一種復(fù)合終端逆阻IGBT數(shù)值仿真分析

崔磊，楊通，張如亮，馬麗，李旖晨

(1. 國(guó)網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院有限公司，北京 102209；2. 西安理工大學(xué) 電子工程系，陜西 西安 710048；3. 西安理工大學(xué) 應(yīng)用物理系，陜西 西安 710048)

0 引言

絕緣柵雙極型晶體管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）以其開關(guān)速度快、驅(qū)動(dòng)功率小、自保護(hù)能力強(qiáng)、控制精確靈活等優(yōu)良特性，逐漸成為柔性直流輸電和柔性交流系統(tǒng)中電力電子器件的最佳選擇。而在矩陣變換器、T型換流器等需要IGBT有反向阻斷能力的應(yīng)用場(chǎng)合，受限于IGBT自身無(wú)法提供高的反向阻斷電壓，通常將IGBT與大功率二極管組合使用，通過(guò)引線焊接制成模塊。由于該模塊引入寄生電感，影響器件的可靠性和各自的性能，且元器件的增多也會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)通壓降變高、成本以及裝置體積增加、運(yùn)行效率降低等不利影響，嚴(yán)重限制了電力電子裝置拓?fù)涞陌l(fā)展[1-4]。

為解決這個(gè)問(wèn)題，將續(xù)流二極管與IGBT通過(guò)工藝方法集成在同一芯片上，形成具有逆向阻斷能力的IGBT芯片。逆阻型IGBT（reverse blocking IGBT，RB-IGBT）是在NPT型IGBT的基礎(chǔ)上衍生的具有雙向耐壓能力的集成型功率器件，能夠替代IGBT與續(xù)流二極管組成的雙向開關(guān)結(jié)構(gòu)。對(duì)比于傳統(tǒng)的雙向開關(guān)結(jié)構(gòu)，RB-IGBT省去了額外的快恢復(fù)二極管，不僅使得器件的尺寸、導(dǎo)通壓降和開關(guān)損耗有效減小，而且節(jié)省了元器件的個(gè)數(shù)，降低了應(yīng)用成本[5-10]。

目前高壓RB-IGBT研究在結(jié)構(gòu)方面的難點(diǎn)主要是終端和隔離結(jié)構(gòu)占用芯片面積過(guò)大，導(dǎo)致芯片利用率變??；尤其是采用深硼擴(kuò)散法制作隔離區(qū)導(dǎo)致更大的面積消耗[7-8]。為在不影響終端環(huán)耐壓的情況下，盡量縮減終端面積，本文采用N-P雙環(huán)場(chǎng)限環(huán)場(chǎng)板（field limiting ring field plate，F(xiàn)LR-FP）復(fù)合改進(jìn)結(jié)構(gòu)，借助TCAD數(shù)值仿真工具，設(shè)計(jì)并比較了典型場(chǎng)限環(huán)場(chǎng)板復(fù)合結(jié)構(gòu)與改進(jìn)結(jié)構(gòu)3 300 V RB-IGBT的終端特性差異，給出了優(yōu)化后的終端環(huán)結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析了改進(jìn)結(jié)構(gòu)對(duì)終端特性影響的工作機(jī)理。

1 RB-IGBT器件結(jié)構(gòu)及耐壓機(jī)理

1.1 RB-IGBT器件結(jié)構(gòu)

RB-IGBT的結(jié)構(gòu)示意如圖1 a)所示，在非穿通型IGBT的終端區(qū)外圍增加了一個(gè)采用離子注入形成的深擴(kuò)散P+隔離區(qū)，擴(kuò)散深度與P+集電極相連，在器件反向阻斷時(shí)，所形成的深硼擴(kuò)散區(qū)可以看作是將一個(gè)二極管與常規(guī)IGBT進(jìn)行串聯(lián)，由串聯(lián)在集電極側(cè)的二極管以及P+集電極區(qū)與N-drift組成的PN結(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)反向阻斷，使得RB-IGBT具有承受反向電壓的能力[11-12]。RB-IGBT的等效電路如圖1 b)所示，相當(dāng)于IGBT的集電極正向串聯(lián)一個(gè)二極管，具有雙向阻斷能力；用于雙向開關(guān)組件時(shí)，元件數(shù)量減少一半，如圖1 c)所示，一個(gè)組件需要2個(gè)IGBT和2個(gè)FWD共4個(gè)開關(guān)元件，而用RB-IGBT替代后只需2個(gè)開關(guān)元件。

圖1 RB-IGBT結(jié)構(gòu)示意圖與等效電路Fig. 1 Structure and equivalent circuit of RB-IGBT

1.2 雙面耐壓機(jī)理分析

正向阻斷時(shí)，集電極相對(duì)于發(fā)射極正偏，即Uce＞0，此時(shí)Uge=0，器件MOS溝道關(guān)閉，P-well與N-drift區(qū)之間形成的J2反偏，此時(shí)耗盡層主要向低摻雜一側(cè)的N-drift區(qū)擴(kuò)展[13-18]，如圖2 a)所示。正向耐壓主要由P-well和N-drift區(qū)形成的反偏J2來(lái)承擔(dān)。隨著Uce不斷增加，J2處的電場(chǎng)逐漸增大至臨界擊穿電場(chǎng)，器件發(fā)生雪崩擊穿，此時(shí)的Uce即為正向阻斷電壓。RB-IGBT和傳統(tǒng)的NPT-IGBT阻斷機(jī)理相同，其電場(chǎng)分布如圖2 b)紅線所示，呈三角形分布。此時(shí)擊穿電壓UBV(pp)為

圖2 阻斷狀態(tài)時(shí)的耗盡層展寬與電場(chǎng)分布Fig. 2 Depleted layer extension and electric field distribution in blocking status

式中：ND為N-drift區(qū)的摻雜濃度。耐壓大小主要由漂移區(qū)決定。

反向阻斷時(shí)，集電極相對(duì)于發(fā)射極反偏，即Uce＜0，此時(shí)Uge=0。常規(guī)的IGBT由于存在緩沖層結(jié)構(gòu)，在Uce＜0時(shí)，主要由集電極與N型緩沖層組成的反偏J1結(jié)來(lái)承擔(dān)外加電壓，由于緩沖層濃度較高，耗盡層難以擴(kuò)展至N-drift區(qū)，如圖3 a)所示，因此常規(guī)IGBT反向阻斷能力很弱。而RBIGBT采用NPT型結(jié)構(gòu)，并無(wú)高摻雜緩沖層，耗盡層主要向低摻雜的N-drift區(qū)擴(kuò)展，如圖3 b)所示，此時(shí)的反向耐壓主要由反偏的J1結(jié)來(lái)承擔(dān)，反向阻斷時(shí)的電場(chǎng)分布與正向電場(chǎng)分布類似。

圖3 反向阻斷耗盡層分布Fig. 3 Depleted layer profile in reverse blocking

對(duì)于常規(guī)的IGBT來(lái)說(shuō)，在切割芯片時(shí)，由于背面的PN結(jié)側(cè)面并沒(méi)有終端或者隔離區(qū)進(jìn)行保護(hù)，切割線會(huì)穿過(guò)耐高壓的PN結(jié)，導(dǎo)致邊緣處產(chǎn)生晶格損傷，并且產(chǎn)生較大的反向漏電流致使擊穿電壓大幅度降低，所以常規(guī)的IGBT能承受的反向耐壓相當(dāng)小。對(duì)于RB-IGBT來(lái)說(shuō)，當(dāng)集電極相對(duì)于發(fā)射極反偏時(shí)，外加的反向偏壓是由背面的P+collector及P+隔離區(qū)和N-drift區(qū)共同組成的反偏PN結(jié)來(lái)共同分擔(dān)，并且P+隔離區(qū)能夠隔離帶有晶格損傷的元胞邊緣，減小了漏電流，因此RB-IGBT能夠具有穩(wěn)定的高反向擊穿電壓。

2 復(fù)合終端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與參數(shù)研究

結(jié)終端技術(shù)是功率半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)制造過(guò)程中必須解決的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，器件終端結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)嚴(yán)重影響著器件的性能和可靠性。隨著功率器件的更新?lián)Q代，終端技術(shù)也在不斷地改進(jìn)和發(fā)展，已開發(fā)的終端結(jié)構(gòu)有場(chǎng)限環(huán)、場(chǎng)板、結(jié)終端擴(kuò)展以及橫向變摻雜等，這些結(jié)構(gòu)起到將主結(jié)耗盡區(qū)向外展寬的作用，從而提高擊穿電壓[19]。

本文器件終端結(jié)構(gòu)模型根據(jù)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有工藝技術(shù)水平，選擇了場(chǎng)限環(huán)場(chǎng)板（FLR-FP）復(fù)合結(jié)構(gòu)，圖4給出了本文設(shè)計(jì)RB-IGBT的終端結(jié)構(gòu)和終端結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)終端特性的影響。圖4 a)所示的復(fù)合終端結(jié)構(gòu)結(jié)合了FLR和FP的優(yōu)點(diǎn)，工藝簡(jiǎn)單，可靠性高，易實(shí)現(xiàn)。由圖4 b)看出，當(dāng)場(chǎng)環(huán)摻雜濃度為1×1016cm-3時(shí)，耐壓為3 083 V，遠(yuǎn)小于目標(biāo)值；當(dāng)摻雜濃度為1×1018cm-3時(shí)，耐壓為3 400 V，由于摻雜濃度較高，終端環(huán)并未完全耗盡，與其他環(huán)結(jié)的耗盡區(qū)重疊，局部電場(chǎng)過(guò)大而導(dǎo)致提前擊穿，未達(dá)到最大耐壓；當(dāng)摻雜濃度為2×1017cm-3時(shí)，耐壓為3 948 V，摻雜濃度最為理想，場(chǎng)限環(huán)全部耗盡，耐壓最大。由圖4 c)看出，隨著場(chǎng)限環(huán)環(huán)寬的增大，對(duì)應(yīng)的結(jié)終端耐壓增大，但是存在著一個(gè)飽和值；環(huán)寬并非越大越好，耐壓與結(jié)終端尺寸要綜合考慮。由圖4 d)看出，當(dāng)環(huán)間距為20 μm時(shí)耐壓接近4 000 V，耐壓隨環(huán)寬的增加呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后減小的趨勢(shì)。

圖4 本文RB-IGBT結(jié)構(gòu)與環(huán)參數(shù)對(duì)耐壓特性的影響Fig. 4 The influence of RB-IGBT structure and ring parameters on blocking characteristics

FLR結(jié)構(gòu)外加偏壓較大時(shí)，主結(jié)處的耗盡層會(huì)逐漸擴(kuò)展至與后面的環(huán)結(jié)逐一連通，由剩下的環(huán)來(lái)分?jǐn)傊饾u增大的電壓。若環(huán)間距合理，主結(jié)處電場(chǎng)可以延伸至其余環(huán)結(jié)，使得耗盡區(qū)展寬，主結(jié)處的電場(chǎng)集中現(xiàn)象有所緩解，提高擊穿電壓。但環(huán)間距過(guò)小時(shí)，會(huì)導(dǎo)致后面的環(huán)結(jié)過(guò)早分?jǐn)傠妷海蟛糠汁h(huán)電場(chǎng)強(qiáng)度大，不利于提高擊穿電壓；而環(huán)間距過(guò)大時(shí)，如30 μm時(shí)，對(duì)應(yīng)的擊穿電壓急劇下降，此時(shí)的電勢(shì)分布和電場(chǎng)分布如圖5所示?？梢钥闯?，主結(jié)耗盡區(qū)還未擴(kuò)展至后面環(huán)結(jié)時(shí)已經(jīng)擊穿，導(dǎo)致后面的環(huán)結(jié)并不能有效地替主結(jié)分?jǐn)偰蛪?，?duì)耐壓造成不利影響。因此必須選取合適的環(huán)間距才能保證耐壓最大。

圖5 環(huán)間距為30 μm的電勢(shì)分布和電場(chǎng)分布Fig. 5 Potential and electric field distribution with the termination ring’s gap up to 30 μm

綜合以上仿真對(duì)比，選取場(chǎng)限環(huán)個(gè)數(shù)為20，對(duì)環(huán)間距進(jìn)行拉偏仿真，優(yōu)化的終端電勢(shì)分布如圖6所示。圖6 a)中，正向阻斷狀態(tài)下，電勢(shì)線在每個(gè)環(huán)間分布均勻，耗盡區(qū)向下向外擴(kuò)展，說(shuō)明場(chǎng)環(huán)的環(huán)間距、環(huán)寬等設(shè)計(jì)合理；圖6 b)中，耗盡區(qū)向上向內(nèi)擴(kuò)展，反向電勢(shì)分布均勻合理；圖6 c)和d)中的電場(chǎng)線在環(huán)間均勻分布，每個(gè)環(huán)承擔(dān)耐壓相當(dāng)，優(yōu)化終端后正反向耐壓均可達(dá)到4 000 V目標(biāo)值。

圖6 終端優(yōu)化后的3 300 V RB-IGBT電勢(shì)與電場(chǎng)分布Fig. 6 Potential and electric field distribution of 3 300 V RB-IGBT after terminal optimization

3 雙摻雜復(fù)合終端結(jié)構(gòu)研究

典型場(chǎng)限環(huán)和場(chǎng)板復(fù)合結(jié)構(gòu)雖然能增加器件的耐壓，但無(wú)法突破終端寬度的限制；只增加場(chǎng)限環(huán)個(gè)數(shù)，雖然能使得耐壓得到提升，但是會(huì)造成芯片面積浪費(fèi)嚴(yán)重。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)可知，對(duì)于3 300 V耐壓等級(jí)的IGBT，場(chǎng)限環(huán)個(gè)數(shù)須超過(guò)20才能保證耐壓需求，既要實(shí)現(xiàn)耐壓要求、減小終端面積，又要電場(chǎng)分布合理，即盡可能保證主結(jié)與環(huán)結(jié)電場(chǎng)分布持平，因此對(duì)場(chǎng)限環(huán)結(jié)構(gòu)的仿真優(yōu)化會(huì)導(dǎo)致仿真難度以及耗費(fèi)時(shí)間大大增加。

基于FLR-FP復(fù)合終端結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，考慮在P型環(huán)的基礎(chǔ)上引入輕摻雜的N型區(qū)[20-22]，以此減小橫向耗盡區(qū)的擴(kuò)展速率，從而節(jié)省終端面積。圖7給出了改進(jìn)的終端仿真結(jié)構(gòu)及環(huán)參數(shù)對(duì)終端特性的影響。圖7 b)中，結(jié)深越淺耐壓越大，當(dāng)結(jié)深4 μm時(shí)耐壓達(dá)4 063 V。這是由于N型摻雜區(qū)的引入，相當(dāng)于在縱向引入了緩沖層結(jié)構(gòu)，起到壓縮電場(chǎng)、減緩P環(huán)橫向擴(kuò)展速率的作用。若結(jié)深過(guò)大，抑制了耗盡區(qū)向外擴(kuò)展的速率，導(dǎo)致前面的P環(huán)處電場(chǎng)峰值變大，因此容易擊穿，反而不利于提升擊穿電壓。圖7 c)中，當(dāng)環(huán)寬為10 μm時(shí)擊穿電壓最大。其原因?yàn)榄h(huán)寬較大時(shí)，N型輕摻雜區(qū)一方面起到壓縮電場(chǎng)作用，另一方面吸收P-Ring中的多余電荷，導(dǎo)致電場(chǎng)在環(huán)寬較寬處截止，后面的環(huán)并未起到實(shí)際作用，且N-Ring環(huán)寬過(guò)大也會(huì)增加終端面積。圖7 d)中，當(dāng)摻雜濃度為1×1015cm-3時(shí)，對(duì)應(yīng)的擊穿電壓最大。N型輕摻雜區(qū)的引入相當(dāng)于橫向加了緩沖層結(jié)構(gòu)，使得P-Ring的耗盡穿透N-drift區(qū)到達(dá)N型輕摻雜區(qū)，因此電場(chǎng)在此處被壓縮，能夠減小所在環(huán)處表面電場(chǎng)峰值、收縮耗盡區(qū)橫向擴(kuò)展速率。若N區(qū)摻雜濃度過(guò)小，對(duì)電場(chǎng)的壓縮作用有限，因此擊穿電壓有限；若摻雜濃度較大時(shí)，對(duì)電場(chǎng)的抑制效果明顯，導(dǎo)致電場(chǎng)在該N型摻雜區(qū)內(nèi)截止，后面的環(huán)處失效，因此需優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖7 改進(jìn)的終端仿真結(jié)構(gòu)及環(huán)參數(shù)對(duì)終端特性的影響Fig. 7 The influence of improved terminal structure and ring parameters on terminal characteristics

對(duì)N型區(qū)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最終得到了耐壓為4 000 V的復(fù)合終端結(jié)構(gòu)，圖8給出了改進(jìn)復(fù)合終端結(jié)構(gòu)RB-IGBT的電場(chǎng)和電勢(shì)分布情況。由圖8可以看出，主結(jié)處的電場(chǎng)集中現(xiàn)象有所緩解，且各個(gè)環(huán)處電場(chǎng)線以及電勢(shì)線分布均勻，說(shuō)明環(huán)寬、環(huán)間距等設(shè)置較合理，環(huán)結(jié)處耐壓較為均衡。

圖8 N型輕摻雜區(qū)為最優(yōu)時(shí)的RB-IGBT的終端特性Fig. 8 Terminal characteristics of RB-IGBT with optimized N region

N型輕摻雜區(qū)的引入前后比較表明，在相同的條件下，添加合適的N環(huán)結(jié)構(gòu)可有效減小結(jié)終端橫向擴(kuò)展效率，緩解所在環(huán)的拐角電場(chǎng)；加入N環(huán)后只需17個(gè)FLR環(huán)即可達(dá)到耐壓目標(biāo)，終端環(huán)尺寸減小了11.5%，有效節(jié)省了終端面積，有助于緩解隔離槽面積占用與芯片有效面積之間的矛盾。

4 結(jié)語(yǔ)

高壓RB-IGBT的主要矛盾是結(jié)終端環(huán)和隔離結(jié)構(gòu)占用芯片面積過(guò)大，導(dǎo)致芯片面積利用率較低。本文先采用典型FLR-FP復(fù)合結(jié)構(gòu)，針對(duì)3 300 V RB-IGBT進(jìn)行終端設(shè)計(jì)，分析了場(chǎng)環(huán)參數(shù)對(duì)耐壓的影響，并優(yōu)化了FLR各項(xiàng)參數(shù)，當(dāng)場(chǎng)環(huán)個(gè)數(shù)為20時(shí)，正反向耐壓均可以達(dá)到4 000 V的預(yù)期目標(biāo)。

高壓反偏隔離需要深槽或深結(jié)實(shí)現(xiàn)，對(duì)芯片面積的占用不易減小，因此減少終端環(huán)數(shù)量是降低終端面積占用的可行措施。文中采用新型雙摻雜FLR-FP復(fù)合終端改進(jìn)結(jié)構(gòu)，在P側(cè)引入N型輕摻雜區(qū)，可有效減小終端環(huán)面積占用。仿真分析表明，與典型FLR-FP復(fù)合終端結(jié)構(gòu)比較，改進(jìn)型結(jié)構(gòu)中N-Ring能夠減小耗盡區(qū)橫向擴(kuò)展效率，緩解所在環(huán)的拐角電場(chǎng)，改善結(jié)邊緣終端特性；3 300 V器件終端環(huán)數(shù)由20個(gè)縮減為17個(gè)，終端尺寸占用減小11.5%，有效地節(jié)省了芯片有效面積占用。