整晶圆IGBT芯片设计与研制

发布时间：2020-09-25 17:03

　　目前兆瓦至百兆瓦级大容量电力电子装置受限于传统晶闸管换流技术,普遍存在如下几个问题,其中包括开关频率比较低、谐波较高、体积也比较大、动态相应不好、易产生换相失误等缺点。虽然中小容量的电力电子技术发展较为成熟,但是,现代的电力电子技术最终也会进入到大容量电能转换应用领域。本论文进行的是整晶圆IGBT半导体器件方面的研究,提出基于一种隔离失效器件单元的整晶圆IGBT冗余设计思想的3300V整晶圆IGBT芯片的设计方法,并将这种结构设计方法结合工艺进行流片,本文围绕着3300V整晶圆IGBT芯片研制工作展开论述。本论文的主要工作如下:1、从半导体功率器件概述和IGBT的发展历程的角度出发,说明整晶圆大容量IGBT的研究必要性和研究意义。2、对IGBT器件的结构及基本工作原理进行分析讨论,然后结合IGBT器件的电学特性提出一种3300V整晶圆IGBT器件的元胞优化设计和终端优化设计,并确定元胞的尺寸参数,再根据优化前流片测试的结果提出了两套解决方案,利用不同的两套版图优化设计实现整晶圆大容量IGBT芯片的电学特性。3、对上述两套版图流片结果进行对比测试分析研究,对所研制的两套3300V整晶圆IGBT芯片进行了静态参数测试。发现两套版图优化方案的效果较为理想,都基本达到了预期结果。但是其中第二套版图方案(16个完全相同且独立的IGBT区域)只有部分区域有电学特性,也说明目前整晶圆IGBT工艺还需改善,提高其良品率。
【学位单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN322.8
【部分图文】：

穿通,提拉法生长,少子寿命,第二代

要外延的漂移区Ｎ层比较厚，加工时间长，成本高，且外延片一般比单晶片缺陷逡逑多，会导致最终的良品率降低［９］。第一代ＩＧＢＴ结构同时采用异质外延ＤＭＯＳ工逡逑艺制备，利用多晶硅栅作为掩膜，两次扩散工艺形成导通沟道，如图１．１。逡逑栅极逡逑发射极逡逑ｐ＋邋杝—0逦．逡逑！邋ｉ邋逦逦１＂＂邋ｉ．逡逑！逦！逦ｐ逦：逡逑Ｐｌｕｇ邋．卜—＿，逡逑Ｉ逡逑ｉ逡逑Ｉ逦Ｉ逡逑Ｎ－漂移区逡逑Ｉ逡逑Ｖ；逡逑Ｎ￣：．邋ｐ＋逦ｊ逡逑集电极逡逑图１．１第一代平面栅穿通ＩＧＢＴ元胞结构逡逑第二代采用最优化理念，用精细的平面栅结构，如图１．２所示，精密优化元逡逑胞图形和少子寿命，在ＣＺ晶片（通过Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ提拉法生长的单晶娃晶圆片）逡逑上制备的非穿通（ＮＰＴ）型ＩＧＢＴ。第二代ＮＰＴ型中有的部分在多晶硅栅极的窗逡逑口中央形成一个深Ｐ＋区域，来抑制寄生晶闸管的闩锁。相比第一代其开关速度有逡逑了大大地提升，开关损耗更低［１（）１。逡逑３逡逑

元胞,穿通结构,沟槽,少子

集电极逡逑图１．２第二代平面栅非穿通ＩＧＢＴ元胞结构逡逑第三代采用的是沟槽栅穿通结构，如图１．３所示，精密优化元胞图形和少子逡逑寿命，沟槽栅提供给ＩＧＢＴ结构中的ＭＯＳＦＥＴ更高的沟道密度，同时消除ＪＦＥＴ逡逑电阻分量，此外增强了发射极附近Ｎ漂移区内的自由载流子浓度，对于高开关速逡逑度的器件，与具有同样阻断电压能力的平面结构比较，这些现象减小了导通压降。逡逑１７００Ｖ邋的邋ＩＧＢＴ邋面世［１１］。逡逑栅极逡逑＆Ｗ０ＨＳＭＪ邋NB邋＂Ｉ、逡逑＿曜冠邋Ｐ＋邋：逡逑｜逦１逦；邋Ｉ逦Ｉ逡逑ｐ逡逑Ｐ＋邋Ｐｌｕｇ逡逑ｊ逦—邋一．：——，逡逑Ｊ逡逑｜逡逑Ｎ－漂移区逡逑Ｎ＋逡逑Ｐ＋逡逑集电极逡逑图１．３第三代沟槽栅穿通型ＩＧＢＴ元胞结构逡逑第四代基于沟槽栅结构并结合己优化的包含漂移区、场终止层、后端发射极逡逑的纵向结构。如图１．４所示，高压ＩＧＢＴ电压突破２０００Ｖ，采用非穿通结构［１２］。逡逑４逡逑

沟槽,漂移区,穿通型,元胞

逑集电极逡逑图１．２第二代平面栅非穿通ＩＧＢＴ元胞结构逡逑第三代采用的是沟槽栅穿通结构，如图１．３所示，精密优化元胞图形和少子逡逑寿命，沟槽栅提供给ＩＧＢＴ结构中的ＭＯＳＦＥＴ更高的沟道密度，同时消除ＪＦＥＴ逡逑电阻分量，此外增强了发射极附近Ｎ漂移区内的自由载流子浓度，对于高开关速逡逑度的器件，与具有同样阻断电压能力的平面结构比较，这些现象减小了导通压降。逡逑１７００Ｖ邋的邋ＩＧＢＴ邋面世［１１］。逡逑栅极逡逑＆Ｗ０ＨＳＭＪ邋NB邋＂Ｉ、逡逑＿曜冠邋Ｐ＋邋：逡逑｜逦１逦；邋Ｉ逦Ｉ逡逑ｐ逡逑Ｐ＋邋Ｐｌｕｇ逡逑ｊ逦—邋一．：——，逡逑Ｊ逡逑｜逡逑Ｎ－漂移区逡逑Ｎ＋逡逑Ｐ＋逡逑集电极逡逑图１．３第三代沟槽栅穿通型ＩＧＢＴ元胞结构逡逑第四代基于沟槽栅结构并结合己优化的包含漂移区、场终止层、后端发射极逡逑的纵向结构。如图１．４所示，高压ＩＧＢＴ电压突破２０００Ｖ，采用非穿通结构［１２］。逡逑４逡逑

【参考文献】