IGBT不同结构对硅单晶衬底的选择

功率半导体器件对硅单晶衬底材料的厚度、晶向、尺寸、电阻率有一定的要求。为了提高器件的耐压，通常要求衬底材料具有较高的电阻率，且材料晶格结构完整无缺陷。由于电子迁移率大于空穴迁移率 (μn＞μp)，衬底材料的导电类型通常采用N型。对IGBT 而言，要求采用<100>晶向的硅单晶材料。

硅单晶主要以高纯度多晶硅为原料生产制成。按晶体生长方法的不同，硅单晶棒由多晶硅熔融后，经直拉法(Czochralski，CZ)和区熔法 (Floating Zone Melting，FZ)两种方法生长而成。直拉法通常采用水平磁场或垂直磁场等技术，制成磁控直拉单晶 (MCZ)，区熔法则分为水平区熔法和悬浮区熔法。

图源 吉林大学《集成电路工艺技术》

目前直拉法是制备单晶硅最常用的方法，但不同功率器件的衬底材料，即原始硅片的选择需要根据器件结构与特性要求来确定。以IGBT为例，根据纵向结构(包括耐压结构和电子注入增强 (IE) 辅助层结构)，IGBT可以分为穿通型(Punch Through，PT)和非穿通型(Non-PunchThrough，NPT)，以及场阻止型/或称为场截止型(Field Stop，FS)三种结构。其中，穿通型PT-IGBT主要由直拉法硅单晶制成，非穿通型NPT-IGBT和场截止型FS-IGBT主要由区熔法硅单晶制成。

图源 龙腾半导体

PT-IGBT：以高浓度的P+直拉单晶硅为起始材料。首先，在起始材料表面上生长一层掺杂浓度较高的N型缓冲层（N-buffer层），然后在其上继续淀积轻掺杂的N型外延层作为漂移区。接下来，在N型外延层的表面形成P-base和N+source作为元胞，最后根据需要减薄P型衬底。制作1200V或1700V耐压的产品需要较厚的N-外延层，因此制造难度大且成本高。

△PT-IGBT制作工艺 来源 英飞凌

NPT-IGBT：采用轻掺杂的N-熔单晶硅作为起始材料。首先，在硅片的正面制作元胞，并用钝化层保护好。然后将硅片减薄到合适的厚度。最后，在减薄的硅片背面注入硼，形成P+collector区域，并进行杂质激活后再淀积金属铝。区熔单晶硅成本大约为外延片的50%，因此NPT结构相对于PT而言制造成本也较低，但制造厚度较大的N-外延层仍然具有一定的挑战性。

△NPT-IGBT制作工艺 来源 英飞凌

FS-IGBT：FS制造工艺与NPT类似，同样采用轻掺杂的N-熔单晶硅作为起始材料。在正面完成元胞制作后，进行背面工艺。不同之处在于，在硅片减薄之后，首先在背面注入磷，形成N+buffer区域；然后再注入硼，形成P+collector区域，并进行杂质激活后再淀积金属铝。相比于NPT结构，FS结构通过在背面增加N型注入、使硅片更薄，可以实现更低的VCESAT和较低的关断时间及关断损耗。但是，更薄的N-区域电阻会较小，导致碎片率上升。

△FS-IGBT制作工艺 来源 英飞凌

不过，无论是直拉硅单晶还是区熔硅单晶，都存在轴向、径向电阻率的不均匀问题，无法用来制作高压器件。为了提高区熔单晶的均匀性，需采用中子嬗变掺杂(Neutron Transmutation Doping，NTD)来改善其电阻率的均性，形成均匀的 N 型掺杂。但中子嬗变法只能制作 N型单晶，不能制作P型单晶，所以，N型区熔中硅单晶常作为整流二极管、晶闸管及其派生器件NPT-IGBT 和 FS-ICBT等器件的衬底材料。

另外，中车时代电气于2014年牵头成立的我国首个IGBT技术创新与产业联盟，也曾发布过IGBT用区熔中照硅单晶技术标准《T/CITIIA 201—2018绝缘栅双极晶体管(IGBT)用中子嬗变掺杂区熔硅单晶》。

在前不久举办的Semicon China 2024展会上，中环领先展出了Φ200 IGBT区熔硅抛光片(背面POLY)和Φ300直拉硅单晶棒，以及其他各种类型硅片产品，如4-12英寸化腐片、抛光片、退火片、外延片、SOI片，以及SiC外延片、GaN外延片等，具体可点击划线处查看。

前面我们提到过功率器件的衬底材料硅片都来源于硅单晶棒，且硅单晶棒的原材料是多晶硅，最后我们来看看展会上中硅高科、青海黄河水电公司新能源分公司、新美光、重庆臻宝科技等企业展出的多晶硅材料及硅单晶棒产品。

△洛阳中硅高科技有限公司 直拉(CZ)用电子级多晶硅及区熔(FZ)用电子级多晶硅棒

△青海黄河水电公司新能源分公司 电子级多晶硅及原生电子级多晶硅棒

△新美光 465mmm 半导体级单晶硅棒（MCZ生长法）

△重庆臻宝科技 大尺寸单晶硅棒

参考资料：

1.赵善麒 高勇 王彩琳《绝缘栅双极型晶体管（IGBT）设计与工艺》

2.吉林大学 康博南《集成电路工艺技术》

3.龙腾半导体、罗姆、英飞凌等公开资料

原文始发于微信公众号（艾邦半导体网）：IGBT不同结构对硅单晶衬底的选择