（微电子学与固体电子学专业论文）soi+ligbt的优化设计方法研究.pdf

杭州电子科技大学硕士学位论文 摘要 绝缘栅双极晶体管i g b t ( i n s u l a t o rg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ) 是m o s 栅器件结构与双极晶 体管结构相结合进化而成的复合型功率器件，具有功率m o s 器件和b j t 器件的双重特点， 在通态电流和开关时间之间具有更好的折衷特性，在许多功率变换系统中，已经取代了大功 率双极晶体管和功率m o s 场效应管。基于s o i 材料的l i g b t ( l a t e r a li n s u l a t o rg a t eb i p o l a r t r a n s i s t o r ) 具有绝缘性能好、寄生电容小、较低的泄漏电流及集成度高等优点，并且其制作 工艺与s o i - c m o s 工艺相兼容，容易实现。因此它将成为智能功率集成电路的核心部件之一， 被广泛应用于家电产品、环保型汽车及工业生产等领域，是未来市场极具潜力的半导体功率 器件。 本文首先介绍了s o i 材料的制备及其优缺点，概述了s o il i g b t 器件的研究进展及发展 趋势。然后介绍了s o il i g b t 器件的基本结构、工作模式和主要电学特性( 转移特性、输出 特性、关断特性、闩锁特性) 。根据半导体器件理论建立了阈值电压的解析模型，研究了阈值 电压与沟道表面浓度的关系，为器件的阈值电压设计提供理论依据；分析了提高器件击穿电 压的场板原理和r e s u r f 原理，估算满足设计要求的漂移区参数；定性半定量的推导了影响 器件闩锁电流的因素，提出提高器件闩锁电流的措施，为优化器件性能提供依据；分析了抗 静电原理，设计具有抗e s d 的器件结构；介绍器件仿真工具s i l v a c ot c a d 工具，并采用s i l v a c o t c a d 工具对初步设计的器件参数进行工艺和器件仿真。详细的研究了器件击穿电压与缓冲 区浓度、漂移区浓度、缓冲区结深、埋氧层厚度和场板的关系，探索提高器件击穿电压的方 法；对影响器件通态电流的因素( 缓冲区参数和沟道长度) 进行研究，探索降低器件通态电 阻的方法；为提高闩锁电流，扩展器件的安全工作区，对影响闩锁的因素进行了研究；同时 对器件的抗e s d 特性进行优化。然后设计了器件的工艺流程，根据电学特性要求确定工艺参 数。最后设计计算并采用t a n n e rl e d i t 绘制器件版图，所设计的器件满足了设计指标要求。 关键词：s o i ，l i g b t ，闩锁，功率器件 杭州电子科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i n s u l a t o rg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ( i g b t ) i sak i n do fc o m p o s i t ep o w e rd e v i c e ，w h i c hi sm a d e u po f c o m b i n a t i o n so f m e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o rd e v i c es t r u c t u r ea n db i p o l a rj u n c t i o nt r a n s i s t o r d e v i c e s t r u c t u r e 一i t h a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fb o t hp o w e rm o sd e v i c ea n db 盯d e v i c ea n di t sa b e t t e rc o m p r o m i s eb e t w e e no n - s t a t ec u r r e n ta n dt u r no f ft i m e i g b th a st a k i n gt h ep l a c eo f h i g h - p o w e rb j ta n dp o w e rm o s f e ti nl o t so fp o w e rt r a n s f o r m a t i o ns y s t e m s l a t e r a li n s u l a t o r g a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ( l i g b t ) b a s e do ns i l i c o no ni n s u l a t o r ( s o dm a t e r i a lh a sb e t t e ri n s u l a t i n g p r o p e r t y , l o w e rp a r a s i t i cc a p a c i t a n c e ，l o w e rl e a k a g ec u r r e n t ，h i g hi n t e g r a t i o nl e v e la n ds o m eo t h e r a d v a n t a g e s ，t h em o s ti m p o r t a n ti s t h a tt h ef a b r i c a t i o np r o c e s si s c o m p a t i b l ew i t hs o i - c m o s p r o c e s s i tw i l lb e c o m et h ek e yp a r to ft h es m a r tp o w e ri ca n dw i l lb eu s e dw i d e l yi nh o u s e h o l d e l e c t r i c a la p p l i a n c e s ，e n v i r o n m e n tf r i e n d l ym o t o r sa n di n d u s t r i a lp r o d u c t i o na n ds oo n ，a l s oi t i s c o n s i d e r e da st h em o s tp o t e n t i a lp o w e rd e v i c ei nt h ef u t u r ef o rs p i c sa p p l i c a t i o n s i nt h i sp a p e r , t h ef a b r i c a t i o nm e t h o do fs o im a t e r i a la n di t sm e r i t sa n dd e m e r i t sa r ei n t r o d u c e d a tf i r s t o nt h eb a s et h a tt h er e s e a r c hp r o g r e s sa n dd e v e l o p m e n tt r e n do fs o ll i g b td e v i c ei s s u m m a r i z e d s e c o n d l yt h e b a s i c s t r u c t u r e ，o p e r a t i n g m o d ea n dm a i ne l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ( t r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c ，o u t p u tc h a r a c t e r i s t i c ，t u r n - o f fc h a r a c t e r i s t i ca n dl a t c h - u pc h a r a c t e r i s t i c ) o f s o il i g b td e v i c ea r ed e s c r i b e d a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fs e m i c o n d u c t o rd e v i c e ，t h ea n a l y t i c a l m o d e lo ft h r e s h ol dv o l t a g ei sd e v e l o p e dt oc h a r a c t e r i z et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h r e s h o l dv o l t a g e a n dt h ec o n c e n t r a t i o na tt h es u r f a c eo ft h ec h a n n e l ，w h i c hp a v e st h ew a yf o rt h r e s h o l dv o l t a g e d e s i g n t h ep r i n c i p l e so ff i e l dp l a t ea n dr e s u r fa r ea n a l y z e d ，w h i c ha r eu s e dt oi m p r o v et h e b r e a k d o w nv o l t a g eo ft h ed e v i c ea n dt h e nt h ep a r a m e t e r so ft h ed r i rr e g i o na r ee s t i m a t e dt os a t i s f y d e s i g nt a r g e t s t h ef a c t o r si n f l u e n c i n gl a t c h i n g c u r r e n ta r ed e d u c e dq u a l i t a t i v e l ya n dh a l f q u a n t i t a t i v e l ya n dw h a tm e a s u r e ss h o u l db et a k e na r ep r o p o s e dt oi n c r e a s et h el a t c h i n gc u r r e n t d e n s i t y , w h i c ho f f e r ss o m er e f e r e n c e sf o ri m p r o v i n gd e v i c ep e r f o r m a n c e t h ep r i n c i p l eo f a n t i - e s d i s a n a l y z e da n dt h ed e v i c es t r u c t u r ew i t ha n t i - e s df u n c t i o n i s d e s i g n e d s i l v a c ot c a d a w e l l k n o w ns e m i c o n d u c t o rd e v i c es i m u l a t i o nt o o la l lo v e rt h ew o r di si n t r o d u c e da n de l e c t r i c a l c h a r a c t e r i s t i c so ft h ed e s i g n e dd e v i c ea r es i m u l a t e dw i t ht h es o f t w a r e i no r d e rt oi m p r o v et h e b r e a k d o w nv o l t a g eo f t h ed e v i c e ，t h er e l a t i o n s h i p sa m o n gb r e a k d o w nv o l t a g ea n dt h ec o n c e n t r a t i o n o fn - b u f f e rr e g i o n ，t h ec o n c e n t r a t i o no fd r i f tr e g i o n ，t h ej u n c t i o nd e p t ho fn - b u f f e rr e g i o n ，t h e t h i c k n e s so fb u r i e do x i d e ，t h el e n g t ho ff i e l dp l a t eh a v eb e e nr e s e a r c h e di nd e t a i l ，w h i c hl e a d st oa 杭州电子科技大学硕士学位论文 o p t i m a ld e s i g nm e t h o dc o r r e s p o n d i n g l y t or e d u c eo n - s t a t er e s i s t a n c e ，t h ef a c t o r si n f l u e n c i n g o n - s t a t ec u r r e n ta r es t u d i e d m o r e o v e rt h ef a c t o r si n f l u e n c i n gl a t c h - u pc u r r e n td e n s i t ya r es t u d i e ds o a st oi n c r e a s el a t c h 。u pc u r r e n td e n s i t ya n de x p a n ds a f eo p e r a t i n ga r e ao ft h ed e v i c e t h ep r o c e s s f l o w so ft h ed e v i c ea n dp r o c e s sp a r a m e t e r sa r ed e s i g n e dw i t ht h ea s s i s t a n c eo fs i l v a c ot c a d a t l a s t ，t h el a y o u to ft h ed e v i c es t r u c t u r ei sd e s i g n e da n dd r a w nu s i n gt a n n e rl - e d i t 1 1 1 ep o s t s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft h ed e s i g n e dd e v i c es a t i s f yt h er e q u i r e m e n t so f t h ed e s i g ns p e c i f i c a t i o n s k e yw o r d s ：s o i ，l i g b t ，l a t c h u p ，p o w e rd e v i c e i l l 杭州电子科技大学硕士学位论文 第一章绪论弟一早三百比 1 1s o i 技术简介 1 1 1s o i 材料提出的背景 随着半导体制造技术的迅猛发展，集成电路产业变革的速度也在加快，正如摩尔定律预 言的，集成电路上晶体管的数目，大约每隔1 8 个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。由于 器件特征尺寸的不断缩小，器件内部的p n 结之间以及器件与器件之间通过衬底的相互作用 越来越严重，使得用传统工艺制作的集成电路的集成度与可靠性都大打折扣。主要表现在以 下几个方面：( 1 ) 体硅电路中寄生的晶闸管闩锁效应和体硅器件在太空中宇宙射线辐射下出 现的软失效效应等降低了电路的可靠性；( 2 ) 体硅器件在尺寸缩小的情况下，一些非线性效 应和量子效应变得显著，如隧道效应、短沟道效应、漏感应势垒降低效应、热载流子效应、 速度饱和效应等，这些效应严重影响了器件工作的稳定性；( 3 ) 由于器件尺寸的缩小，器件 与器件之间的隔离区域所占的面积相对增大，导致寄生电容增加，互连线延长，影响了器件 工作速度的提高并造成成本的增加。为了解决体硅器件日益突出的问题，s o i 材料迎来了前 所未有的发展机遇，其应用领域逐步从军用、航空航天转向消费电子、通信和数据处理领域， s o i 晶圆结构如图1 1 所示，采用埋氧层将顶层硅与下面的硅衬底隔离开，器件制作在顶层硅 上，这样使得器件与器件之间不能通过衬底进行耦合，极大的改善了器件性能，是2 l 世纪新 一代的硅基材料。 图1 1s o i 结构 1 1 2s o i 材料的制备简介 目前制备s o i 材料的主流技术有注氧隔离( s i m o x ) 技术、键合背部腐蚀( b e s o i ) 技 术和将键合与注入相结合的智能剥离( s m a r t c u t ) 技术1 1 。 ( 1 ) 注氧隔离( s i m o x ) 技术：这种技术是迄今为止较为先进和最为成熟的s o i 制备技术。 杭州电子科技大学硕士学位论文 工艺为先用氧离子注入，在硅表层下产生一个高浓度的注氧层，然后高温退火，使注入的氧 与硅反应，在高浓度的注氧层附近形成隐埋二氧化硅层，并消除离子注入引入的损伤。这种 方法的主要限制是成本高，大束流离子注入以及长时间高温退火均带来高额的工艺成本，同 时容易把缺陷和应力引入顶部硅层，产生大量位错。现在s i m o x 技术研究己转向采用低能、 低剂量注入，以便在薄的隐埋氧化物上制各薄硅膜。 ( 2 ) 键合背部腐蚀( b e s o i ) 技术：b e s o i 工艺为将一个抛光片与另一个表面有热氧化 层的抛光片贴合，在室温下两个抛光片依靠表面分子或原子间的作用力直接连在一起，然后 把键合后的硅片在干氧气氛中进行热处理，增加键合的强度；最后腐蚀器件有源区硅层到所 需的厚度，这样就制备了所需的s o i 材料。这种方法制备的s o i 材料项部硅层质量好，埋氧 层完整，键合界面附近的原子排列整齐，最大的缺点是难以制备1 0 0 n m 以下的硅膜，限制了 其在高速超大规模集成电路、低压、低功耗方面的应用。 ( 3 ) 智能剥离( s m a r t c u t ) 技术：工艺为在室温下，以一定能量向一个抛光片中注入 一定量的氢离子或氦离子，在硅表面下会形成一气泡层；将这个硅片与另一个表面生长有氧 化层的抛光片进行键合；键合的同时进行热处理，硅片会在注入高浓度氢或氦离子的位置发 生剥离，剥离掉的硅层留待下次使用；将剥离后的s o i 片进行化学机械抛光，降低表面粗糙 度，并减薄到所需的厚度。 1 1 3s o i 技术的优点及缺点 采用s o i 技术制造的器件与体硅技术相比具有如下优点： ( 1 ) 速度高、功耗低1 2 ：体硅器件的外延层和衬底之间会形成寄生p n 结，使器件在正 常工作时具有较大的泄漏电流和输出电容，而s o i 结构很好地消除了这种寄生效应。良好的 介质隔离使器件的漏电流显著减小，从而进一步减小了器件的静态功耗。由于器件的动态功 耗由输出电容，工作电压和频率共同决定，而s o i 器件寄生电容主要来自隐埋二氧化硅层电 容，远小于体硅器件中的电容，因此可以有效地减小动态功耗，提高器件的工作速度。 ( 2 ) 集成密度高：s o i 集成电路采用全介质隔离，隔离区域占整个芯片的百分比远小于 体硅c m o s 集成电路，并且可以集成高低压电路，从而大幅度地提高集成度。 ( 3 ) 抗闩锁能力强：由于体硅c m o s 电路中存在p n p n 的四层结构，等效于一个寄生 晶闸管，一旦此晶闸管被开启，m o s 管的栅极就会失去对电流的控制，形成闩锁效应，这是 造成c m o s 电路失效的主要原因，而采用s o i 结构的电路中不存在这种结构，具有很强的抗 闩锁能力。 ( 4 ) 抗辐照特性好：相比同样性能的体硅器件，s o i 器件抗辐照能力较强，即使在宇宙 射线、核爆炸等的核辐射环境下也能正常工作，这是由于其所占的硅岛面积较小，在同样的 辐射剂量下，可有效地减小所产生的少数载流子浓度。 ( 5 ) 成本低：s o i 技术除原始材料比体硅材料价格高之外，其它成本均小于体硅c m o s 杭州电子科技大学硕士学位论文 技术，例如s o i 电路的工艺制备相对简单，比体硅工艺少用三块掩膜版，可减少1 3 - - - 2 0 的 工序，同等规模的集成电路芯片面积可减小3 0 以上，性能却能提高3 5 以上。 ( 6 ) 特别适合小尺寸器件：全耗尽s o l 器件的短沟道效应较小，不存在体硅c m o s 电 路的金属穿通问题，能自然形成浅结，较好的亚阈值特性使其非常适合亚微米、深亚微米器 件。 在拥有诸多优点的同时，s o i 材料也有一些缺点： ( 1 ) 自加热效应：s o i 器件由于埋氧层的热导率远低于硅的热导率，顶层硅中器件工作 时产生的热量难以及时的散发出去，造成热量累积，温度升高，使器件的性能变差，不利于 大功耗器件在高温环境下工作。 ( 2 ) 浮体效应：由于s o i 结构的顶层硅膜和衬底被氧化层隔离，顶层硅膜与衬底没有电 气连接，也就是说顶层硅膜是浮空，会造成浮体效应【3 】。 1 1 4s o i 技术国内外的研究进展 国内研究s o i 技术的公司主要是上海新傲科技有限公司，采用s i m o x ，b o n d i n g 和 s i m b o n d 三种方法为客户提供种类广泛的s o i 产品。该公司能够提供l o o m m ，1 2 5 m m ，1 5 0 m m 以及2 0 0 m m 圆片及其外延片，产品系列包括s i m b o n d 键合圆片，高剂量和低剂量s i m o x 圆 片，顶层硅小于5 0 n m 的超薄s i m o x 系列和用于r f 系统集成用的高阻s i m o x 圆片。除新 傲科技外，北京师范大学和中国电子科技集团第4 8 研究所( 简称4 8 所) 等均在s i m o x 研 究方面有所涉及，其中4 8 所独立开发出氧离子注入机，并发展了相关的制备工艺。 在国外，i b m 公司是s 0 1 技术的领头羊，并在s o i 领域做出卓越贡献，如1 9 9 8 年在0 2 2 1 a m 的c m o s 一7 s 工艺中采用s o i 技术；2 0 0 0 年在0 1 8 1 m a 的c m o s - - 8 s 工艺中采用s o i 技术， 并推出含s o l 的l g h zp o w e r 处理器；2 0 0 2 年在0 1 5 1 u n o 1 3 1 u n 的c m o s - - 9 s 工艺中采用 s o i 技术，并推出含s o i 的2 g h z 高速处理器；2 0 0 3 年在s o l 圆片上研制成功s i g e 晶体管， 它可使通信设备的性能提高4 倍、功耗降低8 0 。2 0 0 4 年与a m d 联合开发应变硅s o i ( s s o i ) 技术，推广至索尼、东芝：2 0 0 5 年上半年s s o i 技术用于多个9 0 n m 处理器平台：2 0 0 8 年i b m 宣布为晶圆代工厂客户提供4 5 n ms o i 技术，包括来自a r m 的s o i 标准芯片库；2 0 0 9 年宣 布己制成3 2 n ms o i 嵌入式d r a m 测试芯片并称该芯片是半导体业界面积最小、密度最高、 速度最快的片上动态存储器；同年1 2 月开发出了基于极薄s o i ( e t s o i ) 的全耗尽c m o s 技术， 面向2 2 n m 及以下节点。此外，法国的s o i t e c 公司拥有s m a r t c u t 的专利，供应的s o l 圆片占 全球市场份额的8 0 ，美国的i b i s 公司则是s i m o x 技术的大力推广者，2 0 0 5 年后专注于离 子注入机的研制。 1 2s o il i g b t 的研究进展及发展趋势 1 2 1 国内的研究进展 1 9 9 2 年以来，西安交通大学、电子科技大学、浙江大学、西安电子科技大学、北京大学、 杭州电子科技大学硕士学位论文 东南大学和杭州电子科技大学等，以及部分的科研院所如中电集团2 4 所和中科院上海微系统 所等相继开始s 0 1l i g b t 器件的研制工作。l i g b t 与l d m o s 的不同之处在于将其漏极矿 区改为p + 区，这一改变产生了质的不同，轻掺杂n 。漂移区的存在，使l d m o s 具有高的击穿 电压的同时，导通电阻也相应增大。l i g b t 利用电导率调制效应，即正向导通时，来自p + 区的空穴注入到n 漂移区，降低了漂移区的通态电阻，但在器件关断时产生电荷存贮效应， 延长了器件的关断时间。由于l i g b t 中含有寄生的p n p n 晶闸管结构，当p n p 与n p n 两个 晶体管的电流增益之和等于l 时会发生闩锁效应。在2 0 0 0 年以前的研究主要解决这两个问题 【4 】。为了解决l i g b t 器件关断时间较长的缺点，比较有效的措施有：( 1 ) 采用阳极短路结构 的l i g b t ，即在阳极下做一个矿区，在器件关断时，为漂移区的少子提供抽取通道，在导通 电阻不会增加很多的情况下提高了器件的关断速度。这种结构可使l i g b t 的关断时间缩短到 纳秒级。也有报道采用分段阳极结构的l i g b t ，即在阳极p + 中插入盯阳极短路区。这种结 构使得器件在关断的时候，抽取电流可直接到达盯阳极短路区，而不必经过p + 区的下方，从 而减小了关断时p + 的注入效应，进一步缩短了关断时间，比传统的阳极短路结构减少了2 0 2 5 。( 2 ) 采用互补绝缘栅结构。这种结构在器件的右端增加了一个p m o s ，关断的时候， 由p m o s 负责将大量的少子从漂移区抽出从而提高器件的关断速度，采用这种结构，关断时 间可达1 2 0 1 6 0 n s 。 为了抑制闩锁效应，采取的措施主要有：( 1 ) 辅助阴极结构。在栅极和阳极之间设置了 一个p + 区，作为辅助阴极。器件导通时，漂移区中大量的空穴可以直接被辅助阴极吸收，而 不用通过p 阱，大大减小了流向p 基区电阻的电流，降低了p 基区和n + 阴极区的电势差，使 寄生的p n p n 晶闸管难以导通，从而提高器件的闩锁电流密度。( 2 ) 槽式门极结构。这种结 构调换了栅极和阴极的位置，使沟道由水平方向变为垂直方向，器件导通时，来自阳极的空 穴大部分被p 阱的欧姆接触区p + 区直接抽走，而没有通过沟道，降低了流过p 基区的电流， 同时由于沟道表面的反型层，进一步降低了p 基区的空穴电流，有效的抑制了闩锁效应的发 生。 改善体硅l i g b t 性能的措施绝大部分可以应用到s o ll i g b t 器件。2 0 0 1 年，东南大学 的张海鹏等人为了改善s o ll i g b t 高温时截止态泄漏电流大，击穿电压低，关断能力低的缺 点，提出了一种漂移区减薄的多沟道薄膜s o ll i g b t t 5 】器件结构，当漂移区的长度为5 9 m 时， 5 7 3 k 下的泄漏电流小于6 5 n a g m ，常规器件的工作温度很难达到5 7 3 k ，且要达到同样小的 泄漏电流，漂移区的长度至少为几十微米。这种结构扩展了s o ll i g b t 器件在高温方面的应 用。2 0 0 2 年，电子科大的杨洪强等人提出了利用电阻场板提高s o i l i g b t 的性能，结构如图 1 2 所示，通过在s o i l i g b t 中引入电阻场板和一个p m o s f e t 结构来提高器件的性能，模 拟结果表明，这种结构至少能增加2 5 的耐压，减少6 5 的关断时剐6 1 。2 0 0 6 年杭州电子科 技大学的张海鹏等人提出了集成抗e s d 二极管的s 0 1l i g b t 并探索了其制造方法r 7 1 ，结构如 4 杭州电子科技大学硕士学位论文 图1 3 所示。通过在p w e l l 区设置n + 区，形成了与栅极并联的反偏p n 结，有效的防止栅氧 化层被静电击穿。2 0 0 7 年，徐文杰等人建立了漂移区均匀掺杂s o ll i g b t 的通态电阻模型引。 2 0 0 8 年，罗波等人提出了基于s o i 的高速槽栅l i g b t 器件，其结构如图1 4 所示，提高了器 件的关断速度，同时提高了闩锁电流密度，其安全工作区与常规的l i g b t 相比几乎增加了一 倍，整体性能得到了大幅度提升【9 】。2 0 0 9 年，陈越政等人研究了n b u f f e r 缓冲区对器件性能 的影响【】们。2 0 1 0 年，电子科大的罗小蓉等人提出了双栅s o il i g b t 器件，其结构如图1 5 所 示，与传统器件相比，具有更大的电流处理能力，更低的通态电阻，更高的击穿电压【】。 c a t h o d eg a t e a n o d eg a t e l e = ： = ! = ! | i i i lll l lll l i| ll l i 、r i 矿群 n 锄悭 霾 ip + jip + j n n - s u b 图1 2 利用电阻场板提高s o l l i g b t 性能 c a t h o d eg a t ea n o d e l 7 陌蠡羽- j 一 一1 ， 嶝- b u f f e r p - w e lt ， 、r o a s u b s t r a t e 图1 3 集成抗e s d 的s o i l i g b t 器件结构 杭州电子科技大学硕士学位论文 图1 4 槽栅s o i l i g b t 器件结构 l鹾臻氍氍鞭黼绑黼臻溜li 。刊幢刿一 p + j j n - e p i p s u b 图1 5 双沟道s o il i g b t 器件结构 1 2 , 2 国外的研究进展 2 0 0 1 年e yg o ok a n g 等人【1 2 1 提出了小尺寸的横向槽栅电极i g b t ，结构如图1 6 所示， 这种结构有利于s o il i g b t 的集成，并且提高了器件的闩锁电流密度和击穿电压。2 0 0 5 年， v p a t h i r a n a 等人建立了s o il i g b t 的恒温模型【1 3 】。2 0 0 6 年s a h a ns h u g a m a g e 等人建立了 s o il i g b t 的电热模型1 4 】。2 0 0 7 年，e u d r e a 等人提出了在s o il i g b t 中嵌入反并联的体二 极管，其结构如图1 7 所示，并且采用双栅，实现了导通电阻，击穿电压和关断时间的良好 折中【1 5 】。2 0 0 8 年，d a v i dh o n g f e il u 等人采用缓变掺杂的沟道区增强了s o ll i g b t 器件的安 全工作区【1 6 1 。 6 杭州电子科技大学硕士学位论文 an o d ec a t h o d eg a t e 图1 6 横向槽电极i g b t 器件结构 g a t e g a t e 图1 7 双栅s o l l i g b t 器件结构 1 2 3s o ll i g b t 的发展趋势 未来s 0 1l i g b t 的研究主要向两个方向发展，一是超大功率模块的i g b t 器件，二是快 速关断的i g b t 器件。超大功率模块的s o ll i g b t 器件有取代晶闸管的趋势，将在电力系统， 高压输电，电动机车的牵引等方面发挥重要作用。快速关断的i g b t 将在开关电源方面发挥 重要作用。总之，s o ll i g b t 将向着超大功率、超快速、模块化、智能化方向发展【1 7 】。未来 的研究可能会从以下几个方面展开：( 1 ) 探索新器件结构以进一步改善器件性能。( 2 ) 研发 新结构扩展s o ll i g b t 的应用范围，使其能够适应高压、高温、高频、抗辐照等方面的应用。 ( 3 ) 研发低功耗的s o ll i g b t 器件，适应绿色、节能、环保的社会发展方向。( 4 ) 开展新 器件的制作工艺方法研究。( 5 ) 研究小尺寸的功率器件便于智能功率集成。( 6 ) 研究三维集 成技术，改善s 0 1l i g b t 的性能。 1 3 本论文的研究内容及结构 杭州电子科技大学硕士学位论文 本论文的主要工作是利用半导体物理、半导体器件、晶体管原理等基本知识，设计满足 一定性能的s o il i g b t 器件，并用半导体器件与工艺仿真软件s i l v a c ot c a d 对设计的器 件进行验证与优化，使其具有较高的耐压，较低的导通电阻，较快的开关速度和良好的输出 特性，优良的e s d 保护性能，并根据版图设计规则来设计与绘制器件版图。设计好的器件单 元应满足如下的技术指标： ( 1 ) 栅氧化层的厚度：3 0 - 4 0 n m ； ( 2 ) 阈值电压：1 0 - - 2 0 v ； ( 3 ) 击穿电压：1 0 0 v ( 4 ) 导通电流：9 0 a c m 2 ； ( 5 ) 通态压降：5 v ； ( 6 ) 抗e s d 钳位电压：1 0 - - 2 0 v ，器件的e s d 保护能力超过2 k v 的应用标准。 杭州电子科技大学硕士学位论文 第二章s 0 1l i g b t 器件的工作原理 2 1s o il i g b t 器件的基本结构 图2 1 给出了s 0 1l i g b t 器件基本结构的截面示意图。这种结构主要由衬底、埋氧层、 n 漂移区、p 阱、p 阱的欧姆接触区p + 、阴极区盯、阳极区p + 、栅氧化层、场氧、阴极金属 电极，多晶硅栅电极和阳极金属电极构成。该器件与横向双扩散金属氧化物半导体( l d m o s ) 场效应晶体管极为相似，图2 2 为s o ll d m o s 器件结构的截面示意图，比较两种结构可知， s 0 1l i g b t 与s 0 1l d m o s 在器件结构上唯一的不同之处在于s 0 1l i g b t 在n 漂移区的右端 引入了p + 区。这一极小的改变却使s o ll i g b t 的性能发生了很大的变化。从图2 1 可以看出， n + 阴极区、多晶硅栅和n 漂移区构成了n 型m o s 场效应晶体管，p + 阳极区、n 漂移区和pw e l l 构成了水平p n p 双极型晶体管，n + 阴极区、pw e l l 和n 漂移区构成了垂直n p n 双极型晶体 管，同时这种结构中还寄生有盯阴极区、pw e l l 、n 漂移区和p + 阳极区构成的p n p n 型晶闸 管结构。n p n 型晶体管的集电极为p n p 晶体管的基极提供电流，p n p 晶体管的集电极为n p n 晶体管的基极提供电流，n p n 型晶体管一旦导通，整个器件将形成正反馈的回路，导致闩锁， 其等效电路如图2 3 ( a ) 所示。因此器件正常工作时，应使p w e l l 和矿阴极区的p n 结反偏， 防止n p n 晶体管导通使器件进入闩锁状态，这种情况下的等效电路如图2 3 ( b ) 所示。从图 2 3 ( b ) 中可见s o ll i g b t 的本质为m o s f e t 驱动的厚基区p n p 晶体管，同时具有m o s f e t 高输入阻抗和p n p 晶体管大电流、低导通电阻的优势，被广泛应用于功率集成电路中。 r 磊习k 剿 驯呲 l k r _ l k n 诅r o x 蚰r 图2 1s o ll i g b t 器件的基本结构图2 2s 0 1l d m o s 器件的基本结构 9 杭州电子科技大学硕士学位论文 蛐r q i m g k ( a ) 等效电路( b ) 简化的等效电路 图2 3s o ll i g b t 的等效电路图 2 2s o il i g b t 器件的工作模式 s o ll i g b t 器件的工作模式分为正向阻断模式、正向导通模式和反向阻断模式三种。其 工作原理主要以非穿通型s 0 1l i g b t 为例来阐述，为叙述的方便，把阳极区p + 和n 嫘移区 的p n 结称为j 1 ，pw e l l 和n 。漂移区的p n 结称为j 2 ，pw e l l 和n + 阴极区的p n 结称为j 3 。 2 2 1 正向阻断模式 当在阳极施加一个正偏压，栅极和阴极零偏，器件工作于正向阻断模式，j l 正偏，j 2 反 偏，阳极电压主要由j 2 承受，因此正向阻断能力主要与j 2 有关。由于pw e l l 中的杂质为离 子注入形成的高斯分布，并且掺杂浓度高于漂移区，根据器件物理的p n 结理论，耗尽层一 小部分向pw e l l 扩展，大部分向n 。漂移区扩展。随着阳极电压的增加，空间电荷区将发生载 流子的碰撞电离和雪崩倍增效应，如果漂移区的浓度足够低，j 2 结没有发生雪崩击穿，耗尽 层最终会扩展到阳极区，阴极和阳极发生穿通，阳极电流迅速增大，发生穿通击穿。设计器 件时，应合理调整漂移区的浓度和长度，尽可能的提高器件的正向阻断能力。 2 2 2 正向导通模式 当在栅极上施加足够大的正偏压，使得栅极下面，pw e l l 表面的半导体发生强反型，形 成n 型沟道，同时阳极施加一定的正偏压，s o ll i g b t 便从正向阻断态转变为正向导通态。 来自阴极区的电子流经过n 型沟道区进入n 。漂移区，在电场的作用下进行漂移和扩散运 动，到达j l 结的边界后开始累积，降低了j l 结n 基区一侧的电势，当j l 结两端的电压大于 p n 结的开启电压后，p + 阳极区向n 漂移区注入空穴，此时横向p n p 晶体管处于导通状态， s 0 1l i g b t 开始导通。注入到n 基区的空穴在电场的作用下向阴极区漂移扩散，其中一部分 在n 基区与来自m o s 沟道区的电子复合，另一部分通过j 2 结流入pw e l l ，最后通过pw e l l 的欧姆接触区从阴极电极流出。由于儿结正偏，注入到n 漂移区的空穴浓度远超过漂移区的 l o 杭州电子科技大学硕士学位论文 掺杂浓度，根据电中性原理，注入的大量空穴将吸引n 漂移区中等量的电子，即n 漂移区发 生了电导调制效应，使得电流密度提高，n 漂移区的导通电阻大大降低，从而降低了具有高 耐压性能的s o il i g b t 器件的通态压降，降低了器件的通态功耗，从根本上解决了l d m o s 器件耐压与导通电阻之间的矛盾。 2 2 3 反向阻断模式 当阴极加正偏压，阳极和栅极接零电位时，儿结反偏，j 2 结正偏，j l 结上只有很小的泄 露电流流过，s o il i g b t 处于反向阻断模式。随着阴极电压的增加，j l 结的耗尽层- 4 , 部分 向p + 阳极区扩展，大部分向n 。漂移区扩展，与器件的正向阻断能力差不多。但是，对于穿通 型s o il i g b t ，由于n b u f f e r 较高的掺杂浓度，阻止了j l 结的耗尽区向n 漂移区扩展，j l 结两侧较高的掺杂浓度，其雪崩击穿电压比较低，因此具有较低的反向阻断能力。如果设计 的s o il i g b t 器件要求较高的正向阻断能力，反向阻断能力要求不高时，可以设置n b u f f e r 缓冲层以牺牲器件的反向阻断能力来换取正向阻断能力。 2 3 静态特性 s o il i g b t 的稳态特性包括转移特性和输出特性。转移特性是指一定的阳极电压下，阳 极电流与栅极阴极电压的关系曲线；输出特性是指不同的栅压下，阳极电流与阳极电压的关 系曲线。 2 3 ，l 转移特性 s o il i g b t 的转移特性曲线如图2 4 所示。由于i g b t 中既有m o s 组分又有双极型组分， 其转移特性曲线与功率m o s 的比较相似，当栅压小于阈值电压时，沟道中没有形成反型层， 器件处于截止态，随着栅压的增加，沟道表面逐渐耗尽、反型，阴极区的电子开始通过沟道 注入到漂移区，然后在n 漂移区和p + 界面聚集，降低漂移区的电势，当j 1 结的电势大于p n 结的开启电压时，阳极p + 区开始向漂移区注入大量的空穴，产生电导率调制效应，阳极电流 逐渐增加，器件完全处于正向导通模式。 i a 图2 4 转移特性曲线 杭州电子科技大学硕士学位论文 2 3 2 输出特性 图2 5 为s o il i g b t 的输出特性曲线。第一象限为正向电流电压特性，第三象限为反向 电流电压特性。正向电流电压特性由不同的栅压( 阴极接零电位) 组成的一族阳极电流随阳 极电压变化的曲线，从形状上看，与功率m o s 的输出特性相似，都有截止区、线性区以及 i a a 。 一 正斥 0 7 v v a 7 j 反向击穿 图2 5 输出特性曲线 饱和区，不同之处在于：( 1 ) i g b t 中含有p n p 组分，对m o s 组分的电流具有放大作用，因 此输出电流比相同参数的功率m o s 大一个数量级左右；( 2 ) 正向导通时i g b t 存在一个约 o 7 v 的开启电压，与功率m o s 相比，整个特性曲线向右平移了0 7 v ，这是由于i g b t 的阳 极区引入了p + 区，比功率m o s 多了一个p n 结即j 1 结，i g b t 总的压降为m o s 组分的压降 与p n 结压降之和，因此与功率m o s 不同，i g b t 的压降总大于0 7 v 。( 3 ) i g b t 寄生的晶 闸管结构，在阳极电压较高时，流过n + 阴极区下方的空穴电流使得p 阱区电势上升，j 3 结开 启，会造成闩锁效应，功率m o s 为单极性器件，不存在闩锁效应。( 4 ) i g b t 不具备反向导 电能力，因为儿的存在，反偏时，j 1 结处于反向偏置，在低压时漏电流很小，击穿时电流急 剧增加，i g b t 的反向特性与二极管的反