絕緣柵雙極型晶體管IGBT工藝仿真

IGBT全稱絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor）。其歷史可以追溯到1979 年。當(dāng)時(shí)，在美國通用電氣公司的 B.J.Baliga 首次在論文中描述了一個(gè)四層垂直器件結(jié)構(gòu)，并通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)證明了可以通過調(diào)節(jié)柵極電壓來控制該結(jié)構(gòu)的電流大小，這是工業(yè)史上首次有人展示IGBT的工作模式。之后不久，美國的H.W.Becke 和 C.F.Wheatle 在一份專利中首次指出 IGBT 工作時(shí)沒有出現(xiàn)晶閘管（Thyristor）效應(yīng)。

1982 年相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道了首個(gè)真正可以驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)行工作的IGBT，其具有對(duì)稱的600V擊穿電壓性能，并且可以在直流、交流電路中應(yīng)用。最初出現(xiàn)的對(duì)稱型 IGBT 采用了混合解決方案，集成在一起的功率 MOS 場(chǎng)效應(yīng)晶體管部分導(dǎo)通時(shí)的溝道電流向 BJT 部分提供工作時(shí)的基極電流，同時(shí) BJT 部分發(fā)射極向基區(qū)注入空穴，使得 MOS 場(chǎng)效應(yīng)晶體管部分體區(qū)附近累積載流子，從而改善導(dǎo)通特性。

MOS 場(chǎng)效應(yīng)晶體管部分載流子累積又使得此復(fù)合結(jié)構(gòu)中 BJT 部分的基極驅(qū)動(dòng)電流顯著增加，二者協(xié)同工作，從而改善了整個(gè)器件的特性。自 1979 年 IGBT 被提出以來，其性能和制造工藝都得到了顯著的優(yōu)化、改進(jìn)，應(yīng)用范圍也越來越廣。工業(yè)界一般將其發(fā)展趨勢(shì)按襯底工程和柵工程技術(shù)歸納為六代，

如圖1，其襯底工程技術(shù)經(jīng)歷了從穿通（punch through, PT）型到非穿通型（not punch through, NPT），再到場(chǎng)截止型（field stop, FS）的演變。

圖1 IGBT襯底工程技術(shù)發(fā)展

穿通型 IGBT 采用厚的 P+襯底，在其上進(jìn)行兩次外延，分別形成器件的緩沖層和漂移區(qū)，這種工藝不需要另外的背注工藝，工藝難度低，且可以與 MOS 工藝很好地兼容。但是若要求的器件耐壓較高，則需要較厚的外延層，工藝成本較高，且會(huì)使得器件導(dǎo)通狀態(tài)下外延層壓降變大，從而增大導(dǎo)通壓降。另外，因襯底摻雜較高，在導(dǎo)通期間正向電壓的作用下會(huì)向漂移區(qū)注入大量空穴，器件關(guān)斷時(shí)這些空穴的復(fù)合作用使得器件不能立即關(guān)斷，大大增加了關(guān)斷損耗。且采用 PT 型襯底工藝的器件，其導(dǎo)通壓降隨溫度升高而降低，在并聯(lián)應(yīng)用時(shí)電流不能平均分配，限制了其應(yīng)用。

G.Miller 等人在 20 世紀(jì) 80 年代末提出了非穿通型結(jié)構(gòu)，該工藝通過采用高電阻率的區(qū)熔單晶片代替昂貴的直拉異質(zhì)厚外延硅片，降低了工藝成本。該結(jié)構(gòu)集電極通過背注和退火形成，這使得集電極摻雜相對(duì)較低，減小關(guān)斷損耗。與 PT 型襯底工藝相反，采用 NPT 型襯底工藝的器件，其導(dǎo)通壓降隨溫度升高而增加，這增加了 IGBT 的可利用范圍。但此結(jié)構(gòu)仍未能改善穿通型 IGBT 在高耐壓應(yīng)用時(shí)需要做較厚漂移區(qū)的狀況。鑒于此，場(chǎng)截止型 IGBT 應(yīng)運(yùn)而生。

場(chǎng)截止型結(jié)構(gòu)具有與穿通結(jié)構(gòu)相似的緩沖層，但其緩沖層的摻雜濃度比穿通結(jié)構(gòu)的更低。在耐壓相同的條件下，場(chǎng)截止型 IGBT 元胞縱向深度要明顯小于穿通型和非穿通型 IGBT，這可以降低器件的導(dǎo)通飽和壓降和關(guān)斷時(shí)間。與 NPT 型 IGBT一樣，其導(dǎo)通壓降也隨溫度升高而增加，可應(yīng)用于大電流并聯(lián)場(chǎng)景。隨著工藝的進(jìn)步，場(chǎng)截止型 IGBT 厚度可持續(xù)減薄， 2011 年，英飛凌公司制造出了硅片厚度僅為 40μm 的場(chǎng)截止型 IGBT。

從柵工程技術(shù)上來看，IGBT 經(jīng)歷了平面柵到溝槽柵的演變，圖2所示是不同柵結(jié)構(gòu) IGBT 演變示意圖。使用 DMOS 工藝制造的平面柵 IGBT 技術(shù)上受擴(kuò)散限制，且因?yàn)樗哂屑纳?JFET 電阻以及水平電流路徑，導(dǎo)通壓降較高。與之相反，溝槽柵 IGBT（trench gate IGBT, TIGBT）制造時(shí)工藝上不受擴(kuò)散限制，不具有寄生JFET 電阻，并且具有垂直電流路徑，因此其導(dǎo)通狀態(tài)壓降要低得多。溝槽柵 IGBT是由 H.R.Chang 和 B.J.Baliga 于 20 世紀(jì) 80 年代末提出的。非對(duì)稱溝槽柵 IGBT在 P 基極和 N+發(fā)射區(qū)進(jìn)行擴(kuò)散后，通過使用反應(yīng)離子刻蝕蝕刻出柵極溝槽。該槽的深度必須大于 P 基極區(qū)的結(jié)深，以便在溝槽側(cè)壁上形成的溝道能連接 N+發(fā)射區(qū)和 N 漂移區(qū)，形成 MOS 結(jié)構(gòu)。

接著，在溝槽的表面生長一層犧牲氧化層，隨后重新生長柵氧化層、淀積多晶硅填充溝槽、將多晶硅平坦化使柵電極凹進(jìn)略微低于硅表面。淀積層間介質(zhì)膜后，形成N+發(fā)射極和 P 基極區(qū)的接觸窗口。在溝槽柵 IGBT 工藝過程中，通常在 P 型基區(qū)表面靠近 N+發(fā)射區(qū)的地方擴(kuò)散形成一個(gè)高摻雜的 P 型接觸區(qū)，以改善基區(qū)的接觸和抑制 N+發(fā)射區(qū)、P 型基區(qū)、N 型漂移區(qū)和 P+集電極所形成晶閘管結(jié)構(gòu)的閂鎖效應(yīng)。P 型接觸區(qū)的深度通常比基區(qū)小，并且小于溝槽柵的深度以避免產(chǎn)生寄生的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管。

采用溝槽柵結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于消除了平面柵結(jié)構(gòu)中的 JFET 電阻，且因溝槽柵將柵極做在 IGBT 內(nèi)部，在導(dǎo)通時(shí)可以形成載流子濃度更高的溝道，提高了器件性能。但溝槽柵 IGBT 結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)在于溝槽柵底部電場(chǎng)較高，易發(fā)生擊穿，因此在應(yīng)用時(shí)需要對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)和工藝上的優(yōu)化。

圖2 IGBT柵極工程技術(shù)發(fā)展

本文以溝槽柵場(chǎng)截止型IGBT為例進(jìn)行器件仿真建模介紹。該實(shí)例仿真研究了IGBT不同尺寸溝槽柵以及不同N+發(fā)射極延伸距離對(duì)器件性能的影響。也因?yàn)橐抡娉鯪+發(fā)射極延伸距離的影響所以本實(shí)例構(gòu)建了三維結(jié)構(gòu)，因?yàn)槠骷?shí)際的延伸距離不會(huì)僅僅在一個(gè)維度方向。結(jié)構(gòu)建立后，Ic-Vg，Ic-Vc以及BV（Breakdown Voltage）特性被仿真出來。

隨后，在Sdevice中，構(gòu)建IGBT的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試電路，在混合模式下跑出IGBT的開關(guān)特性，以及在器件開關(guān)操作過程中的能量損失（Eon和Eoff）。此外，為了獲取器件的失效時(shí)間，在短路條件下仿真了該器件結(jié)構(gòu)的電力和熱力學(xué)特性。器件本身的Eon-Von，BV-Von以及tsc-Von（short-circuit failure time）特性都得到了全面分析。

PROCESS構(gòu)建IGBT器件結(jié)構(gòu)和摻雜分布

本實(shí)例根據(jù)圖3的版圖和圖4的器件參數(shù)分7個(gè)步驟進(jìn)行了工藝仿真。

圖3 IGBT版圖示意圖

圖4 SPROCESS 仿真參數(shù)

圖4中的參數(shù)具體含義如下：

pmesh：過程仿真中的網(wǎng)格控制參數(shù)

dthick: IGBT厚度，默認(rèn)60um

zfac：發(fā)射端N+區(qū)域與z方向器件整個(gè)寬度的比值。本實(shí)例中使用的值分別為10、20和30

Xmesa：兩個(gè)相鄰的柵極邊緣之間的橫向距離。本項(xiàng)目中使用的值分別為2、3和4um

ndriftD：漂移區(qū)的摻雜濃度，默認(rèn)3e14

nbD: 場(chǎng)截止區(qū)摻雜濃度默認(rèn)1e13

pwelD：pwell摻雜濃度，默認(rèn)5e16

niD：n注入（pwell和n漂移層之間）的摻雜濃度 默認(rèn)3e14

AnodeD：P+集電極的摻雜濃度 默認(rèn)3e15

根據(jù)圖4的參數(shù)器件可以分成以下步驟進(jìn)行工藝仿真：

1.自適應(yīng)網(wǎng)格劃分和襯底的定義

2.氣相淀積外延層

3.刻蝕溝槽

4.淀積柵氧和多晶硅

5.發(fā)射極摻雜注入和擴(kuò)散

6.場(chǎng)截止和P+集電極摻雜注入和擴(kuò)散

7.電極定義

可以獲得圖5所示的3D模型，為了便于觀察圖中將器件放倒，其左側(cè)為實(shí)際器件的底部，也就是集電極，右側(cè)包括實(shí)際器件的溝槽柵以及發(fā)射極。圖6為圖5右側(cè)的二維截面圖?？梢杂^察到溝槽柵的深度以及發(fā)射極摻雜。

圖5 IGBT 3D結(jié)構(gòu)圖

圖6 IGBT 剖面圖

電學(xué)仿真1

建立好3D結(jié)構(gòu)后，則可以進(jìn)行一系列器件特性仿真，得到包括圖7，8，9的Ic-Vg，Ic-Vc以及擊穿電壓特性，以及根據(jù)前述曲線算得圖10的Vth，Von，BV器件性能。

圖7 Ic-Vg曲線

圖8 Ic-Vc曲線

圖9 BV曲線

圖10 提取出的IGBT器件特性

電學(xué)仿真2

圖11 IGBT開關(guān)特性仿真電路

圖11中，Q1為IGBT器件，這里通過AreaFactor參數(shù)設(shè)置為1e5，將整個(gè)器件的終端電流倍增系數(shù)放大1×10^5^

圖12展示了當(dāng)一個(gè)單脈沖VIn輸入圖11電路時(shí)的瞬態(tài)響應(yīng)。其中Vcc為200V。通過將集電極電流和集電極電壓的乘積按相應(yīng)的時(shí)間間隔積分，計(jì)算出器件開啟狀態(tài)和關(guān)閉狀態(tài)的能量消耗值。對(duì)于IGBT器件，器件關(guān)閉過程中的集電極尾電流是關(guān)閉狀態(tài)能量?jī)?yōu)化的一個(gè)重要特性。因此，在器件優(yōu)化過程中，器件設(shè)計(jì)師需要考慮Eoff與Eon或Eoff和Von的趨勢(shì)變化進(jìn)行器件設(shè)計(jì)。

圖12 IGBT開關(guān)瞬態(tài)曲線

圖13 IGBT短路失效特性仿真電路

圖13展示了用于仿真短路失效特性的測(cè)試電路。測(cè)試電路中的器件Q1是IGBT，和前面一樣終端電流和電荷乘以比例因子1e5。圖14顯示了設(shè)備在短路下的電氣和熱特性。在仿真過程中，柵極和集電極端子都保持在相應(yīng)的最大工作值，并等待器件溫度達(dá)到其熔點(diǎn)（硅的熔點(diǎn)為1687 K）。最大電壓與器件溫度達(dá)到熔點(diǎn)之間的時(shí)間間隔定義為短路失效時(shí)間（tsc）。

圖14 IGBT短路失效電流、溫度曲線

圖15 提取IGBT開關(guān)和失效特性參數(shù)

通過仿真可以得出TG-FS-IGBT器件性能Eoff-Von、BV-Von、tsc-Von強(qiáng)烈依賴于Xmesa和zfac參數(shù)的變化。對(duì)于擊穿電壓和短路失效時(shí)間，兩個(gè)參數(shù)值都隨著Von的減小而減小。zfac值的降低改善了器件的短路失效特性。通過增加Xmesa的值，短路失效特性還可以得到進(jìn)一步的改進(jìn)。

本文器件描述參考苗晶晶，姚兆銘，張森碩士學(xué)位畢業(yè)論文