IGBT仿真设计(毕业论文)

精品文档 1欢迎下载1欢迎下载1欢迎下载 本科毕业论文 设计 本科毕业论文 设计 题目 题目 IGBTIGBT 的仿真设计的仿真设计 学 院 理 学 院 专 业 电子科学与技术 班 级 2007 级 1 班 学 号 070712110075 学生姓名 孙 阔 指导教师 傅 兴 华 2011 年 6 月 1 日 贵州大学本科毕业论文 设计 贵州大学本科毕业论文 设计 精品文档 2欢迎下载2欢迎下载2欢迎下载 诚信责任书诚信责任书 本人郑重声明 本人所呈交的毕业论文 设计 是在导师 的指导下独立进行研究所完成 毕业论文 设计 中凡引用他 人已经发表或未发表的成果 数据 观点等 均已明确注明出 处 特此声明 论文 设计 作者签名 日 期 精品文档 I欢迎下载I欢迎下载I欢迎下载 目录 摘要 III 第一章 绪论 1 1 1 功率半导体器件的发展 1 1 1 2 IGBT 的诞生和发展 2 1 3 IGBT 的应用 2 第二章 IGBT 的结构 工作特性和主要参数 3 2 1 IGBT 的结构 3 2 2 工作原理 4 2 3 IGBT 的特性 5 2 3 1 IGBT 的静态特性 5 2 3 2 IGBT 动态特性 7 2 4 IGBT 的设计理论 8 2 4 1 IGBT 的结构设计理论 8 2 4 2 IGBT 的闩锁效应 9 2 4 3 器件设计的主要性能影响因素 9 第三章 IGBT 的设计 12 3 1 外延层的计算 12 3 1 1 IGBT 的击穿机理 12 3 2 栅氧化层的计算 14 3 3 P 阱的设计 14 3 4 阴极 N 阱 NSD 的设计 15 3 5 饱和电流的计算 6 15 第四章 IGBT 的工艺仿真 16 4 1 工艺参数 16 4 2 使用 Athena 软件设计工艺流程 16 4 2 1 定义网格 16 4 2 2 外延缓冲层 17 4 2 3 外延 N 外延层 18 精品文档 II欢迎下载II欢迎下载II欢迎下载 4 2 4 在外延层上生长一层栅氧化层和多晶硅 19 5 2 5 离子注入 P base N 发射极 20 4 2 6 淀积 AL 刻蚀掉不需要的部分 22 4 2 7 定义电极 23 第五章 器件的特性分析 26 5 1 分析器件的参数对阈值电压的影响 26 5 2 IGBT 输出特性曲线的仿真 31 5 3 IGBT 极的击穿特性的仿真 33 第六章 IGBT 版图的设计 36 6 1 版图参数的计算 36 6 2 版图的设计流程 37 总 结 40 参考文献 41 致谢 42 附录 43 附录 1 使用 Athena 软件设计 IGBT 43 附录 2 使用 ATLAS 设计 IGBT 并且测试出栅压为 10V 的器件的输出特性曲 线 44 附录 3 使用 ATLAS 测试 IGBT 的击穿电压 46 附录 4 使用 ATLAS 测试 IGBT 的阈值电压 47 附录 5 使用 ATHENA 软件仿真 P 阱的注入 N 发射区的注入 48 精品文档 III欢迎下载III欢迎下载III欢迎下载 摘要 绝缘栅双极型晶体管 IGBT 是具有高的输入阻抗 较低的通态压降 能够 处理较大的电流的功率半导体器件 本文首先介绍了 IGBT 的发展 IGBT 的结 构 工作特性和主要参数等 并且对 IGBT 的参数进行了分析 初步估计出 IGBT 的参数 先使用 Athena 软件进行工艺仿真出器件的结构 然后用 atlas 软件进 行器件仿真 验证设计 最终实现电流为 100A 电压为 1000V 的 IGBT 论文还 用 TANNER 软件画出 IGBT 的原胞版图 关键词 绝缘栅双极型晶体管 功率半导体器件 电力电子 精品文档 IV欢迎下载IV欢迎下载IV欢迎下载 AbstractAbstract Insulated Gate Bipolar Transistor IGBT is a kind of power electronics devices with high input resistance low on state voltage drop and high current capacity The development and the operation characteristics of IGBT and the basic structure of the device were introduced in this paper A unit cell of power IGBT was defined in Athena in Silvaco platform Then the electric properties of the device were simulated in Atlas The maximum current of the designed device is 100 A and the breakdown voltage is 1000 V Finally a layout of the unit cell of the IGBT was proposed KeywordsKeywords IGBT Power semiconductor devices Power Electronics 精品文档 V欢迎下载V欢迎下载V欢迎下载 精品文档 1欢迎下载1欢迎下载1欢迎下载 第一章 绪论 1 1 功率半导体器件的发展 1 随着电力电子技术的发展 人们的生活是越来越方便了 电力电子技术推 动了人们的生活和生产 而在电力电子技术里面 功率半导体器件起着核心的 作用 它对电力电子电路里面控制了能量的转换 而微电子技术的但来 更为 功率半导体器件如虎添翼了 再者人们生产生活的需要 电力电子技术的发展 要求功率半导体器件向着大功率 高温 高压等方向发展 1957 年 美国通用电气 GE 公司研制了第一只工业用普通晶闸管 标志 着电力电子技术的诞生 直到今天 功率半导体已经发生了很大的变化 功率 半导体器件大致可以分为四个阶段 第一阶段 以整流管 晶闸管为代表 在低频 大功率场合占优势 后来 完全取代汞弧整流器 第二阶段 以可关断晶闸管 GTO 巨型晶体管 GTR 等全控型器件为代 表 虽然仍为电流控制模式 但在高频化的路上迈了一步 第三阶段 以功率 MOSFET 绝缘栅双极型晶体管 IGBT 等电压全控器件 为代表 它们可以直接用集成电路驱动 高频特性较好 此阶段器件制造技术 进入了和微电子技术相结合的阶段 第四阶段 以智能化功率集成电路 SSPIC 高压功率集成电路 HVIC 等功率集成电路为代表 使电力电子技术与微电子技术更紧密的结合在一起 出现了将全控型电力电子器件与驱动电路 保护电路 逻辑电路 等集成在一 起的高智能化的功率集成电路电路 它实现了器件与电路 强电与弱电 功率 流与信息流的集成 成为机电一体化的基础单元 这一阶段还处在不断发展中 从以上的四个阶段 我们可以看出 第一个阶段和第二个阶段的器件的原 理没有发生变化 都是电流控制型的器件 电流控制型的器件有个特点 器件 消耗的功率很大 而提供给外电路的功率相对较小 但是第二个阶段比第一个 阶段有了一定的发展 它的适用的频率特高了 到达第三个阶段的时候 器件 精品文档 2欢迎下载2欢迎下载2欢迎下载 的工作原理改变了 使用的是电压控制型的器件 MOSFET MOSFET 的输入极是很 高个绝缘栅 输入的电流很小 这样消耗在功率半导体上的能量降低了 提高 了能量的使用率 更加节能 再进行改进就有了 IGBT 的出现 到了今天从器件 发展到了集成电流 更加智能化了 1 2 IGBT 的诞生和发展 绝缘栅型双极型晶体管 IGBT 是由设计者巧妙的将 VDMOS 的 N 型衬底换 成了 P 型衬底而得到的 当 IGBT 运行的时候 在 N 基区发生了电导调制效应 降低了通态的电阻和提高了通态的电流密度 进过了三十多年的发展 IGBT 与发明的时候相比较 是一个不断改进和不 断解决问题的过程 到现在 IGBT 的发展大概进过了几个过程 刚开始使用的 是穿通型的 IGBT 有饱和压降高和开关时间长的缺点 之后版图从版图方面改 进 比如正方形的版图和正六边形的版图 之后是从寄生器件的抑制来解决问 题 之后呢是从工艺方面来改进 1 3 IGBT 的应用 IGBT 的应用领域非常广 在电机调速 逆变器 中频电源 汽车电子 激光 电源等控制电路中 在当今的工业化的发展中 国家倡导节能 环保等理念 IGBT 在节能的方面同样起到了很大的作用 IGBT 的使用让节能设备向具有高效 率 低功耗和高性能方面的发展 精品文档 3欢迎下载3欢迎下载3欢迎下载 第 2 章 IGBT 的结构 工作特性和主要参数 2 1 IGBT 的结构 图 2 l PT IGBT 的剖面图 结构 IGBT 是P 四层结构 n 沟道的 IGBT 比 DMOSFET 多了一层 P N N 层 形成 PN 结 衬底和缓冲区和 P 阱形成 PNP 双极型晶体管 P 衬底引出 P 1 J 电极叫漏极 也叫阳极 A 栅极和源极和 DMOSFET 的相似 N 区称为漂移区 背 面的区为缓冲区 器件的控制控制区称为栅区 在其上制作电极 G 称为栅 N 极 沟道是紧靠在栅区的边界形成的 在漏源之间的 P 型区称为 P 阱 导通时 衬底向 N 外延层注入大量的空穴 形成基区电导调制 注释 1 P 从而降低了器件的导通电阻 输入级为等效为 MOSFET 所以有很大的输入阻抗 IGBT 的结构有两种一种是加了缓冲层的穿通结构 注释 2 一种是没有加 缓冲层的非穿通结构 精品文档 4欢迎下载4欢迎下载4欢迎下载 2 2 工作原理 IGBT 的等效原理图可以看出 IGBT 等效为一个 MOSFET 驱动一个 GTR 为较厚基区的等效电阻 dr R 图 2 2 IGBT 等效电路 2 图 2 3 IGBT 的通用电路符号 2 1 当 IGBT 的阴极加正的电压 阳极加负电压时 这时结反偏 只有 1 J 1 J 很小的反向的漏电流 IGBT 处于反向阻断状态 对于 NPT IGBT 的耗尽层主 1 J 要向基区扩展 所以 NPT IGBT 有很好的正反向阻断能力 对于 PT IGBT N 因为缓冲层阻止了的耗尽区向 N 的扩展 让方向击穿电压比 NPT IGBT 小 N 1 J 得多 反向阻断能力较小 精品文档 5欢迎下载5欢迎下载5欢迎下载 2 当 IGBT 阳极加正的电压 阴极加负的电压时 处于反偏 2 J 当时 MOSFET 表面形成了沟道 源极电子经过沟道注入到了 N GK V th V 基区 正偏 同时空穴从衬底注入到 N 基区 一部分与源极注入的电子复 1 J P 合掉了 另一部分通过极流入 P 阱 当的正向电压逐渐增大时 基区的空 2 J 1 J 穴浓度可增加到超过 N 基区的背景掺杂浓度 从而对 N 基区产生显著的电导调 制 N 基区的导通电阻大大降低 电流密度显著地提高 对于一定的 当 GK V 大于一定的数值时 沟道中的电子漂移速度达到饱和 阳极电流就出现 AK V A I 了饱和 这时当的增加 MOSFET 的表面沟道反型增加 阳极电流增加 GK V A I 出现了对产生控制的现象 GK V A I 3 IGBT 正向工作时的电流 IGBT 正向工作时在饱和区的时候的电流由两 部分组成 一部分是 P 衬底向基区注入的少子空穴与在 N N 外延层与来自 MOS 沟 道的电子复合形成复合电流 另一部分是 P 衬底向 N 注入的空穴通过在 N 区 通过扩散到达 J2 结的边界 由于 J2 结是处于反偏的状态 当空穴扩散到 J2 结 的边界 立即被电场扫入了扩散区 形成了 PNP 集电极电流 这两个电流复合 电流占了主导的地位 所以 IGBT 是复合器件 2 3 IGBT 的特性 2 3 1 IGBT 的静态特性 静态特性 IGBT 的静态特性主要有伏安特性 转移特性和开关特性 1 伏安特性 IGBT 的伏安特性是指以栅源电压 为参变量时 阳极电 GK V 流与阳极电压之间的关系曲线 输出阳极电流受栅源电压 的控 A I A V A I GK V 制 越高 越大 它与 GTR 的输出特性相似 也可分为饱和区 放大 GK V A I 精品文档 6欢迎下载6欢迎下载6欢迎下载 区 和击穿特性 3 部分 在截止状态下的 IGBT 正向电压由 结承担 2 J 反向电压由 结承担 如果无 缓冲区 则正反向阻断电压可以做到同样 1 J N 水平 加入 缓冲区后 反向关断电压只能达到几十伏水平 因此限制了 N IGBT 的某些应用范围 图 2 4 正反向偏置特性 2 转移特性 IGBT 的转移特性是指输出漏极电流 与栅源电压 A I GK V 之间的关系曲线 它与 MOSFET 的转移特性相同 当栅源电压小于开启电压 时 IGBT 处于关断状态 在 IGBT 导通后的大部分漏极电流范围内 THGK V 与呈线性关系 最高栅源电压受最大漏极电流限制 其最佳值一般取为 A I GK V 15V 左右 精品文档 7欢迎下载7欢迎下载7欢迎下载 图 2 5 转移特性曲线 2 3 2 IGBT 动态特性 动态特性是指 IGBT 在开关期间表现出来的特性 在平时的应用中 IGBT 常 作为开关的应用 所以了解 IGBT 的开关过程是很有必要的 精品文档 8欢迎下载8欢迎下载8欢迎下载 图 2 6 IGBT 的开关过程的波形示意图 1 1 开通过程 IGBT 的开通过程与 MOSFET 的开通过程是很相似的 因为开通过程中 IGBT 在大部分时间作为 MOSFET 来运行 关键名词 开通延迟时间 td on 为上升至最大值的 上升至的 GE V 10 C I 10 时间差 电流上升时间 10 的时刻 90 的时刻的时间差 C I C I 开通时间 开通延迟时间 电流上升时间 on t 的下降过程分为两段 第一段是只有 MOSFET 工作 第二段不仅有 CE V MOSFET 工作 同时有 PNP 晶体管的工作 2 关断过程 关断延迟时间 td off 是从下降达最大值的 90 时刻算起 一直到 GE V 电流下降到最大值的 90 时刻所用的时间 C I 电流下降时间 从的最大值的 90 下降到电流最大值的 10 所用的时间 C I 关断时间 关断延迟时间 电流下降时间 在下降过程中分为了两段 第一段是 IGBT 单独的下降时间 所以下降得比 较快 第二段时间包括了 PNP 管的关断过程 所以下降得要慢点 2 4 IGBT 的设计理论 2 4 1 IGBT 的结构设计理论 IGBT 设计有三个重要的层 衬底 缓冲区 和外延层 选用 P N N 型的衬底 再在上面用外延生长出缓冲区和外延层 衬底厚度的选取与器件 P 栅极和衬底的等效电容大小有关 影响到器件的开关速度 缓冲区是生长在 N 精品文档 9欢迎下载9欢迎下载9欢迎下载 衬底上的 选取一定的浓度和厚度来降低外延层结尾处的电场强度 以提高器 件的开关速度 型外延层影响器件击穿电压 但是又同时与器件的导通电阻 N 和开关速度有关 所以要综合考虑 IGBT 器件表面通常采用 MOS 工艺制成 通过对以及 P 阱区的两次扩散 N 或注入 自对准形成沟道 项端的层作为 MOS 部分的源极 漂移区为 N N MOS 器件的漏极 2 4 2 IGBT 的闩锁效应 IGBT 是由P四层材料构成的 当满足条件 1 满 P N N npn pnp 足时 IGBT 就像普通晶间管那样导通 在极低的电压下即使不加栅压 器件也 能通过很大的电流 这种现象称为锁定 通过优化和设计可以消除引起锁定的因素 通常有这些方法 1 减少短路电阻 我们可以采用扩散法 缩短源区的横向长度 P N 使得 N 源区下的短路电阻降低 短路寄生管 使得寄生管不导通 2 在衬底和外延基区之间加一层 缓冲层 使得 PNP 管基区电荷 P N 数增加 这就大大降低了衬底向外延基区发射空穴的发射效率 使得 PNP P N 管的共基极电流放大系数降低 提高了抗闩锁的能力 2 4 3 器件设计的主要性能影响因素 IGBT 的电学性能指标主要包括 正向击穿电压 反向阻断电压 阈值电压 导通电阻 l V 特性曲线 开关特性 IGBT 的设计 主要是围绕高耐压和低导通电阻 两项性能指标 同时兼顾阈值电压和器件的开关速度等因素来设计 击穿电压 主要影响因素是的浓度及厚度 要求在保证低导通电阻的同 N 时 提高耐压能力 精品文档 10欢迎下载10欢迎下载10欢迎下载 阈值电流 主要影响因素是栅氧介质层中的界面电荷 栅氧介质层的厚度 以及栅极下沟道的浓度 因为栅极下沟道的浓度与沟道的导通电阻有关 所以在要求有低导通电阻 的情况下 阈值电压的设计需要和导通电阻有折衷关系 IGBT 的导通电阻 主要影响因素是 的总和 JFET R ACC R MOD R CH R 其分别表示寄生结型场效应管电阻 区表面电子积累层电阻 电导调制外延 N 基区电阻和 MOS 沟道电阻 电阻的分布如图 2 7 所示 对于 IGBT 器件应尽可能的减少导通电阻 当导通电阻很小时 器件就会有 一个很好的开关特性 当然导通电阻并不是影响器件开关特性的唯一因素 对 于开关特性 主要影响因素是载流子的寿命 漂移区的掺杂浓度以及导通电阻 图 2 7 IGBT 的导通电阻分布 注释 1 电导调制效应 随着区注入少数载流子的增加 最终超过 P 了区的参杂浓度 即进入了大注入 N 区的电中性要求 P x N x z 这个浓 N 精品文档 11欢迎下载11欢迎下载11欢迎下载 度可以远大于背景参杂浓度 结果大大减小了 N 区的电阻率 这种现象称为电 导调制 它可以传输一个大电流穿过 N 区 而开态电压很低 2 穿通型结构 Punch Through PT IGBT 在 PT 型的 IGBT和 N 之间插入了一个 层 缓冲层 在的基础上外延生长而成的 在反向 P N P 应用时 发生雪崩击穿之前 N 耗尽层不断向 P 阱扩展以至于发生穿通 而没 有缓冲层的不会发生穿通现象 因为 NPT IGBT 正反向的赖压是一样的 又 N 称为对称型的 IGBT 而 NP IGBT 又称为非对称型的 IGBT 精品文档 12欢迎下载12欢迎下载12欢迎下载 第三章 IGBT 的设计 在 IGBT 的设计中的主要电学指标有阈值电压 击穿电压 开关速度 阈值电 压表明器件开启所需要的最小电压 击穿电压表明器件工作在关态时的最大耐 压 开关速度关系到器件在高频电路中的应用范围 3 1 外延层的计算 3 1 1 IGBT 的击穿机理 在讨论 IGBT 的击穿机理的时候 先来讨论 pn 结的击穿机理 6 当 pn 结加 反向电压的时候 pn 结的反向电流很小 这个电流称为反向电流 并且当方向 电压增加很快地趋向了饱和 当 pn 结的反向电压逐渐增大时 当电压增大到超 过一个值时 反向电流突然增大 这种现象称为 pn 结的击穿 称为 pn B V B V 结的击穿电压 击穿机理有三种 1 热击穿 当 pn 结加反向电压的时候 pn 结的方向电流的功率会增加 随着 pn 结的 产生的热量也会增加 如果产生的热量不能及时的散掉 那么随着温度的升高 反向电流随之增加 这样又引起 pn 结电流的增加 直至 pn 结被烧坏 窄禁带的 pn 结或者漏电流较大的 pn 结容易发生热击穿 2 隧道击穿 当 pn 结加反偏电压的时候 pn 结的势垒升高 空间电荷区价带和到导带 的水平距离随做反偏电压的增加逐渐变窄 这时 p 区的价带电子可能会超过 n 去导带电子的能量 p 区的价带的电子有一定的几率穿越过禁带到达 n 区的导 带 成为 n 区的电子 当 pn 结的两侧的杂质浓度都比较到得时候 p n 结的空间电荷区较窄 在 相同的电压 下分布在空间电荷区的电场强度较高 所以容易发生隧道击穿 精品文档 13欢迎下载13欢迎下载13欢迎下载 3 雪崩击穿 当 pn 结外加电压很高的时候 空间电荷区的电压很强 载流子通过空间电 荷区的时候可以获得到很到的能量 加速到很高的速度 当载流子的速度到达 一定的时候时 能够在碰撞晶格的时候把晶格原子的最外层的电子激发出来产 生电子和空穴对 产生的电子又可以碰撞其他的晶格原子产生电子空穴对 这 样产生连锁反应 从而空间电荷区的电子空穴对的数量急剧的增加 由此引起 的击穿叫做雪崩击穿 雪崩击穿要求空间电荷区有很到的电场 同时需要很长的距离来加速 所 以要求空间电荷区的宽度很宽 即要求 pn 结的极端或者两段的掺杂浓度较低 这时就容易发生雪崩击穿 IGBT 的击穿分为正向的击穿和反向的击穿 IGBT 的发生正向击穿是 J2 结 反偏 来承担电压降 IGBT 的发生反向击穿的时候是 J1 结反偏 J1 结承担电 压降 当 IGBT 正向应用时 是在 IGBT 的阳极加上正的电压 这时 J1 正偏 J2 结反偏 这时可以看成 P N N 的一个结构 而耗尽区是在 P N 的界面处 当电 压增加时耗尽向两边延伸 由于 P 区的杂质浓度比 N 区的高得多 根据电中性 原理 耗尽区的宽度主要在 N 一侧 并且在 N 区的一侧耗尽区的宽度很宽 这 样在有足够强的电场的情况下 在 N 区的载流子就会被加速到发生雪崩击穿的 速度 所以 IGBT 的击穿机制是雪崩击穿机制 IGBT 的击穿可以用一个 P N 结的击穿来近似 但是由于存在缓冲层 可能 由 P N 结的击穿近似与 IGBT 击穿会有一定的差距 但是差距不会很大的 精品文档 14欢迎下载14欢迎下载14欢迎下载 IGBT 的击穿是由于雪崩击穿 当 IGBT 加正向的电压的时候 J2 结反偏 当 IGBT 临界击穿的时候的电场分布图如 3 1 所示 图 3 1 IGBT 的电场分布图 设在 pn 的雪崩击穿中 这时的 20 1 击穿电cm 102 5V EMAX mV 压为 1000V 近似处理 1000V 100 IGBT 的击穿电压用 P N mptE W 2 1 pt Wm 突变结来近似 可近似算的到 但是在仿真的 4 3 13 106 DB NV 14 1034 2 D N 时候还要做进一步的调整 3 2 栅氧化层的计算 要求设计阈值电压为 3 到 6 伏之间 需要调整栅氧化层的厚度 氧化层的 厚度对有一定的关系 当 P 阱的浓度一定的情况下 氧化层厚度和阈值电 OX C 压近视成线性的关系 所以 ox si0 t 2 O OX C ox ln 4 q 2 t ln ox0 si0 i n PB N PB i pb Nk n N KT TH V 栅氧化层的厚度 可以先设定下栅氧化层的厚度来实现 3 到 6 伏的阈值 ox t 电压 设定 d 600 0 06 A m 精品文档 15欢迎下载15欢迎下载15欢迎下载 3 3 P 阱的设计 P 阱是硼注入后推进得到的 P 阱决定了沟道的长度和表面浓度 对阈值电 压有一定的影响 结深为 5 8 测得沟道的长度为沟道的长度为 2j Xm CH L 4 1 p 阱的表面浓度为m atoms PB N 17 107 2 2 cm F OX C ox sio0 t 2 5 14 106 0 1085 89 3 8 1075 5 2 cm 0 432eV ln qf i pb n N KT 10 17 101 5 102 7 ln0 0259 1 ox i n PB N PB i pb C Nk n N KT TH V ln T4 q 2 si0 ln 0 865 4 83 3 965V 上式的长度单位都转换为 cm 3 4 阴极 N 阱 NSD 的设计 N 阱 NSD 是通过注入高浓度的 N 型杂质 然后经过退火工艺而得到的 N 型阱的注入相同计量时 当扩散时间长时极深就深 向下扩散的时候同时横 向扩散 影响了沟道的长度 设计 N 型阱的浓度为 atoms 极深为结深为 0 4um 为很浅 19 103 9 2 cm 的结深用于当沟道导通时向沟道注入电子 3 5 饱和电流的计算 6 当逐渐增大 反型的沟道开始变窄 随的增加便得缓慢 但 AK V A I AK V 增加到与相等时 漏端发生夹断 这是的电压称为漏源饱和电压 AK V TGK VV 简称饱和电压 精品文档 16欢迎下载16欢迎下载16欢迎下载 TGDSAT VVV s 这时的电流叫做饱和电流 大注入条件下 可以由下式计算 s I 当等于饱和电压时 2 1 2 OXnDDTGDSAT VVVVC L Z I G V 当不断增大时电流饱和了 2 OXn 2 TGDSAT VVC L Z I G V 第四章 IGBT 的工艺仿真 4 1 工艺参数 衬底厚度为 20 微米 P 型 浓度 319cm 100 1 缓冲层厚度 10 微米 N 型 浓度为 317cm 100 1 N 外延层厚度为 110 微米 N 型 浓度为 314cm 105 1 栅氧化层厚度为 0 06 微米 多晶硅的厚度为 5 微米 P 阱的结深为 5 8 微米 浓度 343 17317 cm10cm107 2 N 发射区结深为 0 4 微米 浓度为 319cm 103 9 精品文档 17欢迎下载17欢迎下载17欢迎下载 4 2 使用 Athena 软件设计工艺流程 4 2 1 定义网格 工艺仿真之前需要先定义网格 Sivacol TCAD 是基于网格计算的仿真工具 在网格处计算其特性 而格点的总数不能超过 20 000 个 在器件表面 结构复杂的地方定义较密的网格 在器件结构不复杂 器件 的底部定义较稀疏的网格 做 IGBT 先定义 P 衬底 杂质为硼 浓度为 厚度为 20 如图所示 319cm 100 1 m 图 4 1 衬底初始化 4 2 2 外延缓冲层 然后外延生长一层 N 的缓冲层 掺杂为磷 杂质浓度为 厚度 317cm 100 1 为 10 微米 精品文档 18欢迎下载18欢迎下载18欢迎下载 图 4 2 外延缓冲层 4 2 3 外延 N 外延层 分两次外延 第一次外延网格比较稀疏的部分 在 y 大于 10um 以下的部分 1 第一次外延 杂质为磷 杂质浓度为 厚度为 110 314cm 105 1 m 图 4 3 第一次外延 N 层 精品文档 19欢迎下载19欢迎下载19欢迎下载 2 第二次外延 由于在器件的表层浓度的变化比较大 对器件的性能 的参数的影响较大 所以在表面定义较密的网格 图 4 4 第二次外延 N 层 外延完成后的总体的网格如图所示 器件的表层对器件的特性影响比较大 浓度变化剧烈 所以网格的密度较大 而离器件表层叫深的地方杂质的浓度变 化缓慢 对器件的性能影响下小 所以定义较稀疏的网格 图 4 5 器件网格布局 精品文档 20欢迎下载20欢迎下载20欢迎下载 4 2 4 在外延层上生长一层栅氧化层和多晶硅 栅氧化层的厚度为 600 栅氧化层对器件有很大的影响 它的厚度影响 A 了器件的阈值电压 并且影响栅氧化层的耐压能力 多晶硅的厚度为 5000 然后再刻蚀掉 X A 大于 13 微米的部分 图 4 6 氧化层和多晶硅 精品文档 21欢迎下载21欢迎下载21欢迎下载 5 2 5 离子注入 P base N 发射极 离子注入是把杂质元素的原子 进过离化后变成带电离子 然后在 电场中 加速达到很大的速度 并且获得较大的能量 直接轰击到半导体的基片上 在 半导体内就形成了杂质浓度分布 当离子与晶体碰撞时 一部分在今天的便面 与晶体的晶格碰撞闪射掉了 另一部分注入到了半导体里面去了 离子在半导 体内部运动的时候 由于与半导体内的原子和电子的无规则的碰撞 离子的能 量逐渐减小 最终停留在了半导体内的某个位置 离子注入在半导体里面形成了特定的分布 离子注入与扩散法形成的杂质 分布不一样 离子注入的浓度的最大值不在硅片的表面 而到深入到硅片里的 又一段的距离 制作 p base 时 先用离子注入在硅片较浅的的表面有一定剂量的杂质原子 再进过热扩散使杂质的结深向硅片里面深入 相当于有限表面源扩散 当注入剂量一定的时候 而扩散结深 要让扩散的结深增加 有 两个方法 一个是提高扩散的温度 第二个是增加扩散的时间 而在硅片内的 杂质浓度主要有注入剂量来决定 第一步 制作 P base 要求浓度为 结深为 5 8 343 17317 cm10cm107 2 微米 选择注入的能量为 80KV 的一般的注入的能量 粗约估计一个剂量 1 0e13 发 现浓度不够 然后调整指数部分 但调到 1 0e15 时 发现浓度超了 就降低一 个指数然后调整系数部分 先调整系数的个位部分 当调到 3 0e14 发现浓度超 了 降低一个个位数 然后调整系数的小数部分 最终确定为 2 2e14 的剂量 然后设定一个温度为常用的扩散的温度为 1150 摄氏度 然后调整扩散的时间 用同样的方法 小时从 100 200 300 400 试验然后再确定十位数 最终确定 为 550 分钟的扩散时间来获得 4 4 微米的结深 精品文档 22欢迎下载22欢迎下载22欢迎下载 图 4 7 P 阱的杂质浓度分布 第二步 制作 N 浓度为用与注入 P base 同样的方法可以得 319cm 103 9 到 由于 N 的结深较小 可以选择注入能量为 50KV 进过多次的粗调节和微调 节 选择了磷离子的注入剂量为 4e15 在 930 为度的温度下使用了 85 分钟的 扩散时间 精品文档 23欢迎下载23欢迎下载23欢迎下载 图 4 8 两次扩散的杂质浓度分布 4 2 6 淀积 AL 刻蚀掉不需要的部分 器件之间的互联是通过金属 AL 来实现的 定义电极之前先淀积一层 AL 然后 再刻蚀掉不需要的部分 图 4 9 淀积 AL 4 2 7 定义电极 分别在器件的表面左边 右边和底部分别定义了栅极 发射极和集电极 这样 才能对 IGBT 外加电压 测出器件的特性 精品文档 24欢迎下载24欢迎下载24欢迎下载 图 4 10 制作电极 图 4 11 发射极下方的浓度分布 精品文档 25欢迎下载25欢迎下载25欢迎下载 图 4 12 沟道的浓度分布 精品文档 26欢迎下载26欢迎下载26欢迎下载 第五章 器件的特性分析 5 1 分析器件的参数对阈值电压的影响 影响阈值电压的因数有栅氧化层厚度和 P base 的杂志浓度 图 5 1 为栅 氧化层的厚度为 1000 P base 的浓度为的 集电极加 10 0V 的 A 317cm 107 2 偏压时 测试 IGBT 阈值电压的图 图 5 1 器件的转移特性曲线 由图可以看出 IGBT 的阈值电压在 6 0V 左右 当改变浓度 P base 的浓度 为 栅氧化层的厚度为 1000时 测试 IGBT 的阈值电压的曲线图 317cm 100 1 A 如图 5 2 所示 精品文档 27欢迎下载27欢迎下载27欢迎下载 图 5 2 器件的转移特性曲线 与图 4 1 对比 图 5 2 的阈值电压明显下降了 可以看出 当 P base 的 浓度的浓度降低时 IGBT 的阈值电压明显的下降了 阈值电压为 3 5 左右 其他的参数不变时 P base 的浓度为的 集电极加 10 0V 的 317cm 107 2 偏压时 调整栅氧化层的厚度 调整栅氧化层的厚度为 2000时 IGBT 的转移特 A 性曲线如图 5 3 所示 精品文档 28欢迎下载28欢迎下载28欢迎下载 图 5 3 器件的转移特性曲线 由图可以看出当增加山氧化层的厚度时 阈值电压明显的上升 可以在 P base 的浓度为的时候调整栅氧化层的厚度来实现阈值电压为 2 到 317cm 107 2 6 伏之间 进过了比较 选择的栅氧化层的厚度为 600时 计算的阈值电压约 A 为 4V IGBT 的转移特性曲线如图 5 4 所示 精品文档 29欢迎下载29欢迎下载29欢迎下载 图 5 4 器件的转移特性曲线 分析分析 6 IGBT 器件的参数对阈值电压的与 MOSFET 的原理是相同的 对于 理想的 MOSFET 阈值电压有两部分组成 IGBT 也是一样的 一部分是由于开始 强反型时半导体表面的电压降 一部分是由于栅氧化层的压降 半导体开始强 反型时的表面势为 氧化层的压降可用氧化层电容来表示 即 试中 为金属上的电荷面密度 为单位面积的氧化层电容 为半 导体表面的电荷表面密度 是由反型层的电荷和耗尽层的电荷两部分 组成的 临界反型的时候 反型层是很薄的一层 相对于来说是很小的一部 分是可以不计的 于是有约为 当强反型后 反型层的电子浓度随着栅极电压的增大而增大 对耗尽层起 到了屏蔽的作用 使电场不再深入到半导体内 可用近似认为临界反型后的耗 尽层不在变化 所以 对于 N 沟道的 IGBT 有 所以 IGBT 的阈值电压可用表示为 精品文档 30欢迎下载30欢迎下载30欢迎下载 OX C ox sio0 t 2 为栅氧化层的厚度 所以 P base 的浓度下降时 平带电压下降了 并且降落在栅氧化层上 的电压以下降了 当氧化层的厚度增加的时候 减小 所以阈值电压就增加了 综合 综合 虽然较小的 P base 的浓度可以得到较小的阈值电压 但是当把 P base 的浓度降低到 发现 IGBT 的输出特性曲线出来了很明显的不 317cm 100 2 饱和现象 即 IGBT 的电流不受到了栅极电压的控制 因此 选择了 的浓度作为 P base 的杂质浓度 由于要求阈值电压在 3 到 6 伏之 317cm 107 2 间 所以折中考虑了 0 06 微米的厚度 图 5 5 器件的转移特性曲线 精品文档 31欢迎下载31欢迎下载31欢迎下载 5 2 IGBT 输出特性曲线的仿真 N 发射极的浓度为 结深为 0 4 p base 的浓度 结深为 5 8侧得的输出曲线为 图 5 6 p base 结深为 5 8 p base 的浓度不变 当调整 p base 的结深为 5 0和 5 5时的输出 图像为 精品文档 32欢迎下载32欢迎下载32欢迎下载 图 5 7 p base 的结深 5 0 图 5 8 p base 的结深 4 4 精品文档 33欢迎下载33欢迎下载33欢迎下载 分析 当逐渐增大 反型的沟道开始变窄 随的增加便得缓慢 AK V A I AK V 但增加到与相等时 漏端发生夹断 这是的电压称为漏源饱和电压 AK V TGK VV 简称饱和电压 TGDSAT VVV s 这时的电流叫做饱和电流 大注入条件下 可以由下式计算 s I 当等于饱和电压时 2 1 2 OXnDDTGDSAT VVVVC L Z I G V 当不断增大时电流饱和了 2 OXn 2 TGDSAT VVC L Z I G V 由于 atlas 仿真的时候默认的器件的宽度 Z 为 1 所以器件的这个横 截面的仿真的器件的宽度是不变的 由于 p base 的掺杂浓度时不变的 所以电 子的迁移率是不变的 阈值电压同时不变 当改变沟道的长度时不会引起其他 的量的变化 P base 是由离子注入之后 进过扩散之后形成的 N 发射极也是先离子注 入在通高温扩散形成的 并且形成一定的结深 在器件的便面 P base 与 N 进 过扩散后所形成的结深之差就是沟道的长度 所以当 N 的参数不改变的情况下 单独增加 p base 的结深 从 4 4增加到 5 0 再增加到 5 5 从而 得出三幅输出特性曲线 可以看出 当 p base 的结深不断增加时 同时 IGBT 的沟道的长度也不断地增加 可以明显的看出 IGBT 在栅极的偏压都为 10V 的情 况下 IGBT 的饱和电流是逐渐的降低的 综上所述 缩短沟道的长度可以增大 IGBT 的饱和电流 但是器件的不饱和 程度逐渐上升了 如图 4 8 所示器件出现了严重的不饱和现象 所以中和和器 件的输出特性 选择了 P base 的结深为 5 8 微米 这样器件有个很好的输出特 性曲线 5 3 IGBT 极的击穿特性的仿真 当 IGBT 的阳极加正的电压时 结正偏 结反偏 IGBT 正向工作发生 正向阻断的作用主要是起作用 可以用 P N 突变结来近视 IGBT 的正向击穿 精品文档 34欢迎下载34欢迎下载34欢迎下载 电压 而电压主要降落在外延层上 所以外延层的厚度和浓度对 IGBT 的击穿电 压产生了主要的影响 外延层的厚度越厚 浓度越低 IGBT 的击穿电压越大 通过 P N 结的近似 外延层厚度 100 浓度为 击穿特 pt Wm 14 1034 2 D N 性的曲线如图 5 9 所示 图 5 9 击穿电压为 700V 击穿电压约为 750V 可增加外延层的厚度和设当降低浓度来调整 IGBT 的 击穿电压到 1000V 调整外延层的浓度为 并且调整外延层的厚 14 105 1 D N 度为 130 微米 得到了约为 1000V 的击穿电压 曲线如图 5 10 所示 精品文档 35欢迎下载35欢迎下载35欢迎下载 图 5 10 击穿电压为 1000V 精品文档 36欢迎下载36欢迎下载36欢迎下载 第六章 IGBT 版图的设计 上面设计的是 IGBT 一个元胞的沟道宽度为 1 个微米的结构 当栅极加 10 的电压的时候 饱和电流为 0 3 微安培 这个电流是很小的 而要求设计的是 100 个安培的电流 需要将成千上万的元胞并联起来 这样就可以得到 100 个 安培的电流了 6 1 版图参数的计算 IGBT 通常使用是栅极加 10V 的电压 这时在 ATLAS 上仿真是在 IGBT 沟道 的宽度是为 1的条件下的饱和电流为 0 3 表示 现在设计一个正六边形m A 的单元 根据以上的设计的参数 N 发射极的长度为 1 9 沟道的长度为m 5 1 示意图如图 5 2 所示 大的正六边形为 P 阱 小的六边形为 N 发射极 m 图 6 1 用几何画板画出来的示意版图 精品文档 37欢迎下载37欢迎下载37欢迎下载 6 2 版图的设计流程 1 设计 P 阱 在 tanner 里选择图层 p select 再选择画任意角度图形的工具 在 画图的面上估计画出一个正六边形的图形 然后再选择编辑图形的坐标 六个电的坐标分别为 6 930 0 0 3 465 6 0 3 465 6 0 6 930 0 0 3 465 6 0 3 465 6 0 这样就画出了如图 6 2 所示的图形 图 6 2 P 阱 2 绘制 Active 图层 设计了 P select 区域以后 接做设计主动区域的图 层样式 Active 以外的地方是厚栅氧化层的区域 Active 的区域也是一个正六 边形的区域 精品文档 38欢迎下载38欢迎下载38欢迎下载 图 6 3 Active 图层 3 绘制 N 发射区 在选择图层 N select 在与上面两个图层相同的圆心的画正六边形 如 6 4 所示 图 6 4 N 发射区 4 绘制 Active contact 图层 IGBT 的发射极需要接上电极 才能在其上加上偏压 各元器件之间的信号 传递 已需要考金属线连接 在最底层的金属线用 Metal 图层来表示 在金属 层制作之前 元件会被淀积上一层绝缘层 为了上金属能够接触到发射极 必 须在绝缘层上刻蚀出一个接触孔 这个接触孔是为了金属能够与 N 发生区的扩 散区接触 Metal1 与扩散区之间的接触孔用 Active contact 图层来表示 图 6 5 Active contact 图层 5 绘制多晶硅 poly 层 精品文档 39欢迎下载39欢迎下载39欢迎下载 多晶硅是在淀积在栅氧化层的上面 作为栅极 图 6 6 poly 层 6 绘制 metal1 层 在自动区域 Active 层里画一个正方形的图形 最终形成的版图如 6 7 所示 图 6 7 IGBT 单元版图 6 3 计算所需要的单元数 上面设计的版图为一个元胞的版图 100 安培的 IGBT 还需要这样的很多个 并联在一起 一个单元的沟道的宽度为 沟道长度为 1的m58 41693 6 m 精品文档 40欢迎下载40欢迎下载40欢迎下载 饱和电流为 0 3 则这样的一个单元的电流为 则A A1048 123 058 41 3 100A 的 IGBT 需要的单元数为 8013 个这样的单元 3 1048 12 100 总 结 第一章对 IGBT 的历史和发展进行了简单的概述 在第二章里介绍了 IGBT 的 结构 工作原理进行了分析 并且对 IGBT 参数对器件的特性的影响作了定性的 分析 在第三章的 IGBT 的参数进一步进行了估算 在第四章的先使用 Athena 软件进行工艺仿真 然后进行器件的特性分析 对达不到要求的参数进行调整 直到到到要求为止 最后在进行 IGBT 单元版图的设计 在设计 IGBT 的过程中 出现了很多平时没有注意到的实际的问题 在 IGBT 的击穿电压的计算上 使用了 P N 结的近似 但是与 P NN P 的模型还是有一 定的差距 在仿真的时候进行了 N 外延层的厚度和浓度进行了一定的调整 才 达到要求 在画版图的时候 画出了版图的一个元胞但对整个的 IGBT 的器件没 有画出来 在整个 IGBT 的器件还需要进行元胞之间的互联 进过这次毕业设计 学到了很多的知识 但是缺乏很多的理论的基础 在应 用的时候遇到了瓶颈 精品文档 41欢迎下载41欢迎下载41欢迎下载 参考文献 1 周志敏 IGBT 和 IPM 及其应用电路 M 人民邮电出版社 2006 2 吴滔 绝缘栅双极型晶体管 IGBT 的研究与设计 D 浙江 浙江大学 2005 3 赵善麒 绝缘栅双极型晶体管 IGBT 的设计要点 C 江苏 江苏宏微 科技有限公司 4 IEEE 文献 ANALYSIS AND DESIGN OF VERTICAL N CHANNEL IGBT A Kumar and V K Khanna Semiconductor Devices Area Central Electronics Engineering Research Institute Pilani 33303 1 Rajasthan INDIA 5 王宏 IGBT 的分析仿真 D 沈阳 沈阳工业大学 2009 6 傅兴华 丁召 杨健 固体电子器件原理简明教程 科学出版社 7 张庆中 晶体管原理与设计 第二版 M 电子工业出版社 8 廖裕平 陆瑞强编著 Tanner Pro 集成电路设计与布局实战指导 M 出版社 科学出版社 9 施敏 美 著 陈军宁 译 半导体制造工艺基础 M 安徽 安徽大 学出版社 10 刘恩科 半导体物理学 M 北京 国防工业出版社 2009 精品文档 42欢迎下载42欢迎下载42欢迎下载 致谢 这此毕业论文设计首先要感谢傅兴华教授对我耐心地指导 其次要感谢杨 发顺博士和马奎博士给我的答疑解惑 同时感谢学院给我提供了 Silvaco 软件 为设计 IGBT 提供了一个实验平台 学生 孙 阔 精品文档 43欢迎下载43欢迎下载43欢迎下载 附录 附录 1 使用 Athena 软件设计 IGBT go athena IGBT design power by sunkuo mesh def