1200V薄晶圆高击穿鲁棒性FS-IGBT设计

发布时间：2020-06-09 02:11

【摘要】：绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)具有导通压降小、电流密度大、耐压高、开关速度快及热稳定性好等优点,在电力电子系统中得到了广泛的应用。薄晶圆场截止型IGBT(Field Stop IGBT,FS-IGBT)由于其低损耗已成为当前设计发展的主流,但其存在击穿鲁棒性较低的问题。本文旨在解决1200V薄晶圆FS-IGBT的低击穿鲁棒性问题。本文首先介绍了FS-IGBT的工作原理、制备工艺流程,以及样品芯片的结构尺寸等基本信息。其次,对样品芯片进行了击穿特性测试,发现原有FS-IGBT芯片在击穿电流达到1mA时会发生失效。本文对此失效机理进行了深入研究,发现FS-IGBT击穿失效主要发生在终端过渡区和元胞区。FS-IGBT在终端过渡区失效的原因是过渡区深沟槽底部与终端区场限环结弯曲处的局部电场集中效应形成击穿薄弱点;在元胞区的失效主要是由于FS-IGBT器件存在严重的击穿负阻特性,进而导致电流集中效应。再次,本文优化设计了一款高击穿鲁棒性的FS-IGBT器件,在终端过渡区设置了带有零电位的深P-ring环,消除了终端过渡区的击穿薄弱点,在元胞区采用了沟槽栅底部带有重掺杂薄N型层的电场调制型IGBT(Electric Field Modulation IGBT,EFM-IGBT)元胞结构,改善了FS-IGBT击穿负阻特性与导通压降的折中关系,从而实现降低器件导通损耗的同时,提升器件的击穿鲁棒性。流片测试结果表明:所设计的FS-IGBT器件击穿电压为1250V,在电流密度100A/cm~2下的导通压降为1.478V,击穿失效电流大于8mA,各项参数均达到设计指标。
【图文】：

东南大学工程硕士学位论文非常突出的优点：采用单晶衬底，对于高压 IGBT 而言，成本得到控制；背面 P 型集电极区的掺杂浓度远远小于 PT-IGBT 的集电极，从而集电极的注入效率降低，无需寿命控制技术来减小关断损耗和关断时间这样减少了寿命控制的成本；且此时衬底层相对变薄，器件的热阻得到降低，有利于器件散热。继而又演变出了结合透明集电极技术的 LPT-IGBT 用于改善器件的开关特性，其晶圆厚度进一步减薄，如图 1-1（所示。2000 年，工程师提出了 FS-IGBT[1]，它在背面减薄之后进行硼离子注入之前做一个 N+缓冲层，该缓冲层的引入使得电场强度在此层中迅速减小到零而实现电场截止，从而漂移区整体电场近似呈梯形分布极大地减小了漂移区的厚度，如图 1-1（d）所示。

第一章 绪论，因此平面栅结构在高压 IGBT（3300V 及以上电压等级）中被普遍采后，栅电容能够进一步降低且其他的电学特性也可以得到改进，如栅存全工作区测试中的栅电压过冲减小等。而沟槽栅结构将沟道从横向变 区电阻的影响，且元胞密度增大，更有利于实现低功耗，因此沟槽栅以下电压等级）产品中。但是实际工艺中沟槽刻蚀后硅表面粗糙，，会集中，影响击穿电压，而且沟槽栅结构使得多晶硅栅面积增加，栅电容会导致其短路能力降低等。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN322.8

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本文编号：2704018