基于沟槽栅工艺的600V IGBT器件仿真设计文献综述

1. 文献综述（或调研报告）：
2. IGBT发展历程

二十世纪七十年代，一种采用绝缘栅、依靠感应原理输入信号的电压控制型器件MOSFET(金属-氧化物半导体场效应晶体管)出现，它具有输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单、开关速度高等优点，但是其导通电阻大、通流受限，且工作电压有限^[13]。与此同时，BJT（双极结型晶体管）具有大电流和低导通压降的优点。因此，通过将MOSFET与BJT的优点结合起来设计出了IGBT。IGBT即绝缘栅双极型晶体管，具有输入阻抗高、开关速度快、热稳定性好、 电压驱动、通态压降低等优点，因而IGBT在高频高压大电流情况下具有显著的优势。然而实际上仅仅是简单组合而成的第一代IGBT器件的特性表现并不出众，于是从上世纪八十年代至今，IGBT结构和性能历经了数次较大的改进和变革。IGBT的发展是按照不同的路径和芯片技术进行的。不论是通过减少芯片面积来降低成本，还是提高特性使之更接近理论值，都基于3个基本途径^[13]：

1. 简化单元结构/减少芯片面积/提高电流密度；

（2）减薄芯片厚度，提高芯片性能；

（3）提高芯片的可靠工作温度

1. IGBT器件结构与工作原理

沟槽栅型IGBT结构^[12] 平面型 PT-IGBT 基本结构与工作原理图^[15]

上图为两个典型的IGBT结构，其基本工作原理如下^[15]：

1. 理论上，发射极总电流由与PIN二极管串联的MOSFET、PNP晶体管和PNPN晶闸管3部分电流组成，其相对大小与具体结构和工作条件有关。在大电流情况下，晶闸管开启，会使得正常的IGBT栅极控制作用失效，导致器件失效；
2. 在每个元胞的p型阱区中心处铝电极将pn结短路，并且加深n型源区下的p阱深度，两者均为了抑制晶闸管的作用，避免锁定；
3. p 集电区与n-耐压层之间加入一个n 缓冲层，其作用是用更薄的n-层得到同样的耐压，从而减小通态压降和开关时间；
4. 必须采用电子辐照等寿命控制技术，以提高开关速度

因为IGBT在日常生活中，常常作为功率开关，因而必须耐高压高频大电流，由于结构的限制，必须对IGBT的器件结构进行一定的优化，在IGBT发展过程中，出现了多种改善IGBT性能的技术，比如：

1. 载流子增强技术^[16]：

对于传统的IGBT结构，漂移区内载流子的浓度分布曲线从集电极到发射极下降很快，特别是在p基区层和漂移区的边界处载流子浓度下降为0。当IGBT关断，栅极电压下降到阈值电压时，器件开始承压，此时负载电流依旧存在。随着器件两端电压Vce的上升，发射极一侧的阻断结(p基区与n漂移区结)空间电荷区逐渐展开，此时空间电荷区内部形成较强的电场，漂移区靠近发射极一端的载流子在电场作用下被迅速扫出。载流子的扫出造成了器件的拖尾电流，在载流子寿命较高的情况下，拖尾时间很长，会产生较高的关断损耗。为了降低 IGBT 在关断时拖尾电流造成的损耗，研究者们提出了一个想法: 由于发射极一侧的载流子在强电场作用下可以被迅速扫出，因此发射极一侧较高的载流子掺杂浓度并不会导致关断损耗 明显的增大。如果能够降低集电极一侧的载流子浓度，同时增加漂移区一侧的载流子浓度，就可以保证器件通态压降Vce( on)不增大的情况下降低关断损耗(Eoff)，从而达到优秀的 Vce(on)-Eoff折中特性。这就是载流子增强技术的初衷。而这一想法可以通过两种基本的方式实现:①调节IGBT中pin区域和pnp区域的比例;②在发射极一侧设置载流子存储层。

1. 低米勒电容结构^[12]：IGBT的开关过程就是对栅极电容进行充放电的过程，栅极电容越大，充放电时间越长，因此在IGBT的开关过程中，栅极电容特别是栅极-集电极（米勒）电容对器件的开关损耗等具有重要的影响。近年来，业界提出了多种减小栅极电容，特别是栅极-集电极（米勒）电容的新结构。2015年K.Ohi等人提出了分离沟槽栅IGBT（SGFP-IGBT）结构。在沟槽内形成左右分离的分别连接发射极和栅极的多晶电极，通过与发射极连接的多晶电极的电荷屏蔽作用减小器件的米勒电容。实验获得的SGFP-IGBT和传统 FP-IGBT结构正向导通压降与关断损耗折中特性以及续流二极管反向恢复dv/dt随栅极电阻的变化，可以看出，无论是正向导通压降和关断损耗的折中特性还是栅极对续流二极管反向恢复dv/ dt的可控性均有显著的提升。
2. 超结IGBT的研究进展^[12]:由于超结IGBT的高单位漂移区耐压和关断时p/n 柱反偏结耗尽区的横向扩展，其具有比传统IGBT更好的器件性能。近几年，大量的文献对各种超结IGBT结构进行了理论研究，均展示了好的仿真结果。 2016年，Kwang-Hoon Oh等人报道了650 V 超结平面FS和NPT型IGBT的实验结果，在250A/cm2电流密度下获得了低的正向导通压降，并展示了较好的关断下降时间和导通压降性能的折中特性。同时，经过对FS和NPT两种类型超结IGBT的短路能力进行初步测试，展示出NPT型超结IGBT较好的短路工作能力。
3. RC-IGBT的研究进展^[12]：在大多数的应用中，IGBT需要与续流二极管(FRD)反并联使用。将IGBT与反并联FRD集成的RC-IGB不仅能节省成本，减小芯片和模块的体积，而且减小了模块内部打线的数量，提高了可靠性 , 是IGBT的发展方向之一。然而，对于RC-IGBT，由于背部N型集电区引入的寄生MOS结构会导致snap-back现象，在这一定程度上限制了 RC-IGBT的可靠应用。 近年来，针对这一问题，通过优化器件结构和制备工艺，引入一些新的效应或工作机制，业界提出了多种器件新结构，如具有反平行肖克莱二极管的RC-IGBT， 集电极具有二极管连接MOS结构的RC-IGBT，BIGT(bi-mode insulated gate transistor)，Enhanced Trench (ET)BIGT以及SJ RC-IGBT等。在RCIGBT新结构研究方面，提出了浮空P区槽氧RC-IGBT、浮空P-plug RC-IGBT、双NPNRCIGBT和具有带间遂穿效应的RC-IGBT等结构。此外，Infineon公司也推出了电压高达6500 V的具有二极管反向恢复控制的 RCDC IGBT 器件 ，通过栅极信号的精确控制可获得低的二极管导通压降和反向恢复特性的折中。

1. RB-IGBT的研究进展^[12]：在矩阵变换器等需要双向功率控制的领域，需要双向功率开关。由于全集成的双向IGBT制备困难，在中高功率领域，具有反向阻断能力的RB-IGBT是构成双 向功率开关的理想器件。RB-IGBT是在传统IGBT结构的基础上，通过结构的设计使器件具有匹配的正向和反向阻断能力。目前，在NPT型IGBT结构的基础上， 通过在终端外围引入对通隔离的P型区，业界实现了NPT型RB-IGBT的批量供货。然而，传统的NPT型RB-IGBT 由于漂移区较厚，正向导通压降和关断损耗 等较大。近年来，针对传统NPT型RB-IGBT的不足， 业界也同时开展了RB-IGBT新结构的研究。提出了的具有双向电场增强作用的场阻型 RBIGBT(BEFE-RB-IGBT)器件。在相同的双向阻断耐压下，相比于传统的NPT型RB-IGBT，该结构显著减小了漂移区的厚度，提升了正向导通压降和关断损耗的折中特性。在此基础上，进一步提出了具有集电极短路沟槽的超结RB-IGBT结构，通过超结的作用提升了RB-IGBT器件的性能。

三．IGBT理论极限^[1]：

研究人员通过建立一种包括静态导电和关闭过程的IGBT分析模型，并在Silvaco进行了二维仿真验证。研究发现，P 集电极单位面积杂质含量(Q _P )和载流子浓度斜率(K)这两个关键器件结构参数对器件静态和动态性能有显著影响。结果表明，随着K的增加，IGBT的通态电压(V_on)降低。当K = K_max,V_on和 Q_P 一同减小并最终将饱和于最小值(室温下，J=100/cm²，W=110mu;m时为0.835V)^[1]。当应用时需要考虑开关损耗时，对于给定的工作条件（V_dc,I_load,f_sw,D,J）,需要进行 V_on 和 E_off 定量的权衡以得到最优的器件结构权衡（K 和 Q_P ）。 将这些最优器件与最先进的商业 IGBT 产品进行了比较，在高和低开关频率下，当前先进的IGBT仍有很大的改进空间。此外，还发现器件的散热能力限制了器件芯片尺寸的减小。对于系统设计人员来说，热问题变得至关重要，需要在芯片大小(成本)和封装/冷却系统(成本)之间做出妥协，以实现整个系统成本的优化。

1. 方案（设计方案、或研究方案、研制方案）论证：

本课题基于Sentaurus平台进行仿真设计

Sentaurus简介:

SentaurusTCAD全面继承了Tsuprem4，Medici和ISE-TCAD的特点和优势，它可以用来模拟集成器件的工艺制程，器件物理特性和互连线特性等。

SentaurusTCAD提供全面的产品套件，其中包括Sentaurus Workbench, Ligament, Sentaurus Process, Sentaurus Structure Editor, Mesh Noffset3D, Sentaurus Device, Tecplot SV，Inspect, Advanced Calibration等等。Sentaurus Process和Sentaurus Device可以支持的仿真器件类型非常广泛，包括CMOS，功率器件，存储器，图像传感器，太阳能电池，和模拟/射频器件。Sentaurus TCAD还提供互连建模和参数提取工具，为优化芯片性能提供关键的寄生参数信息。

Sentaurus Device器件仿真工具简介:

Sentaurus Device是新一代的器件物理特性仿真工具，内嵌一维、二维和三维器件物理模型，通过数值求解一维、二维和三维泊松方程、连续性方程和运输方程，可以准确预测器件的众多电学参数和电学特性。Sentaurus Device支持很多器件类型的仿真，包括量子器件，深亚微米MOS器件，功率器件，异质结器件，光电器件等。此外，Sentaurus Device还可以实现由多个器件所组成的单元级电路的物理特性分析。

实现Sentaurus Device器件物理特性仿真的器件物理模型仍然是泊松方程、连续性方程和运输方程。基于以上物理模型，派生出了很多二级效应和小尺寸模型，均被添加Sentaurus Device中。

Sentaurus Workbench（SWB）简介:

Sentaurus Workbench基于集成化架构模式来组织、实施TCAD仿真项目的设计和运行，为用户提供了图形化界面，可完成系列化仿真工具软件，以参数化形式实现TCAD

项目的优化工程。Sentaurus Workbench支持实验设计优化，参数提取，结果分析，参数优化等，实现了集成化的任务安排，从而最大限度地利用了可计算资源，加速了TCAD仿真项目的运行。

沟槽栅IGBT器件由元胞结构和器件终端区结构构成^[18]。元胞结构主要由栅极、层间绝缘层、接触孔、金属集电极和钝化层等组成^[6]。沟槽栅 IGBT元胞基本呈 U 型垂直于晶圆表面 ^[6]。 较常见的条形元胞结构能方便地增加元胞密度，便于芯片布局；同时，引入“假栅”的设计，较容易实现饱和压降、开关损耗以及短路特性的折衷，使其安全工作区更宽^[18]。沟槽栅结构设计采用深宽比较大的条形沟槽元胞，而晶背缓冲层和P发射极均可参考平面栅IGBT背面结构。

沟槽栅纵向结构示意图^[18]

IGBT元胞结构设计 ：

1）IGBT正向压降设计^[17]

导通压降：

优化正向压降步骤：

（1）对于MOS通路相关的元胞参数栅宽LG和P-阱宽Lwell进行优化，使得MOS通路电流密度IMOS/ACELL最大；
（2）对BJT通路的另一相关参数P 阱宽LDP进行合理选取，使得器件的闩锁电流阈值尽量高。

减小正向压降采取的措施：

▲使用穿通型结构

▲提高少子寿命

▲N-漂移区尽量薄

▲减小沟道电阻，降低栅氧厚度

▲减小JFET电阻，使用沟槽栅

提高开关速度采取的措施：

▲降低少子寿命

▲采用具有N 缓冲层的PT型结构

▲降低PNP晶体管电流增益

开关速度和导通压降这两个参数优化有时存在着矛盾，因此必需根据设计者的需要进行折衷考虑。

2）IGBT正向阻断电压的设计^[17]：

IGBT的正向阻断电压主要由J2结提供，其性能取决于N-漂移区的掺杂浓度和厚度；

实际是PNP晶体管基极开路时的击穿电压BVCEO，即正向阻断电压VCE可表示为：

beta;^*为基区输运系数

gamma;为发射结注入效率

BV_CBO为PNP发射结开路时的击穿电压

通过正向阻断电压的需求来确定N-材料的电阻率与厚度

对于NPT型IGBT：

对于PT型IGBT：

W_B表示N-层中耗尽区的宽度

q表示电子电荷

ε表示硅介电常数

3）元胞几何图形考虑^[17]

正向导通压降：

条形＞方形＞圆形＞MSS

闩锁电流密度：

MSS ＞条形方形＞圆形

4）IGBT元胞仿真设计^[17]

IGBT参数设计指标：

接下来以Medici作为器件仿真工具进行元胞仿真

由于元胞的对称性，仿真时只需建立半个元胞即可

采用穿通型/非穿通型结构

器件参数赋值

在器件构造和仿真过程中，器件剖面结构、网格、掺杂和正向阻断电压的数据文件分别被保存在名为PROFILE、afterregrid、IGBT和bvds的这四个文件中。

medici程序运行后输出图形，包括：

器件网格分布图、器件纵向掺杂浓度分布图、器件表面横向掺杂浓度分布图、器件正向阻断电压仿真图、器件电力线的分布图、器件正面电场分布图。

综上，本次课题对600V沟槽栅IGBT元胞部分进行仿真设计。通过Sentaurus多个设计模块对器件各个部分的结构、参数进行设计，从而使IGBT(OP=350V)达到所需性能指标：

1. 击穿电压ge;600V
2. 阈值=4V
3. 导通压降le;1.5V@100A/cm²
4. 抗栓锁能力ge;3000A/cm²

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