[發(fā)明專利]一種IGBT的設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010052816.4
• 申請(qǐng)日: 2020-01-17
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111159921B
• 公開(kāi)（公告）日: 2023-06-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陶少勇;溫世達(dá);呂磊
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 安徽瑞迪微電子有限公司
• 主分類號(hào): G06F30/20
• 分類號(hào): G06F30/20;H01L29/739
• 代理公司: 蕪湖安匯知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 34107
• 代理人: 鐘雪

本發(fā)明適用于IGBT設(shè)計(jì)制技術(shù)領(lǐng)域，提供了一種IGBT的設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟：S1、構(gòu)建IGBT的元胞模型；S2、在IGBT元胞模型上調(diào)整單一的IGBT參數(shù)，IGBT參數(shù)包括元胞結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)，獲取各IGBT參數(shù)在不同取值下的IGBT性能指標(biāo)值；S3、通對(duì)各IGBT參數(shù)對(duì)應(yīng)的IGBT性能指標(biāo)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行曲線擬合，獲取多組IGBT參數(shù)與IGBT性能指標(biāo)的擬合曲線及其對(duì)應(yīng)的函數(shù)；S4、將各組IGBT參數(shù)與IGBT性能指標(biāo)的函數(shù)導(dǎo)入目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)，在IGBT的元胞模型中將各IGBT參數(shù)作為輸入量，IGBT的目標(biāo)性能指標(biāo)作為輸出量，搜索符合IGBT的目標(biāo)性能指標(biāo)的最優(yōu)IGBT參數(shù)組合。可以通過(guò)仿真軟件快速定位所需的IGBT結(jié)構(gòu)并確定其結(jié)構(gòu)工藝參數(shù)，極大縮短了IGBT的設(shè)計(jì)周期與設(shè)計(jì)成本。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于IGBT設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，提供了一種IGBT的設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)

隨著家電的變頻化，變頻電控系統(tǒng)中IGBT(Insulated?Gate?BipolarTransistor，絕緣柵雙極型晶體管)是驅(qū)動(dòng)變頻電機(jī)或變頻壓縮機(jī)的不可或缺的功率器件，在節(jié)能減排的事業(yè)中扮演著越來(lái)越重要的角色。

IGBT是針對(duì)晶閘管MOS柵極設(shè)計(jì)，是一種具有V形溝通區(qū)域的垂直四層結(jié)構(gòu)，其中包含了MOS柵極結(jié)構(gòu)。IGBT是在MOS結(jié)構(gòu)上串聯(lián)設(shè)計(jì)一個(gè)正向?qū)ǘO管，在導(dǎo)電時(shí)通過(guò)該二極管向MOS結(jié)構(gòu)的漂移區(qū)注入大量多數(shù)載流子，從而增強(qiáng)了MOS管的電流能力；在截止時(shí)，二極管也截止，又可以增強(qiáng)MOS管本身的耐高壓能力。目前的IGBT有PT、NPT、FS、Trench四種：

PT-IGBT是將MOSFET的N+襯底被替換為P+襯底。制作工藝上，為了解決寄生的閂鎖效應(yīng)，首先在P+襯底上外延生長(zhǎng)一層中等摻雜的N緩沖層，并且N緩沖層的摻雜濃度約為1×10¹³。由于在外加反向偏壓時(shí)，漂移區(qū)的電場(chǎng)會(huì)穿透N緩沖層，電場(chǎng)在縱向上的分布呈現(xiàn)梯形狀。

由于PT-IGBT的漂移區(qū)是通過(guò)外延的方法制作，因此漂移區(qū)的厚度無(wú)法做得很厚，這就導(dǎo)致器件的耐壓能力有限。此外，由于P+集電區(qū)的摻雜濃度很高，導(dǎo)致集電結(jié)的注入效率過(guò)高，器件的開(kāi)關(guān)特性不能滿足高端變頻家電的使用需求。

另外一種是NPT-IGBT。相比于PT-IGBT，NPT-IGBT的漂移區(qū)通過(guò)本底摻雜而實(shí)現(xiàn)，厚度占整個(gè)器件厚度的70％以上，且沒(méi)有采用N緩沖層。同時(shí)NPT-IGBT的P+集電區(qū)的厚度降到了小于器件總厚度的20％以下。此外，背部的P+集電區(qū)是通過(guò)離子注入的方法形成，集電區(qū)的摻雜濃度控制在約為1×10¹⁴的水平，從而降低集電結(jié)的注入效率。

由于NPT-IGBT未采用緩沖層，因此在器件工作在阻斷狀態(tài)時(shí)，縱向電場(chǎng)呈現(xiàn)三角形分布，這就要求漂移區(qū)的厚度要更厚，但是這就會(huì)導(dǎo)致正向?qū)▔航瞪摺?/p>

第三種是FS-IGBT。FS-IGBT是在NPT-IGBT的基礎(chǔ)上增加了FS層用于截至電場(chǎng)，使得縱向電場(chǎng)的形狀由三角形變?yōu)樘菪危@是吸收了PT-IGBT的優(yōu)點(diǎn)，使器件的厚度得到顯著地降低。在相同耐壓的情況下，F(xiàn)S-IGBT的厚度約為PT-IGBT的三分之一。與PT-IGBT中緩沖層不同的是，F(xiàn)S的作用僅限于截至電場(chǎng)，而緩沖層還有降低集電結(jié)注入效率的任務(wù)。因此，F(xiàn)S層的濃度要低于緩沖層的濃度。

由于FS-IGBT天然存在JFET區(qū)，這一區(qū)域會(huì)導(dǎo)致IGBT的導(dǎo)通壓降較大。

第四種是Trench?IGBT。為了解決FS-IGBT固有的缺陷，槽柵結(jié)構(gòu)被運(yùn)用到FS-IGBT中。槽柵結(jié)構(gòu)通過(guò)將JFET區(qū)刻蝕掉，降低了IGBT的導(dǎo)通壓降。

由于Trench?IGBT槽柵結(jié)構(gòu)也存在著溝道密度大、飽和電流大等缺點(diǎn)，可以通過(guò)采用寬元胞設(shè)計(jì)、Dummy結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)一步解決。但是元胞設(shè)計(jì)尺寸以及Dummy結(jié)構(gòu)的比例應(yīng)該如何設(shè)計(jì)，是目前Trench?IGBT性能改善的技術(shù)瓶頸之一。