IGBT的激光退火工艺介绍

IGBT的激光退火工艺介绍

IGBT（绝缘栅双极型晶体管）是现代电力电子技术的基石，广泛应用于新能源汽车、轨道交通、智能电网等领域。随着技术的不断发展，IGBT的制造工艺也在不断创新。其中，激光退火（LSA）作为一项前沿技术，正在改变IGBT的制造方式。本文将详细介绍IGBT的激光退火工艺及其优势。

IGBT激光退火工艺

IGBT制造的一个关键环节就是快速退火工艺。激光退火（LSA）被认为是对前道IC超浅结（USJ）和硅化物退火的技术突破，后续扩展至BSI-CIS、TFT晶化和激光剥离等应用领域。与传统退火工艺（如RTP、Furnace）相比，激光退火可精确控制硅片面的能量密度，并具备更短的脉冲驻留时间、更高的激活效率、更少的热扩散、亚熔和完全熔化退火等优势。随着IGBT技术发展和薄片加工工艺研发的需要，越来越多的IGBT背面退火应用开始引入激光退火技术，对离子注入后的硅基IGBT 圆片背面进行激光快速退火，实现激活深度，有效修复离子注入破坏的晶格结构。

IGBT背面工艺首先是基于已完成正面Device和金属Al层的基础上，将硅片通过机械减薄或特殊减薄工艺（如Taiko、Temporary Bonding 技术）进行减薄处理，然后对减薄硅片进行背面离子注入，如N型掺杂P离子、P型掺杂B离子。

图 IGBT退火过程分析

IGBT激光退火可分为4个阶段：

第1阶段，能量从退火硅表面传递到200nm深度，此时B和P的激活浓度增加，对应B激活浓度达到最大值；

第2阶段，在500nm深度位置，当P的激活浓度超过了B，就会在 SRP曲线上发现明显的PN结中和效应；

第3阶段，随着P的浓度不断增加，在2µm深度位置，对应绿光波长将实现有效激活，此时P激活浓度达到最大值；

第4阶段，2µm以上退火深度更多地借助热扩散来完成，此时随深度积分而来的激活率也获得最大值。

激光退火工艺的优势

采用激光退火工艺相比传统退火方式具备以下优势：

激光退火可确保正面器件面金属层不产生损伤。例如：金属Al层退火，器件面温度<400℃，当退火面最高温度达到1400℃，传统退火方式无法确保器件面温度<400℃，而激光退火因其以亚微秒级速度快速退火实现目标温度，从而可以将器件面的温度有效控制在一定范围以内。

退火深度与器件面温度关系

激光退火凭借其出色的性能，在超薄硅片如100µm以下获得了广泛的关注和应用，实现了超薄硅片高能量注入大结深退火需求。

IGBT减薄趋势和工艺难点

Taiko减薄和Temporary Bonding技术

激光退火可显著提高杂质离子激活效率，例如：峰值浓度可达1E20 atoms/cm3，通过激光退火，可以使表面离子掺杂激活浓度达到1E19~1E20 atoms/cm3，相应地，激活率也会达到60%以上，相比传统退火有非常大提升。

激光退火SRP分析

激光退火可实现较深的退火深度，激活深度可达3µm以上。

随着不同技术难点与挑战的出现，新兴应用需求催生了激光退火技术的发展。因其独特且优异的表现，激光退火技术在新兴领域的应用也越来越广泛和受到关注。

本文原文来自上海微电子