功率半導(dǎo)體器件對硅單晶襯底材料的厚度、晶向、尺寸、電阻率有一定的要求。為了提高器件的耐壓，通常要求襯底材料具有較高的電阻率，且材料晶格結(jié)構(gòu)完整無缺陷。由于電子遷移率大于空穴遷移率 (μn＞μp)，襯底材料的導(dǎo)電類型通常采用N型。對IGBT 而言，要求采用<100>晶向的硅單晶材料。
硅單晶主要以高純度多晶硅為原料生產(chǎn)制成。按晶體生長方法的不同，硅單晶棒由多晶硅熔融后，經(jīng)直拉法(Czochralski，CZ)和區(qū)熔法 (Floating Zone Melting，F(xiàn)Z)兩種方法生長而成。直拉法通常采用水平磁場或垂直磁場等技術(shù)，制成磁控直拉單晶 (MCZ)，區(qū)熔法則分為水平區(qū)熔法和懸浮區(qū)熔法。
圖源 吉林大學(xué)《集成電路工藝技術(shù)》
目前直拉法是制備單晶硅最常用的方法，但不同功率器件的襯底材料，即原始硅片的選擇需要根據(jù)器件結(jié)構(gòu)與特性要求來確定。以IGBT為例，根據(jù)縱向結(jié)構(gòu)(包括耐壓結(jié)構(gòu)和電子注入增強(qiáng) (IE) 輔助層結(jié)構(gòu))，IGBT可以分為穿通型(Punch Through，PT)和非穿通型(Non-PunchThrough，NPT)，以及場阻止型/或稱為場截止型(Field Stop，F(xiàn)S)三種結(jié)構(gòu)。其中，穿通型PT-IGBT主要由直拉法硅單晶制成，非穿通型NPT-IGBT和場截止型FS-IGBT主要由區(qū)熔法硅單晶制成。
PT-IGBT：以高濃度的P+直拉單晶硅為起始材料。首先，在起始材料表面上生長一層摻雜濃度較高的N型緩沖層（N-buffer層），然后在其上繼續(xù)淀積輕摻雜的N型外延層作為漂移區(qū)。接下來，在N型外延層的表面形成P-base和N+source作為元胞，最后根據(jù)需要減薄P型襯底。制作1200V或1700V耐壓的產(chǎn)品需要較厚的N-外延層，因此制造難度大且成本高。
NPT-IGBT：采用輕摻雜的N-熔單晶硅作為起始材料。首先，在硅片的正面制作元胞，并用鈍化層保護(hù)好。然后將硅片減薄到合適的厚度。最后，在減薄的硅片背面注入硼，形成P+collector區(qū)域，并進(jìn)行雜質(zhì)激活后再淀積金屬鋁。區(qū)熔單晶硅成本大約為外延片的50%，因此NPT結(jié)構(gòu)相對于PT而言制造成本也較低，但制造厚度較大的N-外延層仍然具有一定的挑戰(zhàn)性。
FS-IGBT：FS制造工藝與NPT類似，同樣采用輕摻雜的N-熔單晶硅作為起始材料。在正面完成元胞制作后，進(jìn)行背面工藝。不同之處在于，在硅片減薄之后，首先在背面注入磷，形成N+buffer區(qū)域；然后再注入硼，形成P+collector區(qū)域，并進(jìn)行雜質(zhì)激活后再淀積金屬鋁。相比于NPT結(jié)構(gòu)，F(xiàn)S結(jié)構(gòu)通過在背面增加N型注入、使硅片更薄，可以實(shí)現(xiàn)更低的VCESAT和較低的關(guān)斷時(shí)間及關(guān)斷損耗。但是，更薄的N-區(qū)域電阻會(huì)較小，導(dǎo)致碎片率上升。
不過，無論是直拉硅單晶還是區(qū)熔硅單晶，都存在軸向、徑向電阻率的不均勻問題，無法用來制作高壓器件。為了提高區(qū)熔單晶的均勻性，需采用中子嬗變摻雜(Neutron Transmutation Doping，NTD)來改善其電阻率的均性，形成均勻的 N 型摻雜。但中子嬗變法只能制作 N型單晶，不能制作P型單晶，所以，N型區(qū)熔中硅單晶常作為整流二極管、晶閘管及其派生器件NPT-IGBT 和 FS-ICBT等器件的襯底材料。
另外，中車時(shí)代電氣于2014年?duì)款^成立的我國首個(gè)IGBT技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，也曾發(fā)布過IGBT用區(qū)熔中照硅單晶技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)《T/CITIIA 201—2018絕緣柵雙極晶體管(IGBT)用中子嬗變摻雜區(qū)熔硅單晶》。
在前不久舉辦的Semicon China 2024展會(huì)上，中環(huán)領(lǐng)先展出了Φ200 IGBT區(qū)熔硅拋光片(背面POLY)和Φ300直拉硅單晶棒，以及其他各種類型硅片產(chǎn)品，如4-12英寸化腐片、拋光片、退火片、外延片、SOI片，以及SiC外延片、GaN外延片等，具體可點(diǎn)擊劃線處查看。
前面我們提到過功率器件的襯底材料硅片都來源于硅單晶棒，且硅單晶棒的原材料是多晶硅，最后我們來看看展會(huì)上中硅高科、青海黃河水電公司新能源分公司、新美光、重慶臻寶科技等企業(yè)展出的多晶硅材料及硅單晶棒產(chǎn)品。
△洛陽中硅高科技有限公司 直拉(CZ)用電子級(jí)多晶硅及區(qū)熔(FZ)用電子級(jí)多晶硅棒
△青海黃河水電公司新能源分公司 電子級(jí)多晶硅及原生電子級(jí)多晶硅棒
△新美光 465mmm 半導(dǎo)體級(jí)單晶硅棒（MCZ生長法）
1.趙善麒 高勇 王彩琳《絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）設(shè)計(jì)與工藝》
2.吉林大學(xué) 康博南《集成電路工藝技術(shù)》
原文始發(fā)于微信公眾號(hào)（艾邦半導(dǎo)體網(wǎng)）：IGBT不同結(jié)構(gòu)對硅單晶襯底的選擇
