絕緣柵雙極晶體管的仿真設(shè)計方法

范曉波

（西安電力電子技術(shù)研究所，西安 710077）

1 引言

對于高壓大電流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步驟都是有著系統(tǒng)且嚴(yán)格的要求[2]。采用計算機(jī)仿真設(shè)計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[3]。

2 器件元胞及終端結(jié)構(gòu)工藝仿真

通過計算機(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)計的IGBT器件是一個基于透明陽極技術(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]。

圖1 IGBT的元胞及終端結(jié)構(gòu)

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，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，因為其與雜質(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。

圖2 閾值電壓曲線

圖3 通態(tài)特性曲線

圖4 開關(guān)特性曲線

④版圖設(shè)計?；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)合流片試驗的情況，研究的結(jié)果表明，計算機(jī)仿真結(jié)果與試驗數(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]。

圖5 芯片版圖