溝槽式FS?IGBT各部分對其性能的影響研究

張滿紅 鄒其峰

摘 要： 溝槽式FS?IGBT是當(dāng)前IGBT中最為先進(jìn)的結(jié)構(gòu)，它結(jié)合PT?IGBT和NPT?IGBT各自的優(yōu)點(diǎn)，具有較薄的N?區(qū)以及FS場截止層，能夠使導(dǎo)通壓降更低并且可以有效減少關(guān)斷時(shí)間和關(guān)斷損耗。主要通過仿真軟件Sentaurus TCAD對FS?IGBT進(jìn)行工藝與電學(xué)特性仿真，通過改變不同部分的參數(shù)，如柵極的長寬，N型漂移區(qū)的厚度，P?base區(qū)的注入劑量及能量等，研究對其性能的影響。結(jié)果表明柵極的長寬和漂移區(qū)厚度的增加會(huì)使BV變大，場截止層電阻率的增加會(huì)使導(dǎo)通電壓變小，閾值電壓會(huì)隨著P?base區(qū)的注入劑量及能量的變大而變大。通過仿真結(jié)果得到了結(jié)構(gòu)參數(shù)對器件性能的影響，為FS?IGBT的設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞： FS?IGBT； Sentaurus TCAD； 結(jié)構(gòu)仿真； 電學(xué)特性； 性能影響； 導(dǎo)通電壓

中圖分類號： TN386?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）14?0005?05

Research on influence of trench FS?IGBT′s each part on its performance

ZHANG Manhong， ZOU Qifeng

（Institute of Modern Electronic Science， North China Electric Power University， Beijing 102206， China）

Abstract： The trench FS?IGBT is currently the most advanced IGBT structure， which combines the advantages of PT?IGBT and NPT?IGBT， possesses a thin N?region and FS layer， can make the conductive voltage drop lower， and effectively decrease the turn?off time and turn?off loss. The technique and electrical feature of FS?IGBT is simulated by using the simulation software Sentaurus TCAD， during which the influence on FS?IGBT′s performance is researched by changing the parameters of different parts， such as grid length and width， thickness of N?type drift region， and injected dose and energy of P?base region. The results show that the BV becomes larger as the width and length of the grid， and the thickness of the drift region increase， the conductive voltage becomes lower as the resistivity of FS layer increases， and the threshold voltage becomes higher with the increase of the injected dose and energy of P?base region. The influence of structure parameters on device performance is obtained from the simulation results， which provides a reference for the design of FS?IGBT.

Keywords： FS?IGBT； Sentaurus TCAD； structure simulation； electrical feature； performance influence； conductive voltage

0 引 言

近年來世界能源消耗加劇以及電力需求的不斷增加，大力開發(fā)新型電力電子器件已經(jīng)變成了一項(xiàng)非常重要的任務(wù)。隨著科技的不斷進(jìn)步，所有的電力電子器件都有了飛速的發(fā)展，而在這些電力電子器件中發(fā)展速度最快的無疑是IGBT。就現(xiàn)在的電力電子器件來看，IGBT是當(dāng)前乃至將來小型化、低噪聲、智能化、高性能電力電子裝置的首選器件[1?2]。IGBT設(shè)計(jì)之初就是為了兼有MOS管和雙極型晶體管的優(yōu)點(diǎn)，所以它在結(jié)構(gòu)上主要由兩部分組成，一個(gè)是輸入極的MOS部分，另一個(gè)是輸出極的BJT部分。這樣IGBT既能夠在小驅(qū)動(dòng)條件下快速開關(guān)，又具有較低的飽和壓降。由于IGBT在大電流、高速、高壓等方面性能優(yōu)越，成為了最為理想的開關(guān)器件[3]。而在IGBT中，兼有Trench結(jié)構(gòu)和FS結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)的Trench?FS IGBT已經(jīng)變成了主流，同時(shí)也是如今IGBT領(lǐng)域研究的新熱點(diǎn)所在[4]。Trench?FS型IGBT將以往IGBT的優(yōu)勢技術(shù)相結(jié)合，具有比較低的導(dǎo)通損耗、較強(qiáng)的抗閂鎖能力和極好的短路能力[5]?，F(xiàn)在，國內(nèi)的場截止IGBT結(jié)構(gòu)還是以平面結(jié)構(gòu)為主流，那些溝槽式的場截止IGBT大多是外國公司的產(chǎn)品。對于將溝槽式技術(shù)應(yīng)用于場截止IGBT的方法還處于探索階段。因此，本文借助仿真軟件Sentaurus TCAD對Trench FS?IGBT的影響進(jìn)行仿真研究，以期為溝槽式FS?IGBT的設(shè)計(jì)提供參考。

1 Trench FS?IGBT的結(jié)構(gòu)

N溝道溝槽型FS?IGBT的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，Trench?FS IGBT器件是三端器件，三個(gè)端分別是：柵電極（Gate）、集電極（Collector）以及發(fā)射極（Emitter）。本文主要研究P?base區(qū)、漂移區(qū)、FS層等結(jié)構(gòu)參數(shù)對器件性能的影響。溝槽通常是采用反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)（RIE）在硅片刻出，再用多晶硅回填溝槽，形成柵電極[6]。為了在溝槽側(cè)形成溝道，并且使其可以延伸到N漂移區(qū)，柵的深度要大于P?base的結(jié)深。

在器件中，N 型漂移區(qū)使用的是低摻雜，而在N漂移區(qū)的底部，緊跟著的是一層高摻雜的緩沖層，又把這個(gè)高摻雜緩沖層叫作電場截止層。顧名思義，場截止層的作用就是使電場在此終止，相同的條件下能夠提高N?base的電阻率，這樣就可以降低器件的導(dǎo)通壓降，減少損耗。場截止層還有一個(gè)作用，就是可以避免NPT結(jié)構(gòu)關(guān)斷時(shí)的電磁干擾問題[7]。IGBT與VDMOS器件的差別在IGBT的最下層，它有一個(gè)P+集電極，于是其結(jié)構(gòu)中存在一個(gè)N?P?N?P結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)構(gòu)成了一個(gè)晶閘管。

IGBT 可以被看作是MOS驅(qū)動(dòng)的寬基區(qū)PNP和一個(gè)寄生的NPN的組合[8?10]。因?yàn)镻NP晶體管擁有較寬的基區(qū)，這就導(dǎo)致它的電流增益也不大。雖然N+發(fā)射區(qū)與P?base 被發(fā)射極的金屬材料區(qū)短接，但是當(dāng)電流從PNP晶體管流向發(fā)射極時(shí)，還是會(huì)受到一個(gè)P?base電阻的影響。這個(gè)電阻的數(shù)值是有限的，可以用RS來表征。于是就能夠得到Trench FS?IGBT 的等效電路圖，見圖2a）就是Trench FS?IGBT的等效電路圖。P+區(qū)域的存在會(huì)使RS變得很小，因此有時(shí)可以將它忽略不計(jì)。這樣Trench FS?IGBT結(jié)構(gòu)中的NPN晶體管結(jié)構(gòu)也就無法觸發(fā)，那么等效電路就能夠進(jìn)行簡化，如圖2b）所示，其是一個(gè)由MOSFET驅(qū)動(dòng)的PNP晶體管。

2 各部分影響分析

2.1 柵極對性能的影響

柵結(jié)構(gòu)是IGBT一個(gè)比較重要的部分，發(fā)展至今有兩種形式的柵結(jié)構(gòu)：一種是平面柵；另一種是溝槽柵。槽柵結(jié)構(gòu)較之平面柵有一定的優(yōu)越性，它可以減少元胞尺寸，降低成本，同時(shí)去掉平面IGBT中占整體電阻較高的JFET區(qū)電阻，使得器件的導(dǎo)通壓降得到降低[11]。本文主要研究槽柵的長度與寬度的影響。溝槽柵的寬度深度影響圖如圖3所示。

從圖3a）可以看出，正向阻斷電壓BV隨著深度的增加先變大再變小，在深度為4 μm時(shí)達(dá)到最大值，而導(dǎo)通壓降基本不受深度的影響。當(dāng)柵極上加正向偏壓時(shí)，為了在溝槽側(cè)形成溝道，并且使其可以延伸到N漂移區(qū)，柵的深度要大于P?base的結(jié)深。當(dāng)然，Trench也不是越長越好，正向阻斷狀態(tài)下，溝槽兩側(cè)的P?base和N型漂移區(qū)會(huì)構(gòu)成反偏的PN結(jié)，當(dāng)槽柵相對較短時(shí)，兩個(gè)反偏PN結(jié)的耗盡區(qū)會(huì)延展到一起，形成較為平坦的耗盡區(qū)，這樣有助于提高器件耐壓。

從圖3b）中可以發(fā)現(xiàn)，器件的導(dǎo)通壓降隨著溝槽柵寬度的增加而降低，這是因?yàn)門rench所占的面積受一層?xùn)叛鯇拥挠绊懖⒉荒軌驗(yàn)樵峁╇娏?。正向?qū)顟B(tài)下，在Channel下方及Trench下方的電荷量分別為（ND++p-n）和（ND++p），后者的電荷為正且總量比前者要大，這樣在兩者之間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)橫向電場。在這個(gè)橫向電場的作用下，帶正電的空穴載流子會(huì)移動(dòng)到溝道下方，進(jìn)而會(huì)造成MOS溝道下方的載流子濃度變高，電阻率減小，這樣器件的Vce就會(huì)降低。不過溝槽的寬度會(huì)受工藝技術(shù)的影響，不宜過大。太大的寬度會(huì)使得多晶硅回填溝槽時(shí)不能填滿。

另外，隨著溝槽柵寬度的增加，器件的耐壓能力也在變大，這是因?yàn)檩^寬的柵結(jié)構(gòu)有助于緩解槽底底角處的電場集中效應(yīng)。

2.2 P?base區(qū)對器件性能的影響

IGBT的閾值電壓可以表示為：

[Vth=?ms-QssCox+2?FB+2qNAεs?FBCox] （1）

[?FB=kTqlnNAni] （2）

式中：?ms為功函數(shù)差；Qss為柵氧層電荷面密度，它們都是確定值。從式（2）中可知襯底的費(fèi)米勢能?FB主要由P?base摻雜濃度NA決定，所以柵氧電容Cox以及P?base摻雜濃度NA成為影響Vth的重要因素。本文不討論柵氧層的影響，只考慮摻雜濃度。決定P?base區(qū)摻雜濃度的是其注入能量和注入劑量，因此要對這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行仿真研究。

圖4a）所示為 P?base 區(qū)注入劑量對BV的影響。從圖中可知，器件的耐壓能力雖然隨著注入劑量的增加而增大，但是總體來說劑量對耐壓能力的影響并不大，這是因?yàn)镹漂移區(qū)與FS層才是影響B(tài)V的主要因素。圖4b）所示為 P?base 區(qū)注入劑量對Vce和Vth的影響。注入的劑量大小會(huì)影響NA和溝道的電阻，后兩者隨前者的增加而變大。而NA和溝道的電阻與Vth和Vce有直接聯(lián)系，所以Vth和Vce隨著劑量的增加而變大。圖 5a）與圖5b）分別為 P?base 區(qū)注入能量對BV以及Vce和Vth的影響。P?base區(qū)的注入能量之所以能夠影響器件是因?yàn)樗淖兞薖?base區(qū)的結(jié)深。注入能量變大，硼離子被注入的深度隨之變大，靠近結(jié)面的位置其濃度梯度不怎么改變，而較遠(yuǎn)處會(huì)有所下降，電場斜率會(huì)因此產(chǎn)生微小變化，這就是注入能量對耐壓性能產(chǎn)生影響但是影響不大的原因。 此外，Vce和Vth會(huì)隨著結(jié)深的增大以及梯度濃度的改變而有所增加。

2.3 外延層及P+集電極區(qū)對器件性能的影響

槽柵FS?IGBT所謂的外延層就是指N型漂移區(qū)和場截止層。對于外延層，主要研究的是摻雜濃度和它的厚度，這兩者會(huì)對器件的BV與Vce產(chǎn)生影響。因?yàn)椴蹡臚S?IGBT 導(dǎo)通時(shí)，它的漂移區(qū)是大注入狀態(tài)，所以導(dǎo)通壓降很少受漂移區(qū)本身的摻雜濃度和厚度影響。在此主要分析漂移區(qū)對BV的影響，仿真中摻雜濃度用電阻率代替。

圖6a），圖6b）分別是漂移區(qū)厚度及電阻率對BV的影響。由圖可知，漂移區(qū)的厚度和電阻率的增大都會(huì)使BV增大。這是由于阻斷時(shí)，電阻率越大，就意味著摻雜濃度越小，也就導(dǎo)致電場斜率越小。

由于槽柵FS?IGBT 器件的漂移區(qū)較薄，漂移區(qū)厚度就相當(dāng)于耗盡區(qū)厚度，電場圍成面積的大小會(huì)隨漂移區(qū)電阻率與厚度的變化而改變，所以電阻率與厚度的增加使得BV變大。

場截止層和P+集電極區(qū)也會(huì)對Vce和BV產(chǎn)生影響。產(chǎn)生影響的參數(shù)主要是P+集電極的注入劑量和FS層的電阻率。由圖7a），圖7b）可知，BV，Vce 都隨兩者的變大而減小。阻斷時(shí)，背部PNP三極管開基區(qū)反偏，場截止層電阻率增大表示其摻雜濃度下降，那么基區(qū)未耗盡部分的寬度就會(huì)減小，輸運(yùn)以及電流放大系數(shù)變大，導(dǎo)致BV減小。

在集電極區(qū)，注入劑量的變大會(huì)使注入效率變強(qiáng)，而流放大系數(shù)又隨著注入效率的變大而變大，從而讓BV減小。Vce減小的原因有兩個(gè)：一是FS層與P+集電區(qū)之間的PN 結(jié)導(dǎo)通壓降降低；二是導(dǎo)通時(shí)，集電極變大的注入效率會(huì)讓漂移區(qū)內(nèi)的存儲(chǔ)電荷增多、導(dǎo)通電阻減小。

3 結(jié) 論

本文對FS?IGBT的工藝結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真，并通過改變柵極、P?base區(qū)、外延層的相關(guān)參數(shù)，利用Sentaurus TCAD對每次參數(shù)改變后的器件模型進(jìn)行了電學(xué)測試與對比。借助仿真結(jié)果，在理論分析的基礎(chǔ)上，說明了FS?IGBT各個(gè)重要結(jié)構(gòu)的工藝參數(shù)對器件的正向阻斷電壓、導(dǎo)通電壓、閾值電壓的影響。FS?IGBT每個(gè)部分的工藝參數(shù)都與其他部分有或多或少的關(guān)聯(lián)，優(yōu)良性能的IGBT需要在各部分間取它們的良好折衷，實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)結(jié)果對FS?IGBT的研究有一定的參考價(jià)值。

注：本文通訊作者為鄒其峰。

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