引言

IGBT是綜合MOS管和雙極型晶體管優勢特征的一種半導體復合器件，作為功率半導體分離器件的代表，廣泛應用于新能源汽車、消費電子、工業控制領域，所涉及領域幾乎涵蓋社會的各個方面，市場需求增長空間巨大。近幾年中國IGBT產業在國家政策推動及市場牽引下得到迅速發展，但技術方面與國際大廠仍有較大差距，國際大廠中以英飛凌為代表，技術已發展到微溝槽性IGBT，并達到量產水平。

從1980年至今，IGBT經歷了六代技術的發展演變，過程如圖1所示，分別是第一代平面穿通型（P.PT），第二代改進的平面穿通型（P.PT），第三代平面非穿通型（P.NPT），第四代溝槽非穿通型（Trench.NPT），第五代平面柵軟穿通型（P.SPT）和第六代溝槽柵電場-截止型（FS-Trench）。主要是圍繞以下3種核心技術及與其同步的載流子濃度分布優化技術發展：（1）體結構（又稱襯底）：PT（穿通）→NPT（非穿通）→FS/SPT/LPT（軟穿通）。（2）柵結構：平面柵→溝槽柵。（3）集電極區結構：透明集電極→內透明集電極結構。

IBGT芯片在結構上是由數萬個元胞（Cell）重復組成，工藝上采用大規模集成電路技術和功率器件技術制造而成。每個元胞（Cell）結構如圖2所示，可將其分為正面MOS結構、體結構和背面集電極區的結構三部分。

1 體結構的發展

IGBT 的體結構設計技術發展經歷從穿通（PT）-非穿通（NTP）-軟穿通（SPT）的歷程。

（1）穿通結構（Punch Through，PT）特點。隨著外延技術的發展，引入N型緩沖區形成穿通結構，降低了背部空穴注入效率，實現了批量應用，但限制了高壓IGBT的發展，最高電壓1 700V。

（2）非穿通結構（Non Punch Through ,NPT）特點。隨著區熔薄晶圓技術發展，基于N型襯底的非穿通結構IGBT推動了電壓等級的不斷提升，并通過空穴注入效率控制技術使IGBT具有正溫度系數，能夠較快地實現并聯應用、高短路能力，提高應用功率等級，并且不需要外延工藝從而降低成本。NPT技術缺點為器件漂移區較長，電場呈三角形分布，硅片較厚，靜態和動態損耗較大。

（3）軟穿通結構（Soft Punch Throughput,SPT）特點。NPT結構隨著電壓等級的不斷提高，芯片襯底厚度也隨之增加，導致通態壓降增大，靜態和動態損耗較大。為了優化通態壓降與耐壓的關系，局部穿通結構（又稱為軟穿通）應運而生，ABB稱之為軟穿通（Soft Punch Throng，SPT）；英飛凌稱之為電場截止（Field Stop，FS）；三菱稱之為弱穿通（Light Punch Through，LPT）等多種不同名稱。在相同的耐壓能力下，軟穿通結構（SPT）比非穿通結構（NPT）的芯片厚度降低30%，芯片尺寸大幅度減小，動靜態性能可擴至30%以上。同時仍保持非穿通結構（NPT）的正溫度系數的特點。 近年來出現的各種增強型技術及超薄片技術都是基于軟穿通的結構。

2 正面MOS結構的發展

IGBT的正面MOS結構包括柵極和發射區，其中柵的結構從平面柵（Planar）發展為溝槽柵（Trench）。

（1）平面柵。平面柵有較好的柵氧化層質量，柵電容較小，不會在柵極下方造成電場集中而影響耐壓，經過優化也可改善器件工作特性，如降低開關損耗等，在高壓IGBT（3300V及以下電壓等級）中被普遍采用。

（2）溝槽柵。溝槽柵結構將多晶硅柵從橫向變為縱向，有效提高元胞（Cell）密度，有利于降低功耗，同時載流子分布更理想，溝道電流大，被廣泛應用于中、低（1700V及以下）電壓等級的IGBT器件中。溝槽柵的缺點是相對于平面柵結構工藝較復雜、成品率與可靠性降低，柵電容比平面柵結構大，目前先進的增強型技術通過優化正面MOS結構，靠近發射極一端的電子注入效率，從而優化導通壓降與關斷損耗的折中關系。

技術發展具有階段性，每種產品都存在多種技術共同使用的情況。IGBT產品從1980年代初期的非穿通平面柵結構（NPT Planar）發展到現在的主流的場溝道截止結構（Field Stop Trench），發展趨勢無疑是朝著芯片更薄、更小，性能更優越的方向前進。通過在Infineon（IR）官網進行選型及對產品資料查找，查找到由IR公司制造的IGBT產品結構及每代產品的特點。經過對已生產的包含上述技術的IGBT產品進行詳細工藝分析，以Infineon（IR）的歷代產品為例得到一些數據。

經過對4款產品的基本分析，整理出以下信息。由于柵節距（Gate Pitch）在IGBT器件中可作為元胞節距（Cell Pitch），在表1中以元胞節距（CellPitch）進行統計。分析得出：

（1）IR公司結合自有的生產工藝及國際通用IGBT技術定義產品代，并基本處于技術領先的位置。

（2）在不同代產品中的相關技術保持工藝一致，如平面柵結構中的多晶硅厚度為1μm左右，溝槽柵結構中的溝槽深度為5.5μm左右。將以上Infineon(IR)第四代到第七代產品的實驗數據與其發布的技術發展示意圖結合，整理出如圖3所示產品技術發展的參考示意圖。

3 IGBT的分析方法

對于IGBT的分析，形成的分析方法主要包含4個步驟：

（1）查找相應的理論支撐；（2）選取適合的樣品；（3）使用平面及縱向分析進行實驗；（4）實驗數據與理論支撐比對分析。使用平面及縱向分析進行實驗。對樣品進行平面及縱向分析是集成電路中常用的實驗方式，本文提到的分析方法中，選取適合產品及技術的實驗方案是進行實驗這個步驟的重要前提，只有實驗方案正確，才能夠獲取真實的數據并與理論支持比對，得到合理的判斷。

IGBT主要平面分析方法：使用反應離子刻蝕機去除IGBT產品中的鈍化層或介質層，配合使用研磨機去除IGBT產品中的金屬層，可以進行平面逐層分析。使用光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀測去除不同層次前后的產品。觀測內容涉及芯片形貌特征、元胞尺寸測量等。

IGBT主要縱向分析方法：IGBT縱向分析主要包括基本縱向分析以及縱向染色分析，主要使用到研磨機進行樣品制備。經過樣品制備后，需要使用掃描電鏡觀測縱向形貌、層次結構、尺寸測量以及各層成分的分析。縱向染色分析需要使用光學顯微鏡配合掃描電子顯微鏡，觀測染結的結構、形貌尺寸等。在項目過程中，一般會同時使用以上兩種分析方法。

4 結語

基于EDA仿真驗證進行芯片研發的方法在業內已廣泛使用，與集成電路芯片不同，分立器件的研發由于種類繁多，工藝差異明顯、仿真工具有限等，無法使用通用的此類方法，而是需要針對器件或工藝制定具體方法并實施項目。

審核編輯：劉清