FS-IGBT芯片的背面工艺研究

摘要

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)具有耐压高、导通压降低、开关速度快、驱动电路简单等优点，目前已广泛用于轨道交通、新能源及智能电网等领域，电压覆盖了600V-6.5kV应用范围。由于IGBT背面工艺的制作难度较大，限制了高压IGBT的产业化。因此，对于FS-IGBT背面工艺的研究具有十分重要的意义。 本文以3.3kV的场截止型IGBT(FS-IGBT)为例，首先分析了FS-IGBT结构特点及其实现方法。采用Sentaurus-TCAD process仿真软件对FS-IGBT芯片背面的关键工艺进行仿真，并进行了工艺实验验证。重点研究了H+注入实现隐埋型nFS层掺杂的原理，并借助SRIM、Matlab软件建立了H+注入解析模型，提取了H+注入的工艺条件，最后进行工艺整合，得到FS-IGBT的整体实施方案。主要研究内容如下: 第一，简述了FS-IGBT的结构特点和工作原理，分析了形成背面关键区域的工艺特点，结合实际制造工艺，分析了nFS层、透明集电区的实现方法，比较分析了不同耐压等级下的FS-IGBT工艺流程。 第二，对FS-IGBT的制作工艺进行了仿真，分析了正面工艺对n FS层制备的影响。根据单步工艺仿真结果，确定了FS-IGBT背面单步工艺实验方案，并通过单步工艺实验进行了验证。 第三，为了提高IGBT器件的反向耐压，研究了H+注入实现隐埋型FS层的工艺实施方案，分析了H+注入技术实现隐埋型nFS层掺杂的原理，分析了退火温度对nFS层次表面浓度的影响以及注入剂量与掺杂浓度的关系，借助SRIM、Matlab软件建立了H+注入解析掺杂模型，提取了模型参数和工艺条件。最后进行工艺整合，分别得到采用H+注入和p+注入形成nFS层的FS-IGBT芯片整体工艺实现方案，并进行了比较分析。 本文的研究结果可为高压FS-IGBT的工艺设计和研发提供一定的参考。

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1 绪论

1.1 IGBT工艺的发展概述

1.2 IGBT背面工艺的研究现状及意义

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.3 本论文的主要工作

2 FS-IGBT的结构与工艺分析

2.1 结构特点和工作原理

2.1.1 结构特点

2.1.2 工作原理

2.2 工艺流程分析

2.3 背面关键工艺

2.3.1 n FS层的形成

2.3.2 P+透明集电区的制备

2.4 本章小结

3 FS-IGBT工艺仿真与实验

3.1 仿真软件介绍

3.1.1 Sentaurus-TCAD软件及仿真模型介绍

3.1.2 SRIM软件介绍

3.2 FS-IGBT工艺仿真

3.2.1 结构参数

3.2.2 关键工艺分析

3.2.3 工艺仿真及结果分析

3.3 工艺实验及结果分析

3.3.1 n FS层工艺实验及结果分析

3.3.2 透明集电区工艺实验及结果分析

3.4.1 硅片的腐蚀

3.4.2 涂源的均匀性

3.5 小结

4 H+注入实现FS层掺杂

4.1.1 H+注入引起的缺陷分析

4.1.2 HTD浓度分布与缺陷之间的关系

4.2.1 H+注入解析模型的建立

4.2.2 仿真结果及其分析

4.3 H+注入模型的验证

4.3.1 H+注入剂量对掺杂峰值浓度的影响

4.3.2 退火温度对掺杂浓度分布的影响

4.4 整体工艺方案

4.5 小结

5 结论

致谢

参考文献

附录:攻读硕士期间发表的论文