Método de fabricación de dispositivos RB-IGBT.

Se presenta un método de fabricación de dispositivos IGBT,

con capacidad de bloqueo en inversa. Para ello, se ha utilizado la técnica de aislamiento por trinchera donde el proceso de impurificación de la misma se ha realizado utilizando una fuente sólida con obleas de boro, resultando en un abaratamiento tanto en material de partida como en una reducción del tiempo de proceso.

Método de fabricación de dispositivos RB-IGBT.

Sector de la técnica

La invención propuesta en esta Memoria de invención se enmarca en el campo de la electrónica de potencia. En concreto, los dispositivos IGBT ("Insulated Gate Bipolar Transistor", en español "Transistor bipolar de puerta aislada") fabricados en silicio con capacidad de bloqueo en tensión inversa son dispositivos conocidos como RB-IGBT ("Reverse Blocking IGBT", en español "IGBT de bloqueo inverso") y son muy similares a los dispositivos IGBT convencionales, pero con una protección adicional en la periferia del dispositivo que lo dota de capacidad para soportar una alta tensión eléctrica en inversa. Desde el punto de vista del usuario, el RB-IGBT se comporta como un interruptor controlable que permite el paso de corriente en una dirección (unidireccional en corriente) y el bloqueo de tensión en ambos sentidos. Los circuitos de potencia típicos en los cuales se requiere este tipo de dispositivos son los inversores de corriente, los convertidores resonantes utilizados en distintas aplicaciones, los circuitos de protección serie en líneas AC y en los interruptores bidireccionales empleados básicamente en convertidores matriciales. El considerable desarrollo que están experimentando los convertidores matriciales durante los últimos años, representa, quizás, la principal aplicación actual de los RB-IGBT [P. W. Wheeler, J. Rodríguez, J. C. Clare, L. Empringham, A. Weinstein. "Matrix Converters: A Technology Review". IEEE Trans. on Industrial Electronics, Vol. 49, No. 2, April 2002, p. 276-288]. Se trata de aplicaciones en un gran número de dominios técnicos: energías renovables (eólica, fotovoltaica o células de combustible), variadores de velocidad para el control de motores de alterna (en transporte, elevadores, grúas, prensas, industria de procesos, etc.); convertidores para aplicaciones submarinas y de alta temperatura; convertidores para ambientes sensibles (hospitales, centros de cálculo, etc.), accionamientos en aplicaciones aeroespaciales (p. ej. el control de los alerones de los aviones civiles), etc.

Estado de la técnica

En una estructura IGBT convencional, la tensión en directo la soporta la unión pozo P/capa epitaxiada y la tensión en inverso la unión epitaxia/substrato como se detalla en la Fig. 1 (a) donde se muestra la zona de la terminación de un dispositivo IGBT convencional. Al cortar la oblea en dados individuales, el extremo de la unión capa epitaxiada/substrato que soporta la tensión en inversa queda al aire con lo cual la tensión que puede soportar es muy baja debido al elevado campo eléctrico que se genera en dicha superficie produciéndose elevadas corrientes de fuga. Para poder dotar a un dispositivo IGBT de capacidad de bloqueo en inversa, es necesario proteger la periferia del dispositivo con objeto de evitar que dicha unión quede al aire. Para ello, se extiende verticalmente la unión capa epitaxiada/sustrato con una región tipo P que alcanza la superficie superior pasivada del componente.

Básicamente, existen tres técnicas para proteger la periferia de un dispositivo IGBT y dotarlo de capacidad de bloqueo en inversa (ánodo polarizado negativamente): aislamiento tipo MESA, aislamiento por difusión y aislamiento por trinchera. En la Fig. 2 se muestra esquemáticamente cada una de dichas técnicas.

El aislamiento tipo MESA consiste en realizar dos grabados tipo MESA a ambos lados de la línea de corte, lo suficientemente profundo como para que se alcance la unión entre la epitaxia y el sustrato [M. Takei, Y. Harada and K. Ueno. "600 V-IGBT with Reverse Blocking Capability". Proceedings of 12th International Symposium on Power Semiconductor Devices & ICs (ISPSD'01). June 2001, Osaka (Japan)]. Esta técnica se usa principalmente para dispositivos de gran área como los tiristores, en los cuales el ángulo de grabado y la pasivación aseguran la capacidad de bloqueo en inversa. Aunque sería posible proteger la superficie lateral de dispositivos más pequeños como los IGBTs, éstos necesitarían de un substrato P⁺ grueso debido a razones estructurales ya que el resultado es una estructura mecánicamente débil, resultando en un compromiso entre ambos factores. Cabe remarcar que, en este caso, el área final del dispositivo es sumamente grande debido a la anchura de los grabados tipo MESA tal y como se aprecia en la figura.

El aislamiento por difusión consiste en definir una difusión tipo P en la región de la línea de corte lo suficientemente profunda como para que llegue al substrato como se puede ver en la Fig. 2. Esta técnica requiere de un proceso de difusión a temperaturas extremadamente altas (>1250ºC) y un tratamiento térmico posterior lo suficientemente largo para conseguir que las difusiones profundas alcancen el substrato tipo P [T. Naito, M. Takei, M. Nemoto, T. Hayashi and K. Ueno. "1200 V Reverse Blocking IGBT with low loss for Matrix Converter". Proceedings of 16th International Symposium on Power Semiconductor Devices & ICs (ISPSD'04). June 2004, Kitakyushu (Japan). H. Takahashi, M. Kaneda and T. Minato. "1200 V class Reverse Blocking IGBT (RB-IGBT) for AC Matriz Converter". Proceedings of 16th International Symposium on Power Semiconductor Devices & ICs (ISPSD'04). June 2004, Kitakyushu (Japan). M. Takei, T. Naito and K. Lleno. "Reverse Blocking IGBT for Matrix Converter with Ultra-thin Water Technology". IEE Proceedings on Circuits, Devices and Systems, Vol 151, No3, June 2004, pp.243-247. E.R. Motto, J.F. Donlon, M. Tabata, H. Takahashi, Y. Yu and G. Makumdar. "Application Characteristics of an Experimental RB-IGBT (Reverse Blocking TGBT) Module". Proceedings of the IEEE 39^th Annual Meeting Industry Applications Conference, Vol.3, October 2004, pp. 1540-1544.]. Además, al igual que en el caso de aislamiento tipo MESA, el área del chip se incrementa notablemente usando esta técnica debido, en este caso a la difusión lateral. Esta es la técnica más utilizada para la definición de dispositivos RB-IGBT. De hecho, actualmente solo existen comercialmente tres referencias de este tipo dispositivos RB-IGBT siendo la técnica de aislamiento utilizada la de difusión (Véanse las Patentes 1 y 2, reseñadas más adelante). La tensión de ruptura tanto en inversa como en polarización directa (la característica corriente- tensión es prácticamente simétrica) es de 1200 V y los comercializa la empresa IXYS Corporation [A. Lindemann. "A new IGBT with Reverse Blocking Capability". Application Note of IXYS Semiconductor GmbH Corporation. (t052804). May 2004].

En la tecnología planar se entiende por trinchera a un pozo realizado en la oblea de silicio mediante una técnica de grabado apropiada. En el caso del aislamiento mediante, el área total del chip requerida es menor, debido a que la anchura de la trinchera de aislamiento se sitúa en torno a las 15 μm. Además, se requieren procesos térmicos estándar y no existe limitación en el espesor de las obleas. Tal y como se aprecia en la Fig. 1, esta técnica consiste en definir dos trincheras de unas 15 μm de ancho, a ambos lados de la línea de corte y de profundidad dependiente de la capacidad de bloqueo requerida (espesor de la capa epitaxíada). En este sentido, para una tensión de 600 V, se requiere una profundidad del orden de las 110 μm. y para una tensión de 1200 V dicho valor aumenta hasta valores superiores a las 200 μm. Además, dichas trincheras deben ser impurificadas uniformemente tipo P en la totalidad de las paredes y posteriormente, rellenadas con silicio policristalino. La técnica utilizada para el impurificación en la única referencia bibliográfica que se ha encontrado es la de implantación iónica [N. Tokuda, M. Kaneda and T. Minato. "An ultra-small isolation area of 600 V class Reverse Blocking IGBT with Deep Trench Isolation process (TI-RB-IGBT)". Proceedings of 16th International Symposium on Power Semiconductor Devices & ICs (ISPSD'04). June 2004, Kitakyushu (Japan)]. Sin embargo, para poder impurificar este tipo de trincheras (muy estrechas y muy profundas) se requiere un equipo de implantación iónica con unas características muy especiales que permitan controlar de forma muy precisa el ángulo de incidencia de la implantación y el ángulo de rotación de la oblea para poder implantar uniformemente las cuatro paredes de la trinchera. Este tipo de procesado, ciertamente, es muy costoso en tiempo y en equipamiento necesario. En efecto, fabricar así los dispositivos requerirá un control muy preciso de todos los parámetros involucrados, ya que se pueden generar problemas de sombras de implantación, efectos de acanalamiento, desuniformidad... [Seguir leyendo]

1. Método de fabricación de dispositivos RB-IGBT (Reverse Blocking - Insulated Gate Bipolar Transistor, o transistor bipolar de puerta aislada en tensión inversa bloqueadora) que comprende un diseño basado en la técnica de aislamiento por trinchera y caracterizado por los siguientes pasos de procesado (Figura 3):

2. Método de fabricación de dispositivos RB-IGBT (Reverse Blocking - Insulated Gate Bipolar Transistor, o transistor bipolar de puerta aislada en tensión inversa bloqueadora) que comprende un diseño basado en la técnica de aislamiento por trinchera descrito en la reivindicación 1, y caracterizado, además, por nueve etapas de fotolitografía (Figura 3) con la máscara debida, al objeto de formar las distintas zonas activas y contactos eléctricos del dispositivo.