(jí)雜質(zhì)和電子輻照對(duì)FRD芯片整體引入復(fù)合中心，降低載流子壽命。局域載流子壽命控制技術(shù)也稱(chēng)軸向局域壽命控制技術(shù)），通過(guò)高能H+或He++等離子輻照在FRD一定深度區(qū)域感生缺陷，在局部區(qū)域降低載流子壽命。輕離子輻照壽命控制技術(shù)具有正向?qū)▔航敌?、反向漏電流低、軟度因子高和溫度穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)高性能FRD的關(guān)鍵技術(shù)，目前只有IXYS、Vishay和ABB等國(guó)際大廠(chǎng)采用。電力電子系統(tǒng)一般功率都很大，系統(tǒng)復(fù)雜，使用器件數(shù)目巨多。這些應(yīng)用特點(diǎn)決定功率器件對(duì)可靠性要求極高，使用壽命要求大于10年，甚至達(dá)到30年。為了達(dá)到高可靠性，這要求FRD軟度因子S比較高。除了選擇局域壽命控制技術(shù)外，還可以在FRD背面引入中等摻雜濃度的N緩沖層形成場(chǎng)終止層（Field Stop，F(xiàn)S）來(lái)優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)，增加基區(qū)中的存儲(chǔ)電荷，提高反向復(fù)合時(shí)間，從而提高FRD的軟度因子S。
 
  本文研究采用電子輻照和輕離子注入載流子壽命控制技術(shù)來(lái)縮短FRD的反向恢復(fù)時(shí)間，采用緩沖層結(jié)構(gòu)提高軟度因子S，并且采用了復(fù)合鈍化層增強(qiáng)器件的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了快速高可靠性的FRD芯片。測(cè)試結(jié)果表明，1200V系列FRD的反向恢復(fù)時(shí)間為100~200ns，正向?qū)妷簽?.6~2.0V，反向擊穿電壓為1270~1380V，與國(guó)際同類(lèi)器件性能相當(dāng)。
 
  1. FRD器件結(jié)構(gòu)
  FRD的器件結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。器件的基本結(jié)構(gòu)為PIN結(jié)構(gòu)，在背面陰極N++層與ν層中間插入N+緩沖層，形成P/ｖ/N+/N++四層結(jié)構(gòu)，垂直方向的摻雜分布示意圖如圖2所示。在陽(yáng)極周?chē)纬啥嗳型浮置保護(hù)環(huán)，避免陽(yáng)極P區(qū)邊緣提前擊穿，提高FRD耐受的反向電壓范圍。在芯片邊緣形成N+溝道截止層，防止電場(chǎng)延伸到芯片切割邊緣，引起大的漏電流。對(duì)芯片整體進(jìn)行電子輻照，進(jìn)行全局載流子壽命控制。同時(shí)，在陽(yáng)極P區(qū)內(nèi)接近的ν層處，注入輕離子，進(jìn)行局域載流子壽命控制。載流子壽命分布如圖3所示。

 
  具體載流子壽命控制技術(shù)比較如表1所示。摻Pt整體壽命控制型FRD，較多用于電壓等級(jí)600~1700V的IGBT模塊。電子輻照整體壽命控制型FRD，較多用于電壓等級(jí)600~1200V的IGBT模塊。H+或He++高能注入局域壽命控制型FRD，用于電壓等級(jí)大于2500V的IGBT模塊。由于H+或He++高能注入局域壽命控制型FRD性能很好，近年有些公司推出采用此技術(shù)制作的1200V和1700V FRD，但價(jià)格較高。國(guó)際上FRD最先進(jìn)的技術(shù)是輕離子輻照和輕離子輻照并擴(kuò)鉑局域壽命控制技術(shù)，目前只有IXYS、IFX、Vishay、ABB等國(guó)際大廠(chǎng)擁有壟斷。FRD需要大的軟度因子S來(lái)提高可靠性。電子輻照全局壽命控制對(duì)FRD芯片整體引入復(fù)合中心，降低載流子壽命，但是對(duì)軟度沒(méi)有改善效果。輕離子注入FRD的軟度較好。因此結(jié)合電子輻照全局壽命控制和輕離子注入局域壽命控制可以兼顧反向恢復(fù)時(shí)間和軟度。  
  圖3為FRD垂直方向雜質(zhì)濃度分布以及載流子壽命分布示意圖。FRD分為4個(gè)區(qū)：陽(yáng)極區(qū)①為P型摻雜；陽(yáng)極區(qū)②為局域壽命控制區(qū)；③為全局壽命控制區(qū)；④為背面陰極N+區(qū)。  
  （1）為了提高FRD抗浪涌電流和抗動(dòng)態(tài)雪崩的能力，需要提高陽(yáng)極P區(qū)摻雜的濃度，但是這與降低陽(yáng)極發(fā)射效率相矛盾。所以為了提高抗浪涌電流和抗動(dòng)態(tài)雪崩，摻雜比較濃的區(qū)域盡量在P區(qū)表面靠近陽(yáng)極金屬層附近。同時(shí)也要控制陽(yáng)極區(qū)①PN結(jié)附近的P型摻雜濃度不能太高，降低發(fā)射效率，減低反向電流峰值Irrm和減少反向恢復(fù)時(shí)間trr，增加軟度因子S。降低陽(yáng)極區(qū)①摻雜濃度會(huì)使得正向壓降Vf增加，因此需要控制陽(yáng)極區(qū)①的摻雜濃度來(lái)平衡陽(yáng)極發(fā)射率和正向壓降。
  （2）調(diào)節(jié)H+離子注入的能量，使陽(yáng)極附近質(zhì)子產(chǎn)生的感生缺陷區(qū)在抗浪涌電流摻雜區(qū)與PN結(jié)之間，局域壽命控制區(qū)②位置大于為提高浪涌電流增加的摻雜區(qū)。局域壽命控制區(qū)②可以加速反向恢復(fù)時(shí)漂移區(qū)陽(yáng)極附近PN結(jié)附近少數(shù)載流子復(fù)合的速度，電子濃度就會(huì)在更短的時(shí)間內(nèi)降至平衡載流子濃度的水平，關(guān)斷加快。這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是反向電流峰值Irrm下降和軟度因子S增加，缺點(diǎn)是正向壓降Vf也稍有增加。
  （3）通過(guò)電子輻射形成全局壽命控制區(qū)③，其優(yōu)點(diǎn)是反向電流峰值Irrm下降，缺點(diǎn)是正向壓降Vf增加較大。
  （4）背面陰極N+緩沖區(qū)④的雜質(zhì)分布緩變，保證空間電荷區(qū)擴(kuò)展后在靠近陰極的漂移區(qū)內(nèi)還有大量的少數(shù)載流子，使反向恢復(fù)電流能以較慢的速度下降到漏電流的水平，增大反向恢復(fù)電流的下降時(shí)間tf，實(shí)現(xiàn)軟恢復(fù)特性。
  陰極附近的N+緩沖區(qū)是提高軟度因子S的另一個(gè)重要途徑。FRD的場(chǎng)終止層就是在背面N-基區(qū)和N+區(qū)之間摻雜一個(gè)濃度大約為的中等濃度的N區(qū)。N緩沖層場(chǎng)終止結(jié)構(gòu)可將FRD芯片的厚度減得更薄，F(xiàn)RD內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度在場(chǎng)終止層中迅速的下降，F(xiàn)RD正向?qū)ㄌ匦砸驳玫礁纳疲瑢?dǎo)通壓降Vf大幅降低，從而減少開(kāi)通損耗。由于場(chǎng)終止層的存在，可以使得FRD在反向耐壓情況下，其耗盡區(qū)在通過(guò)場(chǎng)終止層結(jié)構(gòu)時(shí)擴(kuò)展明顯減緩，在反向恢復(fù)過(guò)程中，經(jīng)過(guò)少數(shù)載流子存儲(chǔ)時(shí)間ts之后，在場(chǎng)終止層中還有大量的載流子未被復(fù)合或抽走，從而提高了FRD的下降時(shí)間tf，從而提高了FRD的軟度因子。為了發(fā)揮終止層提高FRD軟度因子的作用，有兩個(gè)條件需要滿(mǎn)足：一是功率二極管為穿通型二極管，以保證空間電荷區(qū)展寬能夠進(jìn)入緩沖層；二是控制場(chǎng)終止層的濃度，濃度不宜過(guò)高，以保證場(chǎng)終止層具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，但也不宜過(guò)低，以保證空間電荷區(qū)不會(huì)穿通場(chǎng)終止層。
  采用TCAD軟件對(duì)設(shè)計(jì)的4000V反向擊穿電壓的FRD的導(dǎo)通特性進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖4所示。反向擊穿電壓VBR為4400V。反向恢復(fù)時(shí)間trr為600ns，其中少子存儲(chǔ)時(shí)間ts為370ns，反向電流下降時(shí)間tf為230ns。  
  2. 芯片制造工藝
  載流子壽命控制技術(shù)是縮短反向恢復(fù)時(shí)間的關(guān)鍵工藝。同時(shí)采用H+離子注入輻照局域壽命控制技術(shù)與電子輻照全局壽命控制技術(shù)，平衡壽命控制技術(shù)對(duì)反向恢復(fù)時(shí)間和軟度因子的影響。利用H+離子對(duì)器件軸向部分區(qū)域進(jìn)行輻照，產(chǎn)生區(qū)域復(fù)合中心。由于該區(qū)域厚度較薄，不會(huì)明顯影響器件導(dǎo)通壓降和漏電等參數(shù)。引入的局域復(fù)合中心加快反向恢復(fù)時(shí)PN結(jié)附近少數(shù)載流子的復(fù)合速度，使得電子濃度在很短的時(shí)間內(nèi)降至平衡載流子濃度的水平，加快空間電荷區(qū)建立速度，縮短反向恢復(fù)時(shí)間。通過(guò)優(yōu)化H+離子輻照注入的能量，使H+離子輻照感生的缺陷在陽(yáng)極P區(qū)內(nèi)，使FRD具備良好的軟度特性。陽(yáng)極雜質(zhì)濃度分布如圖5所示。測(cè)試結(jié)果表明離子注入能量750keV以上基本可以滿(mǎn)足注入深度的要求。優(yōu)化電子輻照的劑量達(dá)到既能降低trr，又不影響正向?qū)妷赫臏囟认禂?shù)和良好的高溫特性的目的。  
  襯底采用擴(kuò)散片引入場(chǎng)終止層結(jié)構(gòu)來(lái)改善FRD的軟度因子S，并提高器件的高溫耐壓特性。擴(kuò)散片（Diffusion Wafer，DW）作為襯底材料，預(yù)先在襯底背面引入了緩沖層,無(wú)需高能注入工藝就能形成場(chǎng)終止層，省去了芯片工藝中通過(guò)昂貴高能注入設(shè)備來(lái)形成場(chǎng)終止層的相關(guān)工藝步驟。擴(kuò)散片襯底與區(qū)熔單晶的成本接近，極大節(jié)省了制造成本。目前FRD采用擴(kuò)散片作為襯底材料，原始厚度遠(yuǎn)低于常規(guī)6英寸材料625μm的厚度，芯片生產(chǎn)線(xiàn)前道需要經(jīng)過(guò)特別改造與優(yōu)化才能具備薄片流片的條件。擴(kuò)散片的結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。  
  背面N+區(qū)激活采用激光退火提高激活效率形成歐姆接觸，同時(shí)增加陰極區(qū)的的載流子壽命，這有利于提高器件的軟度因子。
  高壓終端保護(hù)結(jié)構(gòu)采用SIPOS。傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝基于Si-SiO2系統(tǒng)鈍化層主要不足之處有：Si-SiO2界面固定正電荷，會(huì)造成N型硅表面電子積累和P型硅表面反型；不能防止絕緣層電荷積累和Na+、K+等堿金屬離子沾污；熱載流子注入到絕緣層中會(huì)儲(chǔ)存和長(zhǎng)期停留。以上問(wèn)題都會(huì)導(dǎo)致半導(dǎo)體表面電導(dǎo)率變化，進(jìn)而影響器件擊穿電壓、穩(wěn)定性與可靠性。相對(duì)的，半絕緣多晶硅（SIPOS）的主要特點(diǎn)是：SIPOS電中性、本身不帶固定電荷，半絕緣膜中允許有微弱電流流過(guò)，緩解了勢(shì)壘表面電場(chǎng)，提高PN結(jié)擊穿電壓；由外界環(huán)境感生的電荷不堆積在Si表面而是流入半絕緣膜中，被膜中陷阱捕獲，形成屏蔽外電場(chǎng)的空間電荷區(qū)，硅片表面不受外電場(chǎng)影響；SIPOS膜中含有氧原子，降低了界面態(tài)密度，降低了漏電流。因此，相對(duì)于Si-SiO2系統(tǒng)鈍化層，SIPOS可以改善FRD器件的反向擊穿電壓、高溫穩(wěn)定性和可靠性。SIPOS性能主要由含氧量決定，需要精確控制膜內(nèi)含氧量，過(guò)大或小的含氧量都會(huì)使膜層失效。SIPOS薄膜的加工工藝要求極高，對(duì)爐管溫度、氣體流量比、壓力、時(shí)間以及與后續(xù)工藝之間的等待時(shí)間都將直接影響SIPOS膜的特性性能。SIPOS的截面SEM如圖7所示。  
  3. 器件制造及測(cè)試結(jié)果
  SIPOS絕緣層對(duì)FRD反向擊穿電壓的影響如圖8所示。對(duì)反向擊穿電壓設(shè)計(jì)目標(biāo)值為1200V的FRD芯片進(jìn)行了測(cè)試，10個(gè)采用SIPOS絕緣層的FRD的平均反向擊穿電壓為1330V；相對(duì)應(yīng)10個(gè)未采用SIPOS絕緣層的FRD的平均反向擊穿電壓為1270V。SIPOS將平均反向擊穿電壓提高了60V，效果明顯。  
  FRD測(cè)試結(jié)果匯總?cè)绫?所示，并將IFX和IXYS同類(lèi)產(chǎn)品列入其中進(jìn)行對(duì)比。其中正向?qū)妷篤f和反向擊穿電壓與IFX和IXYS同類(lèi)產(chǎn)品指標(biāo)相當(dāng)，反向恢復(fù)時(shí)間為100~200ns，略小于IFX和IXYS的同類(lèi)產(chǎn)品。相應(yīng)的，反向恢復(fù)功耗也低于IFX和IXYS的同類(lèi)產(chǎn)品。在25℃和125℃測(cè)試得到的反向IV特性曲線(xiàn)如圖9所示。FRD在25℃和125℃的方向擊穿電壓分別為1270V和1110V。在25~325℃范圍內(nèi)的反向擊穿電壓特性如圖10所示，反向擊穿電壓在1130~1340V范圍內(nèi)，并無(wú)明顯隨溫度變化的趨勢(shì)，也沒(méi)有顯著偏離反向擊穿電壓設(shè)計(jì)值，F(xiàn)RD的溫度穩(wěn)定性良好。    
  4. 結(jié)語(yǔ)
  測(cè)試結(jié)果表明器件性能達(dá)到國(guó)際同類(lèi)高性能FRD器件的水平。同時(shí)采用H+注入輻照局域壽命控制技術(shù)與電子輻照全局壽命控制技術(shù)，兼顧低反向恢復(fù)時(shí)間和高軟度因子兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。通過(guò)優(yōu)化H+輻照注入的能量與電子輻照的計(jì)量，使局域壽命控制區(qū)位于在陽(yáng)極P區(qū)內(nèi)，使FRD具備良好的軟度特性。同時(shí)電子輻照引入全局壽命控制區(qū)，有利于降低反向恢復(fù)時(shí)間trr。
  通過(guò)在襯底擴(kuò)散層背面引入N+緩沖層形成場(chǎng)終止結(jié)構(gòu)，使得FRD內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度在場(chǎng)終止層中迅速的下降，F(xiàn)RD正向?qū)ㄌ匦缘玫礁纳?，?dǎo)通壓降Vf也大幅降低，從而減少開(kāi)通損耗。FRD的襯底采用擴(kuò)散片引入場(chǎng)終止層結(jié)構(gòu)極大地改善了的軟度因子，具有很好的高溫耐壓特性。
  采用激光退火提高背面N++層激活效率形成歐姆接觸，增加陰極區(qū)的的載流子壽命，這也提高了軟度因子。采用半絕緣多晶硅制造高壓終端保護(hù)結(jié)構(gòu)，提高了反向擊穿電壓和可靠性。



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