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1、1IGBTIGBT模块的研制模块的研制 从芯片解剖到参数测试从芯片解剖到参数测试北京工业大学功率半导体研究室北京工业大学功率半导体研究室2主主 要要 内内 容容引引 言言芯片解剖芯片解剖器件仿真器件仿真工艺仿真工艺仿真掩膜版设计掩膜版设计电参数测试电参数测试工艺试验与实现工艺试验与实现31. 1. 引言：引言：IGBTIGBT模块模块n由若干由若干IGBTIGBT、FRDFRD芯片串、并联组合而成；芯片串、并联组合而成；n满足一定的电性能和热性能要求。满足一定的电性能和热性能要求。41. 1. 引言：引言： IGBTIGBT模块研制过程模块研制过程n可以分成四大部分：可以分成四大部分：q设计：
2、优化器件工作时的电、热分布，使设计：优化器件工作时的电、热分布，使器件综合指标达到最佳折衷。器件综合指标达到最佳折衷。n封装设计封装设计n芯片设计芯片设计q材料准备材料准备：确定硅晶圆材料参数：确定硅晶圆材料参数q芯片制造芯片制造：实现设计的芯片结构：实现设计的芯片结构q封装：封装：51. 1. 引言：引言：IGBTIGBT模块制造模块制造之材料准备之材料准备n确定硅晶圆材料参数，主要包括：确定硅晶圆材料参数，主要包括：q导电类型：导电类型：N N型还是型还是P P型；型；q物理尺寸：晶向（含定位边）、直径、厚度等；物理尺寸：晶向（含定位边）、直径、厚度等；q掺杂浓度：掺杂浓度：q晶体制备方法
3、：直拉硅（晶体制备方法：直拉硅（CZCZ），区熔硅（），区熔硅（FZFZ）；）；q平整度：平整度：q微粗糙度：微粗糙度：q晶体缺陷：晶体缺陷：q氧含量：氧含量：q颗粒：颗粒：61. 1. 引言：引言： IGBTIGBT模块研制模块研制之封装设计之封装设计经过若干工艺步骤经过若干工艺步骤芯片测试芯片测试71. 1. 引言：引言：IGBTIGBT模块制造模块制造之封装设计之封装设计n合理布线，实现芯片合理布线，实现芯片之间有效的电连接与之间有效的电连接与电隔离；电隔离；n优化芯片分布，改善优化芯片分布，改善封装结构，使模块内封装结构，使模块内部半导体器件电流和部半导体器件电流和温度分布更合理，增温
4、度分布更合理，增强可靠性；强可靠性；81. 1. 引言：引言：IGBTIGBT模块研制之模块研制之芯片设计芯片设计芯片芯片 版版 设设 计计元胞设计元胞设计元胞布局元胞布局终端设计终端设计正向正向逆向逆向n合理设计元胞结构、元胞分布、终端结构，使合理设计元胞结构、元胞分布、终端结构，使器件工作时电场分布最优，综合指标达到最佳器件工作时电场分布最优，综合指标达到最佳折衷；折衷；n最终表现形式是最终表现形式是掩膜版掩膜版。91. 1. 引言：掩膜版是引言：掩膜版是IGBTIGBT芯片制造保证芯片制造保证掩膜版是带铬膜图形的玻璃版掩膜版是带铬膜图形的玻璃版10主主 要要 内内 容容引引 言言芯片解剖
5、芯片解剖器件仿真器件仿真工艺仿真工艺仿真掩膜版设计掩膜版设计电参数测试电参数测试工艺试验与实现工艺试验与实现112. 芯片解剖：芯片解剖：n解剖过程：解剖过程：q去封装，显微观测整体形貌，确定基本单去封装，显微观测整体形貌，确定基本单元、场终端、汇流条等整体形貌、分布等。元、场终端、汇流条等整体形貌、分布等。q剖面剖面SEMSEM观测分析，确定剖面结构尺寸；观测分析，确定剖面结构尺寸；q剥层、染色显微分析，辅助确定细节结构、剥层、染色显微分析，辅助确定细节结构、qSPRSPR分析：确定关键区域杂质浓度分布。分析：确定关键区域杂质浓度分布。n显微观测分析非常解剖是关键。显微观测分析非常解剖是关键
6、。122. 芯片解剖：芯片解剖：技术支持技术支持n设备支持：设备支持：q有一台最大有一台最大1000倍高级倍高级光学显微镜，数字读书，光学显微镜，数字读书，最小读数精度最小读数精度0.5微米；微米；q学科部有一个工艺间可学科部有一个工艺间可进行化学腐蚀，染色处进行化学腐蚀，染色处理。理。q我们学校有我们学校有SEM，但为，但为了效果更好通常去复旦。了效果更好通常去复旦。132. 芯片解剖芯片解剖：示例展示：示例展示150A 150V MOSFET50A 500V MOSFET142. 芯片解剖：芯片解剖：示例展示之剖面示例展示之剖面SEMSEM图图152. 芯片解剖芯片解剖：示例展示之元胞结构
7、：示例展示之元胞结构162. 芯片解剖芯片解剖：示例展示之剥层染色：示例展示之剥层染色n原始形貌和不同原始形貌和不同剥层染色拼接图。剥层染色拼接图。n体现分层剥层、体现分层剥层、染色的效果与作染色的效果与作用用再现细微再现细微结构。结构。172. 芯片解剖：芯片解剖：示例展示之示例展示之SPRSPR掺杂分析掺杂分析182. 芯片解剖芯片解剖n芯片解剖的目的：芯片解剖的目的：q确定元胞结构、尺寸、杂质分布；确定元胞结构、尺寸、杂质分布；q确定终端结构、尺寸、杂质分布；确定终端结构、尺寸、杂质分布；q确定特定区域的处理：确定特定区域的处理：n压焊区、汇流条区、源区与场区交界压焊区、汇流条区、源区与
8、场区交界q初步确定杂质分布；初步确定杂质分布；192. 芯片解剖芯片解剖n解剖结果存在误差和模糊信息：解剖结果存在误差和模糊信息：q分辨率的影响分辨率的影响qSEM显微效果和染色边界受腐蚀液配显微效果和染色边界受腐蚀液配比、腐蚀温度、时间等影响；比、腐蚀温度、时间等影响；q有些区域杂质分布不能通过简单的显有些区域杂质分布不能通过简单的显微分析和微分析和SRP得到或解释，得到或解释，需凭借丰需凭借丰富经验和文献查阅获得。富经验和文献查阅获得。n器件仿真是进一步确定和优化设计各器件仿真是进一步确定和优化设计各种尺寸、掺杂浓度的重要手段。种尺寸、掺杂浓度的重要手段。20主主 要要 内内 容容引引 言
9、言芯片解剖芯片解剖器件仿真器件仿真工艺仿真工艺仿真掩膜版设计掩膜版设计电参数测试电参数测试工艺试验与实现工艺试验与实现213. 器件仿真器件仿真n器件仿真的内容：器件仿真的内容：q元胞仿真：元胞仿真：n击穿电压、阈值电压、饱和压降、跨导、栅击穿电压、阈值电压、饱和压降、跨导、栅电荷因子、开关时间、温度特性、短路特性电荷因子、开关时间、温度特性、短路特性等。等。q场终端仿真：场终端仿真：n通过终端效率仿真，确定和优化终端结构的通过终端效率仿真，确定和优化终端结构的尺寸与掺杂。尺寸与掺杂。223. 器件仿真器件仿真n软件支撑：软件支撑：qMdraw可以快速生成器件结构；可以快速生成器件结构；qMe
10、dici和和Dessis可进行器件静态和动态可进行器件静态和动态电特性仿真；电特性仿真；qTaurusvisual和和Inspect、Tecplot软件软件可以查看仿真结果。可以查看仿真结果。233. 器件仿真器件仿真：仿真示例：仿真示例n利用利用MdrawMdraw生成的一个场终端结构；生成的一个场终端结构；243. 器件仿真器件仿真：仿真示例（：仿真示例（Medici）n通过通过InterfiseInterfise软件将上页之场终端结构转换软件将上页之场终端结构转换成为成为MediciMedici可识别的网格；可识别的网格；n利用利用TaurusvisualTaurusvisual显示的杂
11、质分布图。显示的杂质分布图。253. 器件仿真器件仿真：仿真示例：仿真示例n利用利用TaurusvisualTaurusvisual显示的电势分布和碰撞显示的电势分布和碰撞离化情况。离化情况。263. 器件仿真器件仿真：仿真示例：仿真示例n前面终端结构进行的击穿特性（场效率）仿真：前面终端结构进行的击穿特性（场效率）仿真：根据解剖结果初步确定一个根据解剖结果初步确定一个掺杂浓度获得的仿真结果掺杂浓度获得的仿真结果未改变几何尺寸，两次调整未改变几何尺寸，两次调整掺杂浓度后的仿真结果掺杂浓度后的仿真结果273. 器件仿真器件仿真：仿真示例：仿真示例阈值电压仿真阈值电压仿真跨导仿真跨导仿真283.
12、器件仿真器件仿真：仿真示例：仿真示例栅电荷因子栅电荷因子导通特性及随温度变化导通特性及随温度变化关断特性及随温度变化关断特性及随温度变化293. 器件仿真器件仿真：仿真示例：仿真示例303. 器件仿真器件仿真：仿真示例：仿真示例313. 器件仿真器件仿真：仿真示例：仿真示例323. 器件仿真器件仿真：仿真示例：仿真示例333. 器件仿真器件仿真：仿真示例：仿真示例343. 器件仿真器件仿真：n芯片解剖初步确定器件结构；芯片解剖初步确定器件结构；n器件仿真，对初步确定的结构进行仿真，器件仿真，对初步确定的结构进行仿真，根据仿真结果进行优化，得到一个优化的根据仿真结果进行优化，得到一个优化的结构；
13、结构；n通过工艺方案，获得性能优化的实际器件通过工艺方案，获得性能优化的实际器件是研发的最终目的；是研发的最终目的；n工艺仿真可以降低工艺研发成本。工艺仿真可以降低工艺研发成本。35主主 要要 内内 容容引引 言言芯片解剖芯片解剖器件仿真器件仿真工艺仿真工艺仿真掩膜版设计掩膜版设计电参数测试电参数测试工艺试验与实现工艺试验与实现364. 4. 工艺仿真：工艺仿真：n工艺过程分三大类：工艺过程分三大类：q薄膜制备：薄膜制备：n金属、半导体、绝缘体膜金属、半导体、绝缘体膜nCVD，PVD，热氧化，热氧化q图形转移：图形转移：n光刻：掩膜版、光刻胶、光刻机光刻：掩膜版、光刻胶、光刻机n刻蚀：干法、湿
14、法刻蚀：干法、湿法q半导体掺杂：半导体掺杂：n离子注入、扩散离子注入、扩散374. 工艺仿真工艺仿真：n完成完成IGBT芯片制造大约需要芯片制造大约需要20-30步工艺步骤；步工艺步骤；n前后工艺步骤相互作用、制约：前后工艺步骤相互作用、制约：q前期的掺杂会影响后期氧化、刻蚀的速度；前期的掺杂会影响后期氧化、刻蚀的速度；q后继各热过程会使前期生成的杂质重新分布。后继各热过程会使前期生成的杂质重新分布。n预获得期望的最终器件结构需要对整个工艺进预获得期望的最终器件结构需要对整个工艺进行整合处理。行整合处理。n如果完全靠实际工艺调整，不仅成本高，且非如果完全靠实际工艺调整，不仅成本高，且非常耗时。
15、常耗时。384. 工艺仿真工艺仿真：n工艺仿真可以获得近乎接近实际工艺效工艺仿真可以获得近乎接近实际工艺效果的仿真结果；果的仿真结果；n通过调节仿真工艺参数，可以快速追踪通过调节仿真工艺参数，可以快速追踪到切实可行的工艺条件，极大降低工艺到切实可行的工艺条件，极大降低工艺成本。成本。n实际工艺实施过程中，只需对少许参数实际工艺实施过程中，只需对少许参数进行控制条件就。进行控制条件就。394. 工艺仿真工艺仿真n软件支撑：软件支撑：qAvanti的的Tsuprem4qISE的的Diosn软件仿真优势：软件仿真优势：q可以随时监控仿真结果；可以随时监控仿真结果；q可以随时保存中间结果，查看工艺效果
16、，可以随时保存中间结果，查看工艺效果，调整工艺方案。调整工艺方案。404. 工艺仿真工艺仿真：工艺文件：工艺文件414. 工艺仿真工艺仿真：中间仿真监控显示：中间仿真监控显示424. 工艺仿真工艺仿真：中间保存的结果：中间保存的结果434. 工艺仿真工艺仿真：仿真示例（元胞仿真）：仿真示例（元胞仿真）444. 工艺仿真工艺仿真：仿真示例（终端仿真）：仿真示例（终端仿真）454. 工艺仿真工艺仿真：仿真示例（终端仿真）：仿真示例（终端仿真）464. 工艺仿真工艺仿真：n完成器件解剖与仿真，就可以设计器件结构；完成器件解剖与仿真，就可以设计器件结构；n最终以掩膜版的形式表现出来最终以掩膜版的形式表
17、现出来47主主 要要 内内 容容引引 言言芯片解剖芯片解剖器件仿真器件仿真工艺仿真工艺仿真掩膜版设计掩膜版设计电参数测试电参数测试工艺试验与实现工艺试验与实现485.掩膜版设计掩膜版设计之掩膜版与版图关系之掩膜版与版图关系n掩膜版是带铬膜图形的玻璃版；掩膜版是带铬膜图形的玻璃版；n它决定器件制造过程中，形成各个区域需要它决定器件制造过程中，形成各个区域需要打开（或掩蔽）的窗口形状与尺寸。打开（或掩蔽）的窗口形状与尺寸。n它由带胶光掩膜基板通过电子束曝光、显影、它由带胶光掩膜基板通过电子束曝光、显影、腐蚀等获得；腐蚀等获得；n控制电子束扫描范围的电子文件的设计就是控制电子束扫描范围的电子文件的设
18、计就是版图设计。版图设计。495.掩膜版设计掩膜版设计之版图设计之版图设计n掩膜版设计就是确定掩膜版设计就是确定器件制造过程中，形器件制造过程中，形成各个区域需要打开成各个区域需要打开（或掩蔽）的窗口形（或掩蔽）的窗口形状与尺寸。状与尺寸。n所用软件所用软件qLEDITqCadencen版图检查版图检查q部分部分DRC，主要人工，主要人工50一个一个LEIDTLEIDT编辑的版图文件编辑的版图文件51主主 要要 内内 容容引引 言言芯片解剖芯片解剖器件仿真器件仿真工艺仿真工艺仿真掩膜版设计掩膜版设计电参数测试电参数测试工艺试验与实现工艺试验与实现526. 6. 工艺试验与实现工艺试验与实现n工
19、艺试验：工艺试验：q以工艺仿真为基础的拉偏试验；以工艺仿真为基础的拉偏试验；q芯片厂需新开发的工艺试验：芯片厂需新开发的工艺试验：n过去没有过去没有n过去有但参数指标与要求有差异；过去有但参数指标与要求有差异；q无法仿真的工艺试验：无法仿真的工艺试验：nIGBTIGBT背面工艺；背面工艺；n二极管掺铂对结构与器件性能的影响；二极管掺铂对结构与器件性能的影响；n需要经验数据，我们已有相当积累。需要经验数据，我们已有相当积累。n工艺实现：工艺实现：q厂家有良好的工艺控制的经验积累；厂家有良好的工艺控制的经验积累；53主主 要要 内内 容容引引 言言芯片解剖芯片解剖器件仿真器件仿真工艺仿真工艺仿真掩
20、膜版设计掩膜版设计电参数测试电参数测试工艺试验与实现工艺试验与实现547.电参数测试电参数测试n设备支持：设备支持：q静态特性：静态特性：n大功率图示仪：大功率图示仪：3000V/300An可编程图示仪：可编程图示仪：2000V/20Aq动态特性：动态特性：n开关参数测试仪开关参数测试仪n短路特性测试仪短路特性测试仪n雪崩耐量测试仪雪崩耐量测试仪q其他辅助设备：其他辅助设备：n探针台（用于芯片测试）探针台（用于芯片测试）n多通道数字示波器：动态特性测试显示多通道数字示波器：动态特性测试显示556.电参数测试电参数测试n静态特性测试仪：泰克大功率参数测试仪静态特性测试仪：泰克大功率参数测试仪56
21、6.电参数测试：电参数测试：n动态参数测试仪：动态参数测试仪：576.电参数测试电参数测试586.电参数测试电参数测试596.电参数测试电参数测试n探针台：探针台：q真空吸附；真空吸附；q最大芯片直径最大芯片直径8英吋；英吋；q附带最大放大倍数为附带最大放大倍数为50倍的显微镜；倍的显微镜；q暗箱测试，减小漏电暗箱测试，减小漏电流。流。60课程课程教材教材专著专著器件物理器件物理半导体工艺半导体工艺电力电子电路电力电子电路器件设计器件设计器件实现器件实现器件器件分析分析器件改进器件改进数值分析数值分析器件仿真器件仿真工艺仿真工艺仿真电路仿真电路仿真入门入门文献研读文献研读实际产品实际产品工艺调研工艺调研研发实践研发实践提高提高深入理解深入理解知识更新知识更新结合实际结合实际积累经验积累经验推陈出新推陈出新61