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高性能場終止壽命控制FRD芯片工藝研究

作者:海飛樂技術 時間:2019-02-14 11:07

  以快恢復二極管(FRD)與絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)為代表的功率器件廣泛應用于新能源汽車南方彩票平台、光伏、智能電網、軌道牽引、工業變頻等重要場合,有非常重要的戰略意義與市場價值南方彩票平台。FRD廣泛應用于功率電子中,一般與IGBT反并聯,為負載中的無功電流提供回路,減少電容的放電時間,同時抑制負載電流的瞬時反向引起的高感應電壓。為了匹配越來越快的電路開關速度和越來越復雜的應用環境,FRD必須滿足開關速度快、靜態和動態損耗低、反向恢復時間短和較好的軟恢復特性等要求。
 
  載流子壽命控制和器件結構優化是實現高性能FRD關鍵技術南方彩票平台。載流子壽命控制技術是降低反向恢復時間的關鍵技術之一,通過在器件的基區引入深能級產生復合中心,降低載流子的壽命,降低正向導通時基區的存儲電荷總量,并加速反向關斷時少數載流子的復合,進而降低反向恢復時間。載流子壽命控制技術根據引入的產生復合中心的位置可以分為全局載流子壽命控制技術和局域載流子壽命控制技術兩類南方彩票平台。全局載流子壽命控制技術,也稱軸向均勻壽命控制技術,通過擴金、鉑等深能級雜質和電子輻照對FRD芯片整體引入復合中心,降低載流子壽命。局域載流子壽命控制技術也稱軸向局域壽命控制技術)南方彩票平台,通過高能H+或He++等離子輻照在FRD一定深度區域感生缺陷南方彩票平台,在局部區域降低載流子壽命。輕離子輻照壽命控制技術具有正向導通壓降小、反向漏電流低、軟度因子高和溫度穩定性高的優點,是實現高性能FRD的關鍵技術,目前只有IXYS、Vishay和ABB等國際大廠采用。電力電子系統一般功率都很大,系統復雜,使用器件數目巨多南方彩票平台。這些應用特點決定功率器件對可靠性要求極高,使用壽命要求大于10年,甚至達到30年。為了達到高可靠性南方彩票平台,這要求FRD軟度因子S比較高。除了選擇局域壽命控制技術外,還可以在FRD背面引入中等摻雜濃度的N緩沖層形成場終止層(Field Stop,FS)來優化器件結構,增加基區中的存儲電荷,提高反向復合時間南方彩票平台,從而提高FRD的軟度因子S南方彩票平台。
 
  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來縮短FRD的反向恢復時間,采用緩沖層結構提高軟度因子S,并且采用了復合鈍化層增強器件的長期穩定性,實現了快速高可靠性的FRD芯片。測試結果表明南方彩票平台,1200V系列FRD的反向恢復時間為100~200ns南方彩票平台,正向導通電壓為1.6~2.0V南方彩票平台,反向擊穿電壓為1270~1380V南方彩票平台,與國際同類器件性能相當。
 
  1. FRD器件結構
  FRD的器件結構示意圖如圖1所示南方彩票平台南方彩票平台。器件的基本結構為PIN結構,在背面陰極N++層與ν層中間插入N+緩沖層,形成P/v/N+/N++四層結構,垂直方向的摻雜分布示意圖如圖2所示。在陽極周圍形成多圈P型浮置保護環,避免陽極P區邊緣提前擊穿南方彩票平台,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,防止電場延伸到芯片切割邊緣南方彩票平台,引起大的漏電流。對芯片整體進行電子輻照,進行全局載流子壽命控制。同時,在陽極P區內接近的ν層處,注入輕離子,進行局域載流子壽命控制。載流子壽命分布如圖3所示。

FRD器件結構示意圖 
圖1 FRD器件結構示意圖
垂直方向摻雜濃度分布示意圖 
圖2 垂直方向摻雜濃度分布示意圖
 
  具體載流子壽命控制技術比較如表1所示南方彩票平台。摻Pt整體壽命控制型FRD南方彩票平台,較多用于電壓等級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制作的1200V和1700V FRD,但價格較高南方彩票平台。國際上FRD最先進的技術是輕離子輻照和輕離子輻照并擴鉑局域壽命控制技術,目前只有IXYS、IFX、Vishay、ABB等國際大廠擁有壟斷。FRD需要大的軟度因子S來提高可靠性。電子輻照全局壽命控制對FRD芯片整體引入復合中心,降低載流子壽命,但是對軟度沒有改善效果。輕離子注入FRD的軟度較好。因此結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時間和軟度。
表1 不同的載流子壽命控制技術的對比
不同的載流子壽命控制技術的對比 
 
  圖3為FRD垂直方向雜質濃度分布以及載流子壽命分布示意圖南方彩票平台。FRD分為4個區:陽極區①為P型摻雜;陽極區②為局域壽命控制區;③為全局壽命控制區南方彩票平台;④為背面陰極N+區。
垂直方向濃度分布及載流子壽命分布示意圖 
圖3 垂直方向濃度分布及載流子壽命分布示意圖
 
  (1)為了提高FRD抗浪涌電流和抗動態雪崩的能力,需要提高陽極P區摻雜的濃度,但是這與降低陽極發射效率相矛盾。所以為了提高抗浪涌電流和抗動態雪崩,摻雜比較濃的區域盡量在P區表面靠近陽極金屬層附近。同時也要控制陽極區①PN結附近的P型摻雜濃度不能太高,降低發射效率,減低反向電流峰值Irrm和減少反向恢復時間trr,增加軟度因子S南方彩票平台。降低陽極區①摻雜濃度會使得正向壓降Vf增加,因此需要控制陽極區①的摻雜濃度來平衡陽極發射率和正向壓降。
  (2)調節H+離子注入的能量南方彩票平台,使陽極附近質子產生的感生缺陷區在抗浪涌電流摻雜區與PN結之間,局域壽命控制區②位置大于為提高浪涌電流增加的摻雜區。局域壽命控制區②可以加速反向恢復時漂移區陽極附近PN結附近少數載流子復合的速度,電子濃度就會在更短的時間內降至平衡載流子濃度的水平,關斷加快南方彩票平台。這樣設計的優點是反向電流峰值Irrm下降和軟度因子S增加,缺點是正向壓降Vf也稍有增加。
  (3)通過電子輻射形成全局壽命控制區③,其優點是反向電流峰值Irrm下降,缺點是正向壓降Vf增加較大。
  (4)背面陰極N+緩沖區④的雜質分布緩變,保證空間電荷區擴展后在靠近陰極的漂移區內還有大量的少數載流子,使反向恢復電流能以較慢的速度下降到漏電流的水平,增大反向恢復電流的下降時間tf,實現軟恢復特性南方彩票平台。
  陰極附近的N+緩沖區是提高軟度因子S的另一個重要途徑。FRD的場終止層就是在背面N-基區和N+區之間摻雜一個濃度大約為計算公式的中等濃度的N區南方彩票平台。N緩沖層場終止結構可將FRD芯片的厚度減得更薄,FRD內部的電場強度在場終止層中迅速的下降,FRD正向導通特性也得到改善南方彩票平台,導通壓降Vf大幅降低,從而減少開通損耗。由于場終止層的存在,可以使得FRD在反向耐壓情況下,其耗盡區在通過場終止層結構時擴展明顯減緩,在反向恢復過程中,經過少數載流子存儲時間ts之后南方彩票平台,在場終止層中還有大量的載流子未被復合或抽走,從而提高了FRD的下降時間tf,從而提高了FRD的軟度因子南方彩票平台。為了發揮終止層提高FRD軟度因子的作用,有兩個條件需要滿足:一是功率二極管為穿通型二極管,以保證空間電荷區展寬能夠進入緩沖層;二是控制場終止層的濃度,濃度不宜過高南方彩票平台,以保證場終止層具有電導調制效應,但也不宜過低,以保證空間電荷區不會穿通場終止層。
  采用TCAD軟件對設計的4000V反向擊穿電壓的FRD的導通特性進行仿真南方彩票平台,結果如圖4所示。反向擊穿電壓VBR為4400V。反向恢復時間trr為600ns,其中少子存儲時間ts為370ns,反向電流下降時間tf為230ns。
反向擊穿特性曲線 
(a)反向擊穿特性曲線
反向恢復特性曲線 
(b)反向恢復特性曲線
圖4 FDR靜態和動態特性仿真結果
 
  2. 芯片制造工藝
  載流子壽命控制技術是縮短反向恢復時間的關鍵工藝。同時采用H+離子注入輻照局域壽命控制技術與電子輻照全局壽命控制技術,平衡壽命控制技術對反向恢復時間和軟度因子的影響。利用H+離子對器件軸向部分區域進行輻照,產生區域復合中心南方彩票平台。由于該區域厚度較薄南方彩票平台南方彩票平台,不會明顯影響器件導通壓降和漏電等參數。引入的局域復合中心加快反向恢復時PN結附近少數載流子的復合速度,使得電子濃度在很短的時間內降至平衡載流子濃度的水平,加快空間電荷區建立速度南方彩票平台,縮短反向恢復時間。通過優化H+離子輻照注入的能量南方彩票平台,使H+離子輻照感生的缺陷在陽極P區內南方彩票平台,使FRD具備良好的軟度特性。陽極雜質濃度分布如圖5所示。測試結果表明離子注入能量750keV以上基本可以滿足注入深度的要求南方彩票平台。優化電子輻照的劑量達到既能降低trr,又不影響正向導通電壓正的溫度系數和良好的高溫特性的目的。
陽極雜質濃度分布 
圖5 陽極雜質濃度分布
 
  襯底采用擴散片引入場終止層結構來改善FRD的軟度因子S,并提高器件的高溫耐壓特性。擴散片(Diffusion Wafer,DW)作為襯底材料南方彩票平台,預先在襯底背面引入了緩沖層,無需高能注入工藝就能形成場終止層,省去了芯片工藝中通過昂貴高能注入設備來形成場終止層的相關工藝步驟南方彩票平台。擴散片襯底與區熔單晶的成本接近南方彩票平台,極大節省了制造成本南方彩票平台。目前FRD采用擴散片作為襯底材料,原始厚度遠低于常規6英寸材料625μm的厚度,芯片生產線前道需要經過特別改造與優化才能具備薄片流片的條件。擴散片的結構示意圖如圖6所示。
擴散片的結構示意圖 
圖6 擴散片的結構示意圖
 
  背面N+區激活采用激光退火提高激活效率形成歐姆接觸南方彩票平台,同時增加陰極區的的載流子壽命,這有利于提高器件的軟度因子。
  高壓終端保護結構采用SIPOS。傳統半導體工藝基于Si-SiO2系統鈍化層主要不足之處有:Si-SiO2界面固定正電荷,會造成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+等堿金屬離子沾污南方彩票平台;熱載流子注入到絕緣層中會儲存和長期停留。以上問題都會導致半導體表面電導率變化,進而影響器件擊穿電壓、穩定性與可靠性。相對的,半絕緣多晶硅(SIPOS)的主要特點是: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南方彩票平台,緩解了勢壘表面電場,提高PN結擊穿電壓;由外界環境感生的電荷不堆積在Si表面而是流入半絕緣膜中,被膜中陷阱捕獲南方彩票平台,形成屏蔽外電場的空間電荷區南方彩票平台,硅片表面不受外電場影響;SIPOS膜中含有氧原子,降低了界面態密度南方彩票平台,降低了漏電流。因此南方彩票平台,相對于Si-SiO2系統鈍化層,SIPOS可以改善FRD器件的反向擊穿電壓、高溫穩定性和可靠性。SIPOS性能主要由含氧量決定,需要精確控制膜內含氧量,過大或小的含氧量都會使膜層失效。SIPOS薄膜的加工工藝要求極高,對爐管溫度南方彩票平台、氣體流量比、壓力、時間以及與后續工藝之間的等待時間都將直接影響SIPOS膜的特性性能。SIPOS的截面SEM如圖7所示南方彩票平台。
SIPOS的截面SEM 
圖7 SIPOS的截面SEM
 
  3. 器件制造及測試結果
  SIPOS絕緣層對FRD反向擊穿電壓的影響如圖8所示南方彩票平台。對反向擊穿電壓設計目標值為1200V的FRD芯片進行了測試,10個采用SIPOS絕緣層的FRD的平均反向擊穿電壓為1330V;相對應10個未采用SIPOS絕緣層的FRD的平均反向擊穿電壓為1270V南方彩票平台。SIPOS將平均反向擊穿電壓提高了60V南方彩票平台,效果明顯。
SIPOS對FRD擊穿電壓的影響 
圖8 SIPOS對FRD擊穿電壓的影響
 
  FRD測試結果匯總如表2所示,并將IFX和IXYS同類產品列入其中進行對比。其中正向導通電壓Vf和反向擊穿電壓與IFX和IXYS同類產品指標相當,反向恢復時間為100~200ns,略小于IFX和IXYS的同類產品。相應的,反向恢復功耗也低于IFX和IXYS的同類產品。在25℃和125℃測試得到的反向IV特性曲線如圖9所示南方彩票平台。FRD在25℃和125℃的方向擊穿電壓分別為1270V和1110V南方彩票平台。在25~325℃范圍內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,并無明顯隨溫度變化的趨勢,也沒有顯著偏離反向擊穿電壓設計值,FRD的溫度穩定性良好南方彩票平台。
FRD不同溫度下的IV特性 
圖9 FRD不同溫度下的IV特性
FRD反向擊穿電壓的溫度特性仿真結果 
圖10 FRD反向擊穿電壓的溫度特性仿真結果
 
表2  FRD測試結果
FRD測試結果 
               注:(FRD*為本文研究器件)
 
  4. 結語
  測試結果表明器件性能達到國際同類高性能FRD器件的水平南方彩票平台。同時采用H+注入輻照局域壽命控制技術與電子輻照全局壽命控制技術南方彩票平台,兼顧低反向恢復時間和高軟度因子兩個關鍵指標。通過優化H+輻照注入的能量與電子輻照的計量南方彩票平台,使局域壽命控制區位于在陽極P區內南方彩票平台,使FRD具備良好的軟度特性。同時電子輻照引入全局壽命控制區,有利于降低反向恢復時間trr。
  通過在襯底擴散層背面引入N+緩沖層形成場終止結構南方彩票平台,使得FRD內部的電場強度在場終止層中迅速的下降,FRD正向導通特性得到改善,導通壓降Vf也大幅降低,從而減少開通損耗。FRD的襯底采用擴散片引入場終止層結構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,增加陰極區的的載流子壽命南方彩票平台,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結構,提高了反向擊穿電壓和可靠性。




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