第一代到第六代IGBT设计和制造技术的发展概况

1、第一代到第六代 IGBT 设计和制造技术的发展概况 愿本文能顺利地为未接触过半导体工艺技术的 IGBT 使用者提供 参考（一）引言：据报道， IGBT 功率半导体器件自上世纪八十年代中 期问世后，受到应用者的热烈欢迎，大量使用在电力电子装置上，使 装置进入了一个突飞猛进阶段。 IGBT 也越来越深入人心。初期的 IGBT 存在了很多不足的地方， 使应用受到了极大的限制。 其后人们针对其存在的不足， 作了不断改进。 行内习惯按改进次序排 列，现今 IGBT 已进入到第六代。可以这么说每一次改进都有一个飞 跃。（二）了解一下半导体虽然 IGBT 的应用者需要了解的只是 IGBT 规格、型号、性能、

2、 参数和应用须知就够了， 但不妨了解一下半导体器件最基本的知识对 阅读本文是有帮助的。IGBT 是一种功率半导体器件。器件的制作就是在薄薄的一层均 匀的半导体硅晶片中按设计方案用特定的工艺手段做成不同功能的 若干小区域 （可能大家已有了解的所谓 PN 结、高阻层、高浓度杂质低 阻区、绝缘层、原胞、发射极、集电极、栅极等 ），而且按要求连接成回路。各个小的功能区的厚薄、大小、位置、杂质性质、杂质浓度 甚至杂质浓度分布如浓度梯度都会给器件性能带来极大的影响。所有半导体器件（含微电子、集成电路等）设计和制作就是在硅晶片中做这 样的结构文章。如何去制作不同结构的小区域 （即晶片内结构），则需 用各种半

3、导体制作工艺（如扩散工艺、外延工艺、离子注入工艺、辐 照工艺、光刻工艺、沟槽工艺等）及相关的专用设备和工艺条件（如不 同级别的原料、辅料及洁净厂房等）。举例说来，同是功率半导体器 件的可控硅和IGBT芯片结构就大不一样。可控硅电流再大、电压再 高，只有一个单独的芯片。IGBT则是利用MOS集成电路工艺，在 一个大硅晶片上制成若干个可分割的芯片， 每个芯片中又有不少的同 样结构的原胞并联组成（见下图），然后在封装时根据需要把芯片组成 回路或把芯片并联制成大电流的单管、桥臂等模块。此例只是两者芯 片内结构差异中的一个小例而已，其它差异多得是，不胜枚举。IGBT芯片中 唐胞分布昭片站BT芯n訓面西中

4、的两"T世和斥芮图（三）IGBT的发展过程IGBT 中文名为 “绝缘栅双极型晶体管 ”，是一种 MOS 功率器件（MOSFET）和大功率双极型晶体管（GTR）混合型电力电子器件。它的 控制信号输入是 MOS 型的，与器件的晶片绝缘 （常称绝缘栅 ），利用 感应原理输入信号。 20世纪七十年代出现的 MOSFET 就是这样一种 输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单、开关速度高的 MOS 器件。 它的缺点是导通电阻大、 电流通过能力受到限制， 还有器件承受工作 电压能力也极其有限。当人们把 MOSFET 绝缘栅技术结合到大功率 双极型晶体管（GTR）上就出现了面目全新的IGBT，当时从原

5、理上论 证它应该具有电流密度大、饱和压降低、电流处理能力强、开关速度 快等优点。但实际并非如此，甚至第一代 IGBT 在改进前实用意义不 大。于是从上世纪八十年代中到本世纪初这二十年中， IGBT 在上述 两者结合的基础上走过了六次大改进的路程，常称六代 （德国称四代 ） 这个过程是很艰苦的， 面对的是大量的结构设计调整和工艺上的难题。 下表概括了六次改进所采取的技术措施和改进后的效果。六代 IGBT 的变迁与特性改进表氐技术特点命名户芯片面尿柏对值工艺卩（:徽来”和压欝伏*关斷*Rh司屮（趣）*功率攝耗屮（拥朋値2电压4'（伏Z出现永 时间+， yI*3平面穿邇型（FT"3

6、310019SS-改进的平面穿適型（PT）2如0.30P74<50QP199(h-沟槽型1 trench）心W2.0Q济12(XM1992卫韭穿通型（MPT,1.V0.23P3j00p1997电场截ihCFS）厂2冲ONL幷0一1如45 WP20Q1-P 沟槽型电场-熬止型C FS-Tisndi） *2护0.舁畑0和那(MR2003（四）IGBT技术改进的追求目标及效果分析1, 减小通态压降。达到增加电流密度、降低通态功率损耗的目 的。2, 降低开关时间，特别是关断时间。达到提高应用时使用频率、 降低开关损耗的目的。3, 组成IGBT的大量原胞”在工作时是并联运行，要求每个原 胞在工作温

7、度允许范围内温度变化时保持压降一致，达到均流目的。否则会造成IGBT器件因个别原胞过流损坏而损坏。4, 提高断态耐压水平，以满足应用需要。上表列出数据表明:1，在同样工作电流下芯片面积、通态饱和压降、功率损耗逐代 下降。关断时间也是逐代下降。而且下降幅度很大。达到了增加电流 密度、降低功率损耗的目的。2, 表上列出的 断态电压”即是Vceo,发射极和集电极之间耐压。这是应用需要提出的越来越高的要求，（五）采取了哪些技术改进措施在硅晶片上做文章,有很多新技术、新工艺。 IGBT 技术改进措 施主要有下面几个方面：1, 为了提高工作频率降低关断时间,第一代、第二代早期产品 曾采用过 “辐照”手段,

8、但却有增加通态压降 （会增加通态功耗 ）的反作 用危险。2, 第一代与第二代由于体内晶体结构本身原因造成 “负温度系 数”,造成各 IGBT 原胞通态压降不一致,不利于并联运行,因此当 时的 IGBT 电流做不大。此问题在第四代产品中采用了 “透明集电区 技术”,产生正温度系数效果后基本解决了,保证了 （四）3 中目标的实 现。3, 第二代产品采用 “电场中止技术 ”,增加一个 “缓冲层 ”,这样 可以用较薄的晶片实现相同的耐压 （击穿电压）。因为晶片越薄, ,饱和 压降越小,导通功耗越低。此技术往往在耐压较高的 IGBT 上运用效 果明显。耐压较低的如几百伏的 IGBT 产品，晶片本来就薄，

9、再减薄到如 100到 150微米的话，加工过程极容易损坏晶片。4，第三代产品是把前两代平面绝缘栅设计改为沟槽栅结构，即 在晶片表面栅极位置垂直刻槽深入晶片制成绝缘栅。 栅极面积加大但 占用晶片位置减小，增加了栅极密度。工作时增强了电流导通能力， 降低了导通压降。5, 第四代非穿通型IGBT（NPT）产品不再采用 外延”技术，代之 以“硼离子注入 ”方法生成集电极，这就是 （五）2 中提到的 “透明集电区 技术”。除已提到的产生正温度系数、便于并联运行的功能外,主要 还有：5.1 不必用辐照技术去减少关断时间,因为 “透明集电区技术 ”也 有此功能。因此不存在辐照使通态压降增加而增加通态损耗的可

10、能。 即（五）1 中提到的 “危险”。5.2 不采用 “外延”工艺和 “辐照”工艺,可以减低制造成本。6, 表中所列的第五、第六代产品是在 IGBT 经历了上述四次技 术改进实践后对各种技术措施的重新组合。 第五代 IGBT 是第四代产 品“透明集电区技术 ”与“电场中止技术 ”的组合。第六代产品是在第五 代基础上改进了沟槽栅结构,并以新的面貌出现。请注意表中第五季第六代产品的各项指标改进十分明显， 尤其是承受工作电压水平从第四代的 3300V提高到6500V,这是一个极大 的飞跃。上述几项改进技术已经在各国产品中普遍采用， 只是侧重面有所 不同。除此以外，有报道介绍了一些其它技术措施如： 内

11、透明集电极、 砷掺杂缓冲层、基板薄膜化、软穿通技术等。7，世界各 IGBT 制造公司的技术动态7.1 低功率 IGBT摩托罗拉、 ST 半导体、三菱等公司推出低功率 IGBT 产品，应 用范围一般都在 600V、1KA 、1KHz 以上区域。7.2 NPT-IGBT在设计 6001200V 的 IGBT 时， NPTIGBT 可靠性最高， 正成 为 IGBT 发展方向。西门子公司可提供 600V、1200V、1700V 系列产 品和6500V高压IGBT，并推出低饱和压降 DLC型NPTIGBT，依 克赛斯、哈里斯、英特西尔、东芝等公司也相继研制出 NPTIGBT 及其模块系列，富士电机、摩托

12、罗拉等在研制之中。7.3 SDB-IGBT三星、快捷等公司采用 SDB( 硅片直接键合 )技术，在 IC 生产线 上制作第四代高速 IGBT 及模块系列产品，特点为高速，低饱和压降， 低拖尾电流， 正温度系数易于并联， 在 600V 和 1200V 电压范围性能 优良，分为 UF、 RUF 两大系统。7.4 超快速 IGBT国际整流器 IR 公司研制的超快速 IGBT 可最大限度地减少拖尾 效应，关断时间不超过2000ns,采用特殊高能照射分层技术，关断时 间可在100 ns以下，拖尾更短，重点产品有 6种型号。7.5 IGBT 功率模块IGBT 功率模块从复合功率模块 PIM 发展到智能功率模块 IPM 、 电力电子积木PEBB、电力模块IPEM。PIM向高压大电流发展，其 产品水平为 1200 1800A/18003300V，IPM 600A/2000V。大电流 IGBT 模块,有源器件 PEBB 采用平面低电感封装技术。 IPEM 采用 共烧瓷片多芯片模块技术， 组装的 PEBB 大大降低电路接线电感， 提 高系统效率。智能化、模块化成为 I