絕緣柵雙極晶體管的仿真設(shè)計(jì)方法

范曉波

【摘 要】IGBT即絕緣柵雙極型晶體管業(yè)已得到廣泛的應(yīng)用，高壓大電流是其未來的發(fā)展方向，近年來已經(jīng)應(yīng)用在高壓直流輸電領(lǐng)域。隨著功率容量的不斷提升，對(duì)器件的設(shè)計(jì)制造提出了更高的要求。為了縮短設(shè)計(jì)周期，提高成品率，降低制造成本，應(yīng)采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真，可極大地提高工作效率。論文結(jié)合流片的情況應(yīng)用ISE軟件進(jìn)行了仿真研究，結(jié)果表明，采用軟件仿真的方法能夠有效地指導(dǎo)器件的生產(chǎn)制造。

【Abstract】IGBT， i.e. insulated gate bipolar transistor， has been widely used. High voltage and high current are its future development direction. In recent years， insulated gate bipolar transistor has been applied in the field of high voltage direct current transmission. With the continuous improvement of power capacity， higher requirements are put forward for the design and manufacture of devices. In order to shorten the design cycle， improve the yield and reduce the manufacturing cost， the computer simulation should be used， which can greatly improve the work efficiency. The paper uses the ISE software to carry out simulation research in combination with the flow film. The results show that the software simulation method can effectively guide the manufacturing of the device.

【關(guān)鍵詞】IGBT;晶體管;高壓直流輸電;仿真;ISE

【Keywords】IGBT; transistor; high voltage direct current transmission; simulation; ISE

【中圖分類號(hào)】TN386.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號(hào)】1673-1069（2019）10-0186-02

1 引言

對(duì)于高壓大電流IGBT的制造來說，傳統(tǒng)的外延法已不再適用[1]。目前，采用直接將器件放置在硅單晶上，由此帶來了工藝流程的改變。為了提高成品率，降低制造成本，從硅單晶材料的選擇到加工工藝的每一個(gè)步驟都是有著系統(tǒng)且嚴(yán)格的要求[2]。采用計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)的方法可以極大地提高生產(chǎn)的可靠性，包括結(jié)構(gòu)工藝仿真、電氣特性仿真及版圖設(shè)計(jì)[3]。

2 器件元胞及終端結(jié)構(gòu)工藝仿真

通過計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行IGBT器件的工藝模擬，即通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)擴(kuò)散等工藝的溫度、時(shí)間以及氣氛，仿真出最佳的硼磷結(jié)深等器件參數(shù)，最終獲得理想的器件結(jié)構(gòu)。本文所設(shè)計(jì)的IGBT器件是一個(gè)基于透明陽極技術(shù)的NPT型IGBT，選用中子嬗變技術(shù)摻雜（NTD）具有[100]晶向的N型硅單晶做襯底，元胞結(jié)構(gòu)為條形，采用環(huán)場板混合終端結(jié)構(gòu)[4]。工藝模擬的二維結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 器件電氣特性仿真

對(duì)工藝模擬生成的器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行電氣特性的仿真，得出器件關(guān)鍵參數(shù)的仿真曲線[5]。

①閾值電壓的仿真。仿真結(jié)果表明，影響閾值電壓的因素首先是P-阱區(qū)的摻雜濃度及其雜質(zhì)分布的情況，其次是柵氧化層的厚度。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)器件的溝道越長，雜質(zhì)分布越平坦，閾值電壓越容易控制。因此，實(shí)際工藝中，應(yīng)當(dāng)優(yōu)化P-阱區(qū)的摻雜以及退火工藝，因?yàn)槠渑c雜質(zhì)的再分布密切相關(guān)，以期使P-阱區(qū)雜質(zhì)分布的波動(dòng)降到最低，從而獲得較為穩(wěn)定的閾值電壓，最終得以提高器件參數(shù)的均勻性和一致性[6]。閾值電壓的特性曲線如圖2所示。

②通態(tài)特性。仿真結(jié)果表明，芯片的厚度、襯底的摻雜濃度、Pbody的摻雜濃度、柵氧的厚度等均是影響通態(tài)特性的因素。通態(tài)特性曲線如圖3所示。

③開關(guān)參數(shù)。仿真結(jié)果表明，影響開關(guān)參數(shù)的因素有P+陽極的摻雜濃度、柵氧化層的厚度、多晶硅的厚度及摻雜濃度，若存在N+緩沖層，那么與緩沖層的摻雜濃度和厚度有關(guān)[7]。此外，開關(guān)參數(shù)與芯片的整體布局有很大關(guān)系，尤其是與多晶硅柵的布局結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系，開關(guān)特性曲線如圖4所示。

④版圖設(shè)計(jì)?；诠に嚪抡娼Y(jié)果，確定器件的橫向尺寸，繪制出芯片版圖，如圖5所示。

4 結(jié)論

通過對(duì)IGBT進(jìn)行工藝模擬以及電氣特性仿真，充分結(jié)合流片試驗(yàn)的情況，研究的結(jié)果表明，計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)高度一致，為器件的生產(chǎn)制造提供了強(qiáng)有力的支撐[8]。

【參考文獻(xiàn)】

【1】何野，魏同立.半導(dǎo)體器件的計(jì)算機(jī)模擬方法[M].北京：科學(xué)出版社，1989.

【2】楊晶琦.電力電子器件原理與設(shè)計(jì)[M].北京：國防工業(yè)出版社，1999.

【3】Udrea F，Chan S S M，Thomson J，et al.1.2 kV trench insulated gate bipolar transistors （IGBT＼"s） with ultralow on-resistance[J].IEEE Electron Device Letters，1999，20（8）：428-430.

【4】陳星弼.MOS型功率器件[J].電子學(xué)報(bào)，1990（5）：97-105.

【5】施敏著.半導(dǎo)體器件物理與工藝[M].蘇州：蘇州大學(xué)出版社，2002.

【6】吳郁，陸秀洪，亢寶位，等.低功耗IGBT（LPL-IGBT）及其仿真[J].半導(dǎo)體學(xué)報(bào)，2001，22（12）：1565-1571.

【7】劉光廷.高壓功率MOS器件終端結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)模擬的物理模型[J].電子器件，1995（2）：65-75.

【8】李舂如.三重?cái)U(kuò)散型IGBT的研究和計(jì)算機(jī)模擬分析[D].杭州：浙江大學(xué)，1994.