Yi Xiang Bong*

意法半導(dǎo)體技術(shù)開發(fā)與導(dǎo)入

Zhi Lin Sim

南洋理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 David Goh

意法半導(dǎo)體技術(shù)開發(fā)與導(dǎo)入

Ignazio Bertuglia

意法半導(dǎo)體IGBT設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)

Marianna Rita Alfano

意法半導(dǎo)體IGBT設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)

Fang Hao Foo

意法半導(dǎo)體技術(shù)開發(fā)與導(dǎo)入

Wei Mien Chin

意法半導(dǎo)體技術(shù)開發(fā)與導(dǎo)入

摘要

在先進(jìn)的反向?qū)ń^緣柵雙極晶體管（RCIGBT）中，低導(dǎo)通電壓降（Vce(sat)）和集成二極管正向電壓（VF）對(duì)于有效減少導(dǎo)通損耗至關(guān)重要。盡管擴(kuò)大RCIGBT中的集成二極管可減小反向?qū)ㄆ陂g的VF，但由于此類參數(shù)間的固有平衡關(guān)系，此舉也會(huì)加劇回彈效應(yīng)并削弱正向?qū)ㄐ阅?。本文?yōu)化了集成二極管與IGBT的面積比，并在p體區(qū)域附近執(zhí)行了接觸注入。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在不影響Vce(sat)的情況下，VF提高了35%。此外，硅電極界面內(nèi)的接觸電阻顯著降低，器件的性能也隨之提升。

關(guān)鍵詞：RCIGBT、Vce(sat)、VF、集成二極管、接觸注入

01 引言

自20世紀(jì)70年代末問(wèn)世以來(lái)[1]，絕緣柵雙極晶體管（IGBT）已成為廣泛應(yīng)用于中高壓電力電子（600V至6.5kV）領(lǐng)域的產(chǎn)品之一[1-3]。近年來(lái)，盡管碳化硅（SiC）等先進(jìn)材料因預(yù)示著新一代功率轉(zhuǎn)換器而廣受關(guān)注，但硅基IGBT因其優(yōu)異的高開關(guān)速度能力、低導(dǎo)通損耗和技術(shù)成熟度，仍是用于電壓逆變器的主要開關(guān)器件。

功率MOSFET自帶反并聯(lián)體二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)反向電流傳導(dǎo)，相比之下，傳統(tǒng)的IGBT通常需要借助外部的反并聯(lián)續(xù)流二極管（FWD）來(lái)傳導(dǎo)反向電流。無(wú)論是在單獨(dú)的封裝中制造，還是在模塊內(nèi)連接晶片，兩種器件都會(huì)增加硅、鍵合和封裝相關(guān)的額外成本。有鑒于此，如圖1所示，通過(guò)將IGBT和反并聯(lián)二極管集成到同一結(jié)構(gòu)中，反向?qū)↖GBT（RCIGBT）便可實(shí)現(xiàn)雙向?qū)?。其方式是在IGBT的單元結(jié)構(gòu)中引入與P+集電極短接的N+陽(yáng)極區(qū)域。與傳統(tǒng)IGBT相比，RCIGBT具備諸多明顯優(yōu)勢(shì)，如高功率密度、低成本和小體積封裝等[4]。

▲圖1. 650V RCIGBT的原理圖

如圖2所示，RCIGBT中集成二極管的規(guī)格和要求因應(yīng)用而異。例如，在功率因數(shù)校正（PFC）和焊接應(yīng)用中，由于低儲(chǔ)備傳導(dǎo)需求，使用最小額定值的二極管即可滿足需求。二極管主要發(fā)揮被動(dòng)作用，側(cè)重于實(shí)現(xiàn)反向過(guò)電壓保護(hù)，而非主動(dòng)開關(guān)。由于對(duì)二極管效率的要求較低，用戶無(wú)需過(guò)度關(guān)注正向電壓（VF）等參數(shù)。而對(duì)于感應(yīng)加熱和電機(jī)控制應(yīng)用，VF則十分關(guān)鍵。由于二極管會(huì)主動(dòng)為IGBT分擔(dān)工作負(fù)載，因此在理想狀況下應(yīng)盡量減小VF，以減少諧振工作期間的導(dǎo)通損耗。

▲圖2. 針對(duì)不同650V RCIGBT應(yīng)用的特定集成二極管額定值要求

盡管具備一定的優(yōu)勢(shì)，但RCIGBT易導(dǎo)致電壓折返，即所謂的回彈效應(yīng)[5-6]。因此，在正向?qū)ㄆ陂g存在相對(duì)較高的導(dǎo)通狀態(tài)電壓降（Vce(sat)）。近期，研究人員報(bào)道了許多抑制回彈的方法，但關(guān)于反向?qū)ㄆ陂g二極管特性的研究少之又少。此外，RCIGBT還需考慮VF和Vce(sat)之間的平衡[7]。因此，為同時(shí)滿足低Vce(sat)和VF并消除回彈現(xiàn)象，本文優(yōu)化了集成二極管與IGBT的面積比，并通過(guò)硼（B+）接觸注入來(lái)解耦并促進(jìn)平衡。

02 實(shí)驗(yàn)

圖1顯示了650V RCIGBT器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其中溝槽深度5.0μm、溝槽間距4.0μm。其獨(dú)有特征是N+短接與P+集電極區(qū)域直接接觸。在本實(shí)驗(yàn)中，表I總結(jié)了固定晶片尺寸下不同集成二極管與IGBT的面積比。

▲表I. 不同集成二極管與IGBT的面積比

然而，受集成二極管影響，RCIGBT的結(jié)構(gòu)和工藝相當(dāng)復(fù)雜。為解決該問(wèn)題，本文在接觸反應(yīng)離子蝕刻（RIE）制造后添加了B+接觸注入和不同的退火條件，如表II所示。隨后，在25°C下柵極-發(fā)射極電壓（Vge）為15V的正向?qū)顟B(tài)下測(cè)試Vce(sat)，同時(shí)在反向?qū)顟B(tài)下測(cè)試VF。兩項(xiàng)測(cè)試均通過(guò)掃描電壓進(jìn)行，直至電流達(dá)到20A為止。

▲表II. OST接觸注入和退火條件

03 結(jié)果和討論

如圖3所示，面積比為1:3.3、1:2.4和1:1.9時(shí)，15A二極管電流（ID）下的VF分別為2.09V、1.91V和1.85V。如圖4所示，面積比為1:3.3、1:2.4和1:1.9時(shí)，15A集電極電流（IC）下的Vce(sat)分別為1.15V、1.16V和1.17V。結(jié)果表明，在IGBT導(dǎo)通模式下未觀察到回彈效應(yīng)。

▲圖3. 二極管反向?qū)〞r(shí)的導(dǎo)通特性

▲圖4. IGBT正向?qū)〞r(shí)的導(dǎo)通特性

顯然，理想情況下需盡可能降低VF，即進(jìn)一步增加二極管與IGBT的面積比。然而，潛在的回彈現(xiàn)象仍會(huì)對(duì)此造成阻礙。不同面積比的影響在下文（1）和（2）中得到了進(jìn)一步的說(shuō)明[8]：

其中IS代表反向飽和電流；q代表電子電荷（1.602×10-19）；k代表玻爾茲曼常數(shù)（1.381×10-23J/k）；T代表絕對(duì)溫度（開爾文）；AD代表二極管橫截面積。

在集成二極管中，IS是由少數(shù)載流子從中性區(qū)擴(kuò)散到耗盡區(qū)引起的[8]。從（2）可以看出，由于IS與AD成正比，通過(guò)將（2）與（1）結(jié)合，AD的變化顯然會(huì)對(duì)VF造成影響。由于ID恒定，提高AD盡管會(huì)增強(qiáng)IS并降低VF，但也會(huì)在無(wú)意中觸發(fā)回彈，這是因?yàn)榛貜椥?yīng)只能被抑制而無(wú)法被徹底消除[9]。根據(jù)結(jié)果，我們可以推斷出集成二極管與IGBT的理想面積比為1:1.9。此外，為了在不擴(kuò)大二極管面積并維持RCIGBT晶片尺寸的情況下優(yōu)化二極管的VF特性，本文還額外研究了樣品的接觸注入和退火條件。

圖5顯示了VF和Vce(sat)在不同接觸注入和退火條件下的表現(xiàn)。800°C和970°C的RIE后退火溫度分別使VF提高了300mV和450mV。通過(guò)進(jìn)一步添加B+接觸注入，觀察到VF分別顯著降低了600mV和650mV。而在IGBT導(dǎo)通模式期間，Vce(sat)在所有條件下均不存在顯著差異。

▲圖5. 不同接觸注入后及退火條件下15A時(shí)的VF和Vce(sat)

作為一個(gè)高度復(fù)雜的制造工藝，等離子體RIE被用于通過(guò)介電膜形成接觸開口，以實(shí)現(xiàn)與金屬的良好歐姆接觸。然而，過(guò)量的RIE會(huì)損壞接觸表面，導(dǎo)致Si-B鍵斷裂并使摻雜劑淺失活至少一個(gè)數(shù)量級(jí)[10]。在此情況下，接觸金屬界面處的電阻也會(huì)增加。在圖5中，RIE后退火可重新激活淺摻雜劑，并提高VF。此外，為實(shí)現(xiàn)反向?qū)〒p耗較低的高性能RCIGBT，本文還引入了B+接觸注入。如圖6所示，B+接觸注入搭配更高的退火溫度，使VF提高了35%。

▲圖6. 經(jīng)歷/未經(jīng)歷接觸注入和退火的樣品在15A下的VF和Vce(sat)比較

我們認(rèn)為上述改善效果源自摻雜劑的擴(kuò)散機(jī)制，因?yàn)檩^高的退火溫度可重新激活更多的摻雜劑。在較低的退火溫度下，硅晶格內(nèi)B+摻雜劑的擴(kuò)散主要由間隙擴(kuò)散主導(dǎo)，過(guò)程相對(duì)緩慢。此時(shí)，達(dá)到平衡需要耗費(fèi)更長(zhǎng)的時(shí)間。相比之下，當(dāng)退火溫度升至970°C時(shí)，失活的B+摻雜劑會(huì)獲得額外的熱能來(lái)加速平衡態(tài)，從而使更多的B+摻雜物被重新激活。不過(guò)，關(guān)鍵是要確保退火溫度的升幅不能超過(guò)限值，以免B+摻雜劑向外擴(kuò)散。

基于圖3和圖6的結(jié)果，調(diào)整集成二極管與IGBT的面積比并不會(huì)導(dǎo)致VF的顯著變化。相反，驅(qū)動(dòng)VF改善的關(guān)鍵因素是IGBT的體區(qū)，特別是在p體附近引入額外的重?fù)诫sB+接觸注入。圖7顯示了接觸電阻的測(cè)試情況，用于闡明在Si和電極之間添加B+摻雜劑接觸注入可能產(chǎn)生的影響。通過(guò)添加B+摻雜劑，界面內(nèi)的接觸電阻顯著降低，從而增強(qiáng)了通過(guò)導(dǎo)電路徑的載流子傳輸。

▲圖7. 不同接觸注入后及退火條件下的接觸電阻箱線圖

04 結(jié)論

本文研究了650V RCIGBT上不同集成二極管與IGBT的面積比，以及不同B+接觸注入和退火條件所帶來(lái)的影響。結(jié)果表明，VF與二極管面積比成反比，但進(jìn)一步擴(kuò)大二極管面積可能引發(fā)更高的回彈風(fēng)險(xiǎn)。據(jù)推斷，接觸RIE后p體區(qū)附近的額外B+注入和退火是顯著增強(qiáng)RCIGBT器件的主要因素，能夠保證較低的正向和反向?qū)〒p耗。利用1:1.9的低面積比、額外的B+接觸注入以及970°C的退火溫度，我們可在維持低Vce(sat)的同時(shí)將VF額外降低35%。

致謝

本文作者感謝Y. C. Yong、D. Adnan、F. Tahir和S. J. Ng提供的器件制造服務(wù)，以及T.C. Lee、G. Di-Stefano和S. Amara對(duì)研究項(xiàng)目提供的贊助。