IGBT的微结构分析与设计

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IGBT的微结构分析与设计
【摘要】本文首先研究了IGBT的发展、IGBT的结构、工作特性和主要参数等。接着从IGBT的工作原理出发,研究了器件结构参数对器件特性的影响,总结出主要参数的设计依据,并据此利用Athena软件进行了IGBT器件结构设计和计算机模拟仿真研究。
 
 
【关键字】IGBT 微结构分析 结构设计 仿真
 
IGBT micro-structural analysis and design
 
ABSTRACT
 
The development and the operation characteristics of IGBT, and the basic structure of the device were introduced in this paper. Then, we probed into some impacts on the device characteristics, summarized some design considerations of the main parameters, and simulated the designed device. 
 
Key words:IGBT, Microstructure analysis, Structure design, Simulation
 
目  录
第一章 绪论 1
1.1 功率半导体器件的发展 1
1.2 IGBT的诞生和发展 2
1.3 IGBT的应用 2
1.4 本文的结构 3
第二章 IGBT的结构、工作特性和主要参数 3
2.1 IGBT的结构 3
2.2工作原理 4
2.3 IGBT的特性 6
2.3.1 IGBT的静态特性 6
2.3.2 IGBT动态特性 8
2.4 IGBT的设计理论 9
2.4.1 IGBT的结构设计理论 9
2.4.2 IGBT的闩锁效应 9
2.4.3 器件设计的主要性能影响因素 10
第三章 IGBT的设计 12
3.1外延层的计算 12
3.2  栅氧化层的计算 14
3.3 P阱的设计 14
3.4 阴极N阱(NSD)的设计 15
3.5 饱和电流的计算 15
第四章IGBT的工艺仿真 16
4.1 工艺参数 16
4.2 使用Athena软件设计工艺流程 16
4.2.1 定义网格 16
4.2.2  外延缓冲层 17
4.2.3  外延N-外延层 18
4.2.4 在外延层上生长一层栅氧化层和多晶硅 19
4.2.5  离子注入P-base、N+发射极 20
4.2.6 淀积AL、刻蚀掉不需要的部分 22
4.2.7定义电极 23
第五章 器件的特性分析 25
5.1 分析器件的参数对阈值电压的影响 25
5.2 IGBT输出特性曲线的仿真 30
5.3 IGBT极的击穿特性的仿真 33
第六章 结论 36
参考文献 37
致谢 38
 
 
第一章 绪论
绝缘栅双极晶体管(Insulate Gate Bipolar Transistor, IGBT)是一种由MOSFET和双极型功率晶体管结合而成的达林顿结构。由于它既具有MOSFET的输人阻抗高、控制功率小、驱动电路简单、开关速度高的优点,又具有双极型功率晶体管的电流密度大、饱和压降低、电流处理能力强的优点,因而被认为是一种可用于需要高压、大电流和高速应用领域的理想功率器件,是国际上公认的电力电子技术第三次革命的最具代表性的产品。因此,对IGBT器件进行深入的研究有着十分重要的意义。
1.1 功率半导体器件的发展
随着电力电子技术的发展,人们的生活是越来越方便了,电力电子技术推动了人们的生活和生产。而在电力电子技术里面,功率半导体器件起着核心的作用,它对电力电子电路里面控制了能量的转换。而微电子技术的但来,更为功率半导体器件如虎添翼了,再者人们生产生活的需要,电力电子技术的发展要求功率半导体器件向着大功率、高温、高压等方向发展。
1957年,美国通用电气(GE)公司研制了第一只工业用普通晶闸管,标志着电力电子技术的诞生。直到今天,功率半导体已经发生了很大的变化。功率半导体器件大致可以分为四个阶段:
第一阶段,以整流管、晶闸管为代表,在低频、大功率场合占优势,后来完全取代汞弧整流器。
第二阶段,以可关断晶闸管(GTO)、巨型晶体管(GTR)等全控型器件为代表,虽然仍为电流控制模式,但在高频化的路上迈了一步。
第三阶段,以功率MOSFET、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等电压全控器件为代表,它们可以直接用集成电路驱动,高频特性较好,此阶段器件制造技术进入了和微电子技术相结合的阶段。
第四阶段,以智能化功率集成电路(SSPIC)、高压功率集成电路(HVIC)等功率集成电路为代表,使电力电子技术与微电子技术更紧密的结合在一起,出现了将全控型电力电子器件与驱动电路、保护电路、逻辑电路、等集成在一起的高智能化的功率集成电路电路。它实现了器件与电路、强电与弱电、功率流与信息流的集成,成为机电一体化的基础单元。这一阶段还处在不断发展中。
从以上的四个阶段,我们可以看出,第一个阶段和第二个阶段的器件的原理没有发生变化,都是电流控制型的器件,电流控制型的器件有个特点:器件消耗的功率很大,而提供给外电路的功率相对较小;但是第二个阶段比第一个阶段有了一定的发展,它的适用的频率特高了。到达第三个阶段的时候,器件的工作原理改变了,使用的是电压控制型的器件MOSFET,MOSFET的输入极是很高个绝缘栅,输入的电流很小,这样消耗在功率半导体上的能量降低了,提高了能量的使用率,更加节能。再进行改进就有了IGBT的出现。到了今天从器件发展到了集成电流,更加智能化了。
随着IGBT技术的不断发展,其结构设计和工艺技术也发生了较大的变化,得到了不断改进和创新。在超大规模集成电路和功率器件技术的基础上,出现了分层辐照、薄片加工等特殊的加工技术,产品的技术性能也得到了很大提高。
1.2 IGBT的诞生和发展
绝缘栅型双极型晶体管(IGBT)是由设计者巧妙的将VDMOS的N+型衬底换成了P+型衬底而得到的。当IGBT运行的时候,在N-基区发生了电导调制效应,降低了通态的电阻和提高了通态的电流密度。
进过了三十多年的发展,IGBT与发明的时候相比较,是一个不断改进和不断解决问题的过程,到现在,IGBT的发展大概进过了几个过程:刚开始使用的是穿通型的IGBT,有饱和压降高和开关时间长的缺点;之后版图从版图方面改进,比如正方形的版图和正六边形的版图;之后是从寄生器件的抑制来解决问题;之后呢是从工艺方面来改进。
1.3 IGBT的应用
IGBT的应用领域非常广,在电机调速、逆变器、中频电源、汽车电子、激光电源等控制电路中。在当今的工业化的发展中,国家倡导节能、环保等理念,IGBT在节能的方面同样起到了很大的作用,IGBT的使用让节能设备向具有高效率、低功耗和高性能方面的发展。
1.4 本文的结构
本文的具体结构安排如下:
第一章阐述了课题的主要特点以及主要解决的问题,并介绍论文的结构安排。
第二章主要介绍了了IGBT的主要结构、工作原理、动静态特性及其设计理论,并且对IGBT参数对器件的特性的影响作了定性的分析。
第三章IGBT的结构设计,主要介绍了IGBT结构的外延层设计参数计算、栅氧化层的参数计算、P阱的设计、阴极N阱(NSD)的设计等。
第四章IGBT的工艺仿真,主要介绍了利用Athena软件设计IGBT微观结构的工艺流程,并进行相关仿真,然后进行器件的特性分析,对达不到要求的参数进行调整,直到符合相关工艺要求为止。
第五章最后主要分析了栅氧化层厚度和P-base杂志浓度参数对IGBT阈值电压的影响,并对IGBT的输出特性、击穿特性进行了仿真研究。
第六章结论,主要对前五章的内容进行了总结分析。
 
第二章 IGBT的结构、工作特性和主要参数
2.1 IGBT的结构
 
图2-l  PT-IGBT的剖面图
结构:IGBT是 、 、P、 四层结构,N沟道的IGBT比DMOSFET多了一层 层,形成PN结 ;衬底和缓冲区和P阱形成PNP双极型晶体管。P衬底引出电极叫漏极(也叫阳极A);栅极和源极和DMOSFET的相似;N区称为漂移区;背面的 区为缓冲区;器件的控制控制区称为栅区,在其上制作电极G,称为栅极,沟道是紧靠在栅区的边界形成的;在漏源之间的P型区称为P阱。
导通时, 衬底向N外延层注入大量的空穴,形成基区电导调制,从而降低了器件的导通电阻,输入级为等效为MOSFET所以有很大的输入阻抗。
IGBT的结构有两种一种是加了缓冲层的穿通结构[注释2],一种是没有加缓冲层的非穿通结构。
2.2工作原理
IGBT的等效原理图可以看出,IGBT等效为一个MOSFET驱动一个GTR。 为较厚基区的等效电阻。
 
图2-2 IGBT等效电路
 
图2-3 IGBT的通用电路符号
(1)当IGBT的阴极加正的电压,阳极加负电压时。这时 结反偏, 只有很小的反向的漏电流,IGBT处于反向阻断状态。对于NPT-IGBT, 的耗尽层主要向 基区扩展,所以NPT-IGBT有很好的正反向阻断能力;对于PT-IGBT,因为 缓冲层阻止了 的耗尽区向N的扩展,让方向击穿电压比NPT-IGBT小得多,反向阻断能力较小。
(2)当IGBT阳极加正的电压,阴极加负的电压时, 处于反偏。
当 < 时,MOSFET的表面的沟道没有形成,IGBT处于关态; 有漏电流通过,IGBT有正向阻断能力。
当 > 时,MOSFET表面形成了沟道,源极电子经过沟道注入到了N基区; 正偏,同时空穴从 衬底注入到N基区,一部分与源极注入的电子复合掉了,另一部分通过 极流入P阱。当 的正向电压逐渐增大时,基区的空穴浓度可增加到超过N基区的背景掺杂浓度,从而对N基区产生显著的电导调制,N基区的导通电阻大大降低,电流密度显著地提高。对于一定的 ,当 大于一定的数值时,沟道中的电子漂移速度达到饱和,阳极电流 就出现了饱和。这时当 的增加,MOSFET 的表面沟道反型增加,阳极电流 增加,出现了 对 产生控制的现象。
(3)IGBT正向工作时的电流:IGBT正向工作时在饱和区的时候的电流由两部分组成,一部分是P+衬底向基区注入的少子空穴与在N-外延层与来自MOS沟道的电子复合形成复合电流;另一部分是P+衬底向N-注入的空穴通过在N-区通过扩散到达J2结的边界,由于J2结是处于反偏的状态,当空穴扩散到J2结的边界,立即被电场扫入了扩散区,形成了PNP集电极电流。这两个电流复合电流占了主导的地位,所以IGBT是复合器件。
2.3 IGBT的特性
2.3.1 IGBT的静态特性
静态特性 IGBT 的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。
(1)伏安特性:IGBT 的伏安特性是指以栅源电压   为参变量时,阳极电流 与阳极电压 之间的关系曲线。输出阳极电流 受栅源电压   的控 制,  越高, 越大。它与 GTR 的输出特性相似.也可分为饱和区、放大区 、 和击穿特性 3 部分。在截止状态下的IGBT ,正向电压由   结承担,反向电压由   结承担。如果无   缓冲区,则正反向阻断电压可以做到同样水平,加入   缓冲区后,反向关断电压只能达到几十伏水平,因此限制了 IGBT 的某些应用范围。
 
图2-4正反向偏置特性
(2)转移特性:IGBT 的转移特性是指输出漏极电流   与栅源电压  之间的关系曲线。它与 MOSFET 的转移特性相同,当栅源电压小于开启电压  时,IGBT 处于关断状态。在 IGBT 导通后的大部分漏极电流范围内, 与 呈线性关系。最高栅源电压受最大漏极电流限制,其最佳值一般取为15V 左右。
 
图2-5 转移特性曲线
2.3.2 IGBT动态特性
动态特性是指IGBT在开关期间表现出来的特性。在平时的应用中IGBT常作为开关的应用,所以了解IGBT的开关过程是很有必要的。 
图2-6 IGBT的开关过程的波形示意图
 1)开通过程
IGBT的开通过程与MOSFET的开通过程是很相似的,因为开通过程中IGBT在大部分时间作为MOSFET来运行。
关键名词:
开通延迟时间:td(on)为 上升至最大值的 —— 上升至 的时间差。
电流上升时间:10%的 时刻——90%的 时刻的时间差。
开通时间( )=开通延迟时间+电流上升时间。
 的下降过程分为两段: 第一段是只有MOSFET 工作,第二段不仅有MOSFET工作,同时有PNP晶体管的工作。
2)关断过程
关断延迟时间td(off):是从 下降达最大值的90%时刻算起,一直到电流 下降到最大值的90%时刻所用的时间。
电流下降时间:从 的最大值的90%下降到电流最大值的10%所用的时间。
关断时间=关断延迟时间|+电流下降时间;
在下降过程中分为了两段,第一段是IGBT单独的下降时间,所以下降得比较快,第二段时间包括了PNP管的关断过程,所以下降得要慢点。
2.4 IGBT的设计理论
2.4.1 IGBT的结构设计理论
IGBT设计有三个重要的层: 衬底, 缓冲区,和 外延层。选用 型的衬底,再在上面用外延生长出缓冲区和外延层。衬底厚度的选取与器件栅极和衬底的等效电容大小有关,影响到器件的开关速度。 缓冲区是生长在衬底上的,选取一定的浓度和厚度来降低外延层结尾处的电场强度,以提高器件的开关速度。 型外延层影响器件击穿电压,但是又同时与器件的导通电阻和开关速度有关,所以要综合考虑。
IGBT器件表面通常采用MOS工艺制成。通过对 以及P阱区的两次扩散或注入。自对准形成沟道,项端的 层作为MOS部分的源极, 漂移区为MOS器件的漏极。
2.4.2 IGBT的闩锁效应
IGBT是由  P 四层材料构成的,当满足条件(α  +α >1)满足时,IGBT就像普通晶间管那样导通,在极低的电压下即使不加栅压,器件也能通过很大的电流。这种现象称为锁定。
通过优化和设计可以消除引起锁定的因素,通常有这些方法,
1)、减少短路电阻。我们可以采用 扩散法,缩短 源区的横向长度,使得N+源区下的短路电阻降低,短路寄生管,使得寄生管不导通;
2)、在 衬底和 外延基区之间加一层—缓冲层,使得PNP管基区电荷数增加,这就大大降低了 衬底向 外延基区发射空穴的发射效率,使得PNP管的共基极电流放大系数降低,提高了抗闩锁的能力。
2.4.3 器件设计的主要性能影响因素
IGBT的电学性能指标主要包括:正向击穿电压,反向阻断电压,阈值电压,导通电阻,l-V特性曲线,开关特性。IGBT的设计,主要是围绕高耐压和低导通电阻两项性能指标,同时兼顾阈值电压和器件的开关速度等因素来设计。
击穿电压,主要影响因素是 的浓度及厚度。要求在保证低导通电阻的同时,提高耐压能力。
阈值电流,主要影响因素是栅氧介质层中的界面电荷,栅氧介质层的厚度以及栅极下沟道的浓度。
因为栅极下沟道的浓度与沟道的导通电阻有关,所以在要求有低导通电阻的情况下,阈值电压的设计需要和导通电阻有折衷关系。
IGBT的导通电阻,主要影响因素是: 、 、 、 .的总和,其分别表示寄生结型场效应管电阻, 区表面电子积累层电阻、电导调制外延基区电阻和MOS沟道电阻,电阻的分布如图2-7所示。
对于IGBT器件应尽可能的减少导通电阻。当导通电阻很小时,器件就会有一个很好的开关特性。当然导通电阻并不是影响器件开关特性的唯一因素。对于开关特性,主要影响因素是载流子的寿命、漂移区的掺杂浓度以及导通电阻。
 
图2-7 IGBT的导通电阻分布
注释:(1)电导调制效应:随着 区注入少数载流子的增加,最终超过了 区的参杂浓度,即进入了大注入。N区的电中性要求P(x)=N(x),z这个浓度可以远大于背景参杂浓度,结果大大减小了N区的电阻率,这种现象称为电导调制。它可以传输一个大电流穿过N区,而开态电压很低。
(2)穿通型结构(Punch  Through,PT)IGBT: 在PT型的IGBT 和 之间插入了一个  层(缓冲层),在 的基础上外延生长而成的,在反向应用时,发生雪崩击穿之前,N耗尽层不断向P阱扩展以至于发生穿通。而没有 缓冲层的不会发生穿通现象。因为NPT-IGBT正反向的赖压是一样的,又称为对称型的IGBT,而NP-IGBT又称为非对称型的IGBT。
 
  第三章 IGBT的设计
在IGBT的设计中的主要电学指标有阈值电压、击穿电压、开关速度。阈值电压表明器件开启所需要的最小电压,击穿电压表明器件工作在关态时的最大耐压,开关速度关系到器件在高频电路中的应用范围。
3.1外延层的计算
在讨论IGBT的击穿机理的时候,先来讨论pn结的击穿机理[6],当pn结加反向电压的时候,pn结的反向电流很小,这个电流称为反向电流,并且当方向电压增加很快地趋向了饱和。当pn结的反向电压逐渐增大时,当电压增大到超过一个值 时,反向电流突然增大,这种现象称为pn结的击穿, 称为pn结的击穿电压。击穿机理有三种:
1)热击穿
当pn结加反向电压的时候,pn结的方向电流的功率会增加,随着pn结的产生的热量也会增加,如果产生的热量不能及时的散掉,那么随着温度的升高,反向电流随之增加,这样又引起pn结电流的增加,直至pn结被烧坏。
窄禁带的pn结或者漏电流较大的pn结容易发生热击穿。
2)隧道击穿
当pn结加反偏电压的时候,pn结的势垒升高。空间电荷区价带和到导带的水平距离随做反偏电压的增加逐渐变窄。这时p区的价带电子可能会超过n去导带电子的能量,p区的价带的电子有一定的几率穿越过禁带到达n区的导带,成为n区的电子。
当pn结的两侧的杂质浓度都比较到得时候,p+n+结的空间电荷区较窄,在相同的电压,下分布在空间电荷区的电场强度较高,所以容易发生隧道击穿。
3)雪崩击穿
当pn结外加电压很高的时候,空间电荷区的电压很强,载流子通过空间电荷区的时候可以获得到很到的能量,加速到很高的速度,当载流子的速度到达一定的时候时,能够在碰撞晶格的时候把晶格原子的最外层的电子激发出来产生电子和空穴对,产生的电子又可以碰撞其他的晶格原子产生电子空穴对,这样产生连锁反应,从而空间电荷区的电子空穴对的数量急剧的增加,由此引起的击穿叫做雪崩击穿。
雪崩击穿要求空间电荷区有很到的电场,同时需要很长的距离来加速,所以要求空间电荷区的宽度很宽,即要求pn结的极端或者两段的掺杂浓度较低,这时就容易发生雪崩击穿。
IGBT的击穿分为正向的击穿和反向的击穿。IGBT的发生正向击穿是J2结反偏,来承担电压降。IGBT的发生反向击穿的时候是J1结反偏,J1结承担电压降。
当IGBT正向应用时,是在IGBT的阳极加上正的电压,这时J1正偏,J2结反偏,这时可以看成P+N-N+的一个结构,而耗尽区是在P+N-的界面处,当电压增加时耗尽向两边延伸,由于P+区的杂质浓度比N-区的高得多,根据电中性原理,耗尽区的宽度主要在N-一侧,并且在N-区的一侧耗尽区的宽度很宽。这样在有足够强的电场的情况下,在N-区的载流子就会被加速到发生雪崩击穿的速度。所以IGBT的击穿机制是雪崩击穿机制。
IGBT的击穿可以用一个P+N结的击穿来近似,但是由于存在缓冲层,可能由P+N结的击穿近似与IGBT击穿会有一定的差距,但是差距不会很大的。
IGBT的击穿是由于雪崩击穿,当IGBT加正向的电压的时候,J2结反偏,当IGBT临界击穿的时候的电场分布图如3-1所示 
图3-1  IGBT的电场分布图
设在pn的雪崩击穿中,这时的  =20 [1],击穿电压为1000V,近似处理1000V=  , =100 。IGBT的击穿电压用P+N突变结来近似, ,可近似算的到 。但是在仿真的时候还要做进一步的调整。
3.2  栅氧化层的计算
要求设计阈值电压为3到6伏之间,需要调整栅氧化层的厚度。氧化层的厚度对 有一定的关系,当P阱的浓度一定的情况下,氧化层厚度和阈值电压近视成线性的关系。
                     (3-1)
所以        (3-2)
 栅氧化层的厚度,可以先设定下栅氧化层的厚度来实现3到6伏的阈值电压,设定d=600 =0.06 。
3.3 P阱的设计
P阱是硼注入后推进得到的,P阱决定了沟道的长度和表面浓度,对阈值电压有一定的影响。结深为 = 5.8  ,测得沟道的长度为沟道的长度为   =  4.1 ,p阱的表面浓度为
 =   atoms/            (3-3)
 = = = F/      (3-4)
  = =-0.432eV       (3-5)
    (3-6)
       =-0.865+4.83
       =3.965V
(上式的长度单位都转换为cm)
3.4 阴极N阱(NSD)的设计
N阱(NSD)是通过注入高浓度的N型杂质,然后经过退火工艺而得到的。N型阱的注入相同计量时,当扩散时间长时极深就深。向下扩散的时候同时横向扩散,影响了沟道的长度。
设计N型阱的浓度为  atoms/ ,极深为结深为0.4um,为很浅的结深用于当沟道导通时向沟道注入电子。
3.5 饱和电流的计算
当 逐渐增大,反型的沟道开始变窄, 随 的增加便得缓慢。但 增加到与 相等时,漏端发生夹断,这是的电压称为漏源饱和电压,简称饱和电压
  
这时的电流叫做饱和电流,大注入条件下, 可以由下式计算
  ,当 等于饱和电压时,
    ,当 不断增大时电流饱和了。
 
第四章IGBT的工艺仿真
4.1 工艺参数
衬底厚度为20微米、P型、浓度 
 
缓冲层厚度10微米、N型、浓度为 
 
N-外延层厚度为110微米、N型、浓度为 ,
 
栅氧化层厚度为0.06微米
多晶硅的厚度为5微米
P阱的结深为5.8微米、浓度 
 
N+发射区结深为0.4微米、浓度为 
 
4.2 使用Athena软件设计工艺流程
4.2.1 定义网格
工艺仿真之前需要先定义网格,Sivacol TCAD 是基于网格计算的仿真工具,在网格处计算其特性,而格点的总数不能超过20,000个。
在器件表面,结构复杂的地方定义较密的网格,在器件结构不复杂,器件的底部定义较稀疏的网格。做IGBT先定义P+衬底,杂质为硼,浓度为 厚度为20 。如图所示 
图4-1衬底初始化
4.2.2  外延缓冲层
然后外延生长一层N+的缓冲层,掺杂为磷,杂质浓度为 ,厚度为10微米。
 
图4-2 外延缓冲层
4.2.3  外延N-外延层
分两次外延,第一次外延网格比较稀疏的部分,在y大于10um以下的部分。
1)第一次外延,杂质为磷,杂质浓度为 ,厚度为110 ,
 
图4-3 第一次外延N-层
   2)第二次外延:由于在器件的表层浓度的变化比较大,对器件的性能的参数的影响较大,所以在表面定义较密的网格
 
图4-4 第二次外延N-层
外延完成后的总体的网格如图所示,器件的表层对器件的特性影响比较大,浓度变化剧烈,所以网格的密度较大,而离器件表层叫深的地方杂质的浓度变化缓慢,对器件的性能影响下小,所以定义较稀疏的网格。
 
图4-5 器件网格布局
4.2.4 在外延层上生长一层栅氧化层和多晶硅
栅氧化层的厚度为600 ,栅氧化层对器件有很大的影响,它的厚度影响了器件的阈值电压,
并且影响栅氧化层的耐压能力。多晶硅的厚度为5000 。然后再刻蚀掉X大于13微米的部分。
 
 
图4-6 氧化层和多晶硅
4.2.5  离子注入P-base、N+发射极
离子注入是把杂质元素的原子,进过离化后变成带电离子,然后在 电场中加速达到很大的速度,并且获得较大的能量,直接轰击到半导体的基片上,在半导体内就形成了杂质浓度分布。当离子与晶体碰撞时,一部分在今天的便面与晶体的晶格碰撞闪射掉了,另一部分注入到了半导体里面去了。离子在半导体内部运动的时候,由于与半导体内的原子和电子的无规则的碰撞,离子的能量逐渐减小,最终停留在了半导体内的某个位置。
离子注入在半导体里面形成了特定的分布,离子注入与扩散法形成的杂质分布不一样,离子注入的浓度的最大值不在硅片的表面,而到深入到硅片里的又一段的距离。
制作p-base时,先用离子注入在硅片较浅的的表面有一定剂量的杂质原子,再进过热扩散使杂质的结深向硅片里面深入。相当于有限表面源扩散。
当注入剂量一定的时候,而扩散结深  ,要让扩散的结深增加,有两个方法,一个是提高扩散的温度,第二个是增加扩散的时间。而在硅片内的杂质浓度主要有注入剂量来决定。
第一步:制作P-base ,要求浓度为 ,结深为5.8微米。
选择注入的能量为80KV的一般的注入的能量。粗约估计一个剂量,1.0e13,发现浓度不够,然后调整指数部分,但调到1.0e15时,发现浓度超了,就降低一个指数然后调整系数部分,先调整系数的个位部分,当调到3.0e14发现浓度超了,降低一个个位数,然后调整系数的小数部分,最终确定为2.2e14 的剂量。然后设定一个温度为常用的扩散的温度为1150摄氏度,然后调整扩散的时间,用同样的方法,小时从100、200、300、400试验然后再确定十位数,最终确定为550分钟的扩散时间来获得4.4微米的结深。
 
图4-7 P阱的杂质浓度分布
第二步:制作N+,浓度为 用与注入P-base同样的方法可以得到。由于N+的结深较小,可以选择注入能量为50KV。进过多次的粗调节和微调节,选择了磷离子的注入剂量为4e15,在930为度的温度下使用了85分钟的扩散时间。
 
图4-8两次扩散的杂质浓度分布
4.2.6 淀积AL、刻蚀掉不需要的部分
器件之间的互联是通过金属AL来实现的,定义电极之前先淀积一层AL,然后再刻蚀掉不需要的部分。
 
图4-9 淀积AL
4.2.7定义电极
分别在器件的表面左边、右边和底部分别定义了栅极、发射极和集电极。这样才能对IGBT外加电压,测出器件的特性。
 
图4-10 制作电极
 
图4-11 发射极下方的浓度分布
 
图4-12沟道的浓度分布
 
第五章 ……..器件的特性分析
5.1 分析器件的参数对阈值电压的影响
影响阈值电压的因数有栅氧化层厚度和,P-base 的杂志浓度;图5-1为栅氧化层的厚度为1000 ,P-base 的浓度为 的,集电极加10.0V的偏压时,测试IGBT阈值电压的图。
 
图5-1 器件的转移特性曲线
 由图可以看出IGBT的阈值电压在6.0V左右。当改变浓度P-base 的浓度为 ,栅氧化层的厚度为1000 时,测试IGBT的阈值电压的曲线图如图5-2所示。
   图5-2器件的转移特性曲线
与图5-1对比,图5-2的阈值电压明显下降了,可以看出,当P-base 的浓度的浓度降低时,IGBT的阈值电压明显的下降了,阈值电压为3.5左右。
其他的参数不变时,P-base 的浓度为 的,集电极加10.0V的偏压时,调整栅氧化层的厚度,调整栅氧化层的厚度为2000 时,IGBT的转移特性曲线如图5-3所示
 
图5-3器件的转移特性曲线
由图可以看出当增加山氧化层的厚度时,阈值电压明显的上升。可以在P-base 的浓度为 的时候调整栅氧化层的厚度来实现阈值电压为2到6伏之间,进过了比较,选择的栅氧化层的厚度为600 时,计算的阈值电压约为4V,IGBT的转移特性曲线如图5-4所示,
 
图 5-4器件的转移特性曲线
 
分析:IGBT器件的参数对阈值电压的与,MOSFET的原理是相同的,对于理想的MOSFET,阈值电压有两部分组成,IGBT也是一样的,一部分是由于开始强反型时半导体表面的电压降,一部分是由于栅氧化层的压降。半导体开始强反型时的表面势为
                           (5-1)
氧化层的压降可用氧化层电容来表示,即
                              (5-2)
试中, 为金属上的电荷面密度, 为单位面积的氧化层电容, 为半导体表面的电荷表面密度。 是由反型层的电荷 和耗尽层的电荷 两部分组成的。
 = +                                  (5-3)
临界反型的时候,反型层是很薄的一层, 相对于 来说是很小的一部分是可以不计的,于是有 约为 。
当强反型后,反型层的电子浓度随着栅极电压的增大而增大,对耗尽层起到了屏蔽的作用,使电场不再深入到半导体内,可用近似认为临界反型后的耗尽层不在变化,所以,对于N沟道的IGBT有:
 =                   (5-4)
所以IGBT的阈值电压可用表示为
                (5-5)
                (5-6)
 =               (5-7)
 为栅氧化层的厚度。
所以P-base的浓度下降时,平带电压 下降了,并且降落在栅氧化层上的电压以下降了。
当氧化层的厚度增加的时候, 减小,所以阈值电压就增加了。
综合:虽然较小的P-base的浓度可以得到较小的阈值电压,但是当把P-base的浓度降低到 ,发现IGBT的输出特性曲线出来了很明显的不饱和现象,即IGBT的电流不受到了栅极电压的控制,因此,选择了 的浓度作为P-base的杂质浓度;由于要求阈值电压在3到6伏之间,所以折中考虑了0.06微米的厚度。
 
图 5-5器件的转移特性曲线
5.2 IGBT输出特性曲线的仿真
N+发射极的浓度为 ,结深为0.4 ,p-base 的浓度 ,结深为5.8 侧得的输出曲线为 
 
图5-6 p-base 结深为5.8 
p-base的浓度不变,当调整p-base 的结深为5.0 和,5.5 时的输出图像为
 
图5-7  p-base 的结深 5.0 
 
图5-8  p-base 的结深 4.4 
分析:当 逐渐增大,反型的沟道开始变窄, 随 的增加便得缓慢。但 增加到与 相等时,漏端发生夹断,这是的电压称为漏源饱和电压,简称饱和电压
 
这时的电流叫做饱和电流,大注入条件下, 可以由下式计算
  ,当 等于饱和电压时,
    ,当 不断增大时电流饱和了。
由于atlas 仿真的时候默认的器件的宽度Z为1 ,所以器件的这个横截面的仿真的器件的宽度是不变的;由于p-base的掺杂浓度时不变的,所以电子的迁移率是不变的,阈值电压同时不变,当改变沟道的长度时不会引起其他的量的变化。
P-base是由离子注入之后,进过扩散之后形成的,N+发射极也是先离子注入在通高温扩散形成的,并且形成一定的结深。在器件的便面,P-base与N+进过扩散后所形成的结深之差就是沟道的长度。所以当N+的参数不改变的情况下,单独增加p-base的结深,从4.4 增加到5.0 ,再增加到5.5 ,从而得出三幅输出特性曲线,可以看出,当p-base的结深不断增加时,同时IGBT的沟道的长度也不断地增加,可以明显的看出IGBT在栅极的偏压都为10V的情况下,IGBT的饱和电流是逐渐的降低的。
综上所述:缩短沟道的长度可以增大IGBT的饱和电流,但是器件的不饱和程度逐渐上升了,如图4-8所示器件出现了严重的不饱和现象,所以中和和器件的输出特性,选择了P-base的结深为5.8微米,这样器件有个很好的输出特性曲线。
5.3 IGBT极的击穿特性的仿真
当IGBT的阳极加正的电压时, 结正偏,  结反偏,IGBT正向工作发生正向阻断的作用主要是 起作用。可以用P+N突变结来近视IGBT的正向击穿电压。而电压主要降落在外延层上,所以外延层的厚度和浓度对IGBT的击穿电压产生了主要的影响。外延层的厚度越厚,浓度越低,IGBT的击穿电压越大。通过P+N结的近似,外延层厚度 =100 ,浓度为 。击穿特性的曲线如图 5-9所示。
 
图 5-9击穿电压为700V
击穿电压约为750V。可增加外延层的厚度和设当降低浓度来调整IGBT的击穿电压到1000V。调整外延层的浓度为 ,并且调整外延层的厚度为130微米,得到了约为1000V的击穿电压,曲线如图5-10所示。
 
图5-10 击穿电压为1000V
 
第六章 结论
第一章阐述了课题的主要特点以及主要解决的问题,并介绍论文的结构安排。第二章主要介绍了了IGBT的主要结构、工作原理、动静态特性及其设计理论,并且对IGBT参数对器件的特性的影响作了定性的分析。第三章IGBT的结构设计,主要介绍了IGBT结构的外延层设计参数计算、栅氧化层的参数计算、P阱的设计、阴极N阱(NSD)的设计等。第四章IGBT的工艺仿真,主要介绍了利用Athena软件设计IGBT微观结构的工艺流程,并进行相关仿真,然后进行器件的特性分析,对达不到要求的参数进行调整,直到符合相关工艺要求为止。第五章最后主要分析了栅氧化层厚度和P-base杂志浓度参数对IGBT阈值电压的影响,并对IGBT的输出特性、击穿特性进行了仿真研究,得出的主要结论如下:
(1)较小的P-base的浓度可以得到较小的阈值电压,但是当把P-base的浓度降低到 ,发现IGBT的输出特性曲线出来了很明显的不饱和现象,即IGBT的电流不受到了栅极电压的控制,因此,选择了 的浓度作为P-base的杂质浓度;由于要求阈值电压在3到6伏之间,所以折中考虑了0.06微米的厚度。
(2)缩短沟道的长度可以增大IGBT的饱和电流,但是器件的不饱和程度逐渐上升,并且器件会出现严重的不饱和现象,所以中和器件的输出特性,选择了P-base的结深为5.8微米,这样器件有很好的输出特性曲线。
(3)用P+N突变结来近视IGBT的正向击穿电压。而电压主要降落在外延层上,故可以通过改变外延层的厚度和浓度来影响IGBT的击穿电压,经仿真研究得到,外延层的厚度越厚,浓度越低,IGBT的击穿电压越大。
(4)IGBT的击穿电压约为750V。可通过增加外延层的厚度和设当降低浓度来调整IGBT的击穿电压到1000V。调整外延层的浓度为 ,并且调整外延层的厚度为130微米,得到了约为1000V的击穿电压。
 
 
参考文献
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致谢
 
在即将本科毕业之际,我借此机会向尊敬的林洪文老师表示衷心的感谢。在我进行毕业设计期间,他总能细心的指导,并且启发式的教育,在解决问题的同时,又培养了我独立思考的能力。林老师渊博的知识和严谨的科研精神给我留下了深刻的印象,这些将使我终身受益。在这期间,我的同学、舍友给了我无微不至的关怀和帮助,在此向他们表示真心的感谢!
此外,还要感谢我的家人,是他们一直的鼓励和支持,使我勇往直前。感谢所有曾关心、帮助过我的老师、同学和朋友们!
最后向审阅本文的老师们表示深深的谢意!

[正文图表略.]
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