基于EDA仿真验证进行IGBT芯片研发的方法使用
引言
igbt是综合mos管和双极型晶体管优势特征的一种半导体复合器件，作为功率半导体分离器件的代表，广泛应用于新能源汽车、消费电子、工业控制领域，所涉及领域几乎涵盖社会的各个方面，市场需求增长空间巨大。近几年中国igbt产业在国家政策推动及市场牵引下得到迅速发展，但技术方面与国际大厂仍有较大差距，国际大厂中以英飞凌为代表，技术已发展到微沟槽性igbt，并达到量产水平。
从1980年至今，igbt经历了六代技术的发展演变，过程如图1所示，分别是第一代平面穿通型（p.pt），第二代改进的平面穿通型（p.pt），第三代平面非穿通型（p.npt），第四代沟槽非穿通型（trench.npt），第五代平面栅软穿通型（p.spt）和第六代沟槽栅电场-截止型（fs-trench）。主要是围绕以下3种核心技术及与其同步的载流子浓度分布优化技术发展：（1）体结构（又称衬底）：pt（穿通）→npt（非穿通）→ fs/spt/lpt（软穿通）。（2）栅结构：平面栅→沟槽栅。（3）集电极区结构：透明集电极→内透明集电极结构。
ibgt芯片在结构上是由数万个元胞（cell）重复组成，工艺上采用大规模集成电路技术和功率器件技术制造而成。每个元胞（cell）结构如图2所示，可将其分为正面mos结构、体结构和背面集电极区的结构三部分。
1 体结构的发展
igbt 的体结构设计技术发展经历从穿通（pt）-非穿通（ntp）-软穿通（spt）的历程。
（1）穿通结构（punch through，pt）特点。随着外延技术的发展，引入n型缓冲区形成穿通结构，降低了背部空穴注入效率，实现了批量应用，但限制了高压igbt的发展，最高电压1 700v。
（2）非穿通结构（non punch through ,npt）特点。随着区熔薄晶圆技术发展，基于n型衬底的非穿通结构igbt推动了电压等级的不断提升，并通过空穴注入效率控制技术使igbt具有正温度系数，能够较快地实现并联应用、高短路能力，提高应用功率等级，并且不需要外延工艺从而降低成本。npt技术缺点为器件漂移区较长，电场呈三角形分布，硅片较厚，静态和动态损耗较大。
（3）软穿通结构（soft punch throughput,spt）特点。npt结构随着电压等级的不断提高，芯片衬底厚度也随之增加，导致通态压降增大，静态和动态损耗较大。为了优化通态压降与耐压的关系，局部穿通结构（又称为软穿通）应运而生，abb称之为软穿通（soft punch throng，spt）；英飞凌称之为电场截止（field stop，fs）；三菱称之为弱穿通（light punch through，lpt）等多种不同名称。在相同的耐压能力下，软穿通结构（spt）比非穿通结构（npt）的芯片厚度降低30%，芯片尺寸大幅度减小，动静态性能可扩至30%以上。同时仍保持非穿通结构（npt）的正温度系数的特点。 近年来出现的各种增强型技术及超薄片技术都是基于软穿通的结构。
2 正面mos结构的发展
igbt的正面mos结构包括栅极和发射区，其中栅的结构从平面栅（planar）发展为沟槽栅（trench）。
（1）平面栅。平面栅有较好的栅氧化层质量，栅电容较小，不会在栅极下方造成电场集中而影响耐压，经过优化也可改善器件工作特性，如降低开关损耗等，在高压igbt（3300v及以下电压等级）中被普遍采用。
（2）沟槽栅。沟槽栅结构将多晶硅栅从横向变为纵向，有效提高元胞（cell）密度，有利于降低功耗，同时载流子分布更理想，沟道电流大，被广泛应用于中、低（1700v及以下）电压等级的igbt器件中。沟槽栅的缺点是相对于平面栅结构工艺较复杂、成品率与可靠性降低，栅电容比平面栅结构大，目前先进的增强型技术通过优化正面mos结构，靠近发射极一端的电子注入效率，从而优化导通压降与关断损耗的折中关系。
技术发展具有阶段性，每种产品都存在多种技术共同使用的情况。igbt产品从1980年代初期的非穿通平面栅结构（npt planar）发展到现在的主流的场沟道截止结构（field stop trench），发展趋势无疑是朝着芯片更薄、更小，性能更优越的方向前进。通过在infineon（ir）官网进行选型及对产品资料查找，查找到由ir公司制造的igbt产品结构及每代产品的特点。经过对已生产的包含上述技术的igbt产品进行详细工艺分析，以infineon（ir）的历代产品为例得到一些数据。
经过对4款产品的基本分析，整理出以下信息。由于栅节距（gate pitch）在igbt器件中可作为元胞节距（cell pitch），在表1中以元胞节距（cellpitch）进行统计。分析得出：
（1）ir公司结合自有的生产工艺及国际通用igbt技术定义产品代，并基本处于技术领先的位置。
（2）在不同代产品中的相关技术保持工艺一致，如平面栅结构中的多晶硅厚度为1μm左右，沟槽栅结构中的沟槽深度为5.5μm左右。将以上infineon(ir)第四代到第七代产品的实验数据与其发布的技术发展示意图结合，整理出如图3所示产品技术发展的参考示意图。
3 igbt的分析方法
对于igbt的分析，形成的分析方法主要包含4个步骤：
（1）查找相应的理论支撑；（2）选取适合的样品；（3）使用平面及纵向分析进行实验；（4）实验数据与理论支撑比对分析。使用平面及纵向分析进行实验。对样品进行平面及纵向分析是集成电路中常用的实验方式，本文提到的分析方法中，选取适合产品及技术的实验方案是进行实验这个步骤的重要前提，只有实验方案正确，才能够获取真实的数据并与理论支持比对，得到合理的判断。
igbt主要平面分析方法：使用反应离子刻蚀机去除igbt产品中的钝化层或介质层，配合使用研磨机去除igbt产品中的金属层，可以进行平面逐层分析。使用光学显微镜和扫描电子显微镜观测去除不同层次前后的产品。观测内容涉及芯片形貌特征、元胞尺寸测量等。
igbt主要纵向分析方法：igbt纵向分析主要包括基本纵向分析以及纵向染色分析，主要使用到研磨机进行样品制备。经过样品制备后，需要使用扫描电镜观测纵向形貌、层次结构、尺寸测量以及各层成分的分析。纵向染色分析需要使用光学显微镜配合扫描电子显微镜，观测染结的结构、形貌尺寸等。在项目过程中，一般会同时使用以上两种分析方法。
4 结语
基于eda仿真验证进行芯片研发的方法在业内已广泛使用，与集成电路芯片不同，分立器件的研发由于种类繁多，工艺差异明显、仿真工具有限等，无法使用通用的此类方法，而是需要针对器件或工艺制定具体方法并实施项目。
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从1980年至今，igbt经历了六代技术的发展演变，过程如图1所示，分别是第一代平面穿通型（p.pt），第二代改进的平面穿通型（p.pt），第三代平面非穿通型（p.npt），第四代沟槽非穿通型（trench.npt），第五代平面栅软穿通型（p.spt）和第六代沟槽栅电场-截止型（fs-trench）。主要是围绕以下3种核心技术及与其同步的载流子浓度分布优化技术发展：（1）体结构（又称衬底）：pt（穿通）→npt（非穿通）→ fs/spt/lpt（软穿通）。（2）栅结构：平面栅→沟槽栅。（3）集电极区结构：透明集电极→内透明集电极结构。
ibgt芯片在结构上是由数万个元胞（cell）重复组成，工艺上采用大规模集成电路技术和功率器件技术制造而成。每个元胞（cell）结构如图2所示，可将其分为正面mos结构、体结构和背面集电极区的结构三部分。
1 体结构的发展
igbt 的体结构设计技术发展经历从穿通（pt）-非穿通（ntp）-软穿通（spt）的历程。
（1）穿通结构（punch through，pt）特点。随着外延技术的发展，引入n型缓冲区形成穿通结构，降低了背部空穴注入效率，实现了批量应用，但限制了高压igbt的发展，最高电压1 700v。
（2）非穿通结构（non punch through ,npt）特点。随着区熔薄晶圆技术发展，基于n型衬底的非穿通结构igbt推动了电压等级的不断提升，并通过空穴注入效率控制技术使igbt具有正温度系数，能够较快地实现并联应用、高短路能力，提高应用功率等级，并且不需要外延工艺从而降低成本。npt技术缺点为器件漂移区较长，电场呈三角形分布，硅片较厚，静态和动态损耗较大。
（3）软穿通结构（soft punch throughput,spt）特点。npt结构随着电压等级的不断提高，芯片衬底厚度也随之增加，导致通态压降增大，静态和动态损耗较大。为了优化通态压降与耐压的关系，局部穿通结构（又称为软穿通）应运而生，abb称之为软穿通（soft punch throng，spt）；英飞凌称之为电场截止（field stop，fs）；三菱称之为弱穿通（light punch through，lpt）等多种不同名称。在相同的耐压能力下，软穿通结构（spt）比非穿通结构（npt）的芯片厚度降低30%，芯片尺寸大幅度减小，动静态性能可扩至30%以上。同时仍保持非穿通结构（npt）的正温度系数的特点。 近年来出现的各种增强型技术及超薄片技术都是基于软穿通的结构。
2 正面mos结构的发展
igbt的正面mos结构包括栅极和发射区，其中栅的结构从平面栅（planar）发展为沟槽栅（trench）。
（1）平面栅。平面栅有较好的栅氧化层质量，栅电容较小，不会在栅极下方造成电场集中而影响耐压，经过优化也可改善器件工作特性，如降低开关损耗等，在高压igbt（3300v及以下电压等级）中被普遍采用。
（2）沟槽栅。沟槽栅结构将多晶硅栅从横向变为纵向，有效提高元胞（cell）密度，有利于降低功耗，同时载流子分布更理想，沟道电流大，被广泛应用于中、低（1700v及以下）电压等级的igbt器件中。沟槽栅的缺点是相对于平面栅结构工艺较复杂、成品率与可靠性降低，栅电容比平面栅结构大，目前先进的增强型技术通过优化正面mos结构，靠近发射极一端的电子注入效率，从而优化导通压降与关断损耗的折中关系。
技术发展具有阶段性，每种产品都存在多种技术共同使用的情况。igbt产品从1980年代初期的非穿通平面栅结构（npt planar）发展到现在的主流的场沟道截止结构（field stop trench），发展趋势无疑是朝着芯片更薄、更小，性能更优越的方向前进。通过在infineon（ir）官网进行选型及对产品资料查找，查找到由ir公司制造的igbt产品结构及每代产品的特点。经过对已生产的包含上述技术的igbt产品进行详细工艺分析，以infineon（ir）的历代产品为例得到一些数据。
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igbt主要平面分析方法：使用反应离子刻蚀机去除igbt产品中的钝化层或介质层，配合使用研磨机去除igbt产品中的金属层，可以进行平面逐层分析。使用光学显微镜和扫描电子显微镜观测去除不同层次前后的产品。观测内容涉及芯片形貌特征、元胞尺寸测量等。
igbt主要纵向分析方法：igbt纵向分析主要包括基本纵向分析以及纵向染色分析，主要使用到研磨机进行样品制备。经过样品制备后，需要使用扫描电镜观测纵向形貌、层次结构、尺寸测量以及各层成分的分析。纵向染色分析需要使用光学显微镜配合扫描电子显微镜，观测染结的结构、形貌尺寸等。在项目过程中，一般会同时使用以上两种分析方法。
4 结语
基于eda仿真验证进行芯片研发的方法在业内已广泛使用，与集成电路芯片不同，分立器件的研发由于种类繁多，工艺差异明显、仿真工具有限等，无法使用通用的此类方法，而是需要针对器件或工艺制定具体方法并实施项目。
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