溝槽式FS?IGBT各部分對其性能的影響研究

張滿紅 鄒其峰

摘 要： 溝槽式FS?IGBT是當前IGBT中最為先進的結構，它結合PT?IGBT和NPT?IGBT各自的優點，具有較薄的N?區以及FS場截止層，能夠使導通壓降更低并且可以有效減少關斷時間和關斷損耗。主要通過仿真軟件Sentaurus TCAD對FS?IGBT進行工藝與電學特性仿真，通過改變不同部分的參數，如柵極的長寬，N型漂移區的厚度，P?base區的注入劑量及能量等，研究對其性能的影響。結果表明柵極的長寬和漂移區厚度的增加會使BV變大，場截止層電阻率的增加會使導通電壓變小，閾值電壓會隨著P?base區的注入劑量及能量的變大而變大。通過仿真結果得到了結構參數對器件性能的影響，為FS?IGBT的設計提供參考。

關鍵詞： FS?IGBT； Sentaurus TCAD； 結構仿真； 電學特性； 性能影響； 導通電壓

中圖分類號： TN386?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）14?0005?05

Research on influence of trench FS?IGBT′s each part on its performance

ZHANG Manhong， ZOU Qifeng

（Institute of Modern Electronic Science， North China Electric Power University， Beijing 102206， China）

Abstract： The trench FS?IGBT is currently the most advanced IGBT structure， which combines the advantages of PT?IGBT and NPT?IGBT， possesses a thin N?region and FS layer， can make the conductive voltage drop lower， and effectively decrease the turn?off time and turn?off loss. The technique and electrical feature of FS?IGBT is simulated by using the simulation software Sentaurus TCAD， during which the influence on FS?IGBT′s performance is researched by changing the parameters of different parts， such as grid length and width， thickness of N?type drift region， and injected dose and energy of P?base region. The results show that the BV becomes larger as the width and length of the grid， and the thickness of the drift region increase， the conductive voltage becomes lower as the resistivity of FS layer increases， and the threshold voltage becomes higher with the increase of the injected dose and energy of P?base region. The influence of structure parameters on device performance is obtained from the simulation results， which provides a reference for the design of FS?IGBT.

Keywords： FS?IGBT； Sentaurus TCAD； structure simulation； electrical feature； performance influence； conductive voltage

0 引 言

近年來世界能源消耗加劇以及電力需求的不斷增加，大力開發新型電力電子器件已經變成了一項非常重要的任務。隨著科技的不斷進步，所有的電力電子器件都有了飛速的發展，而在這些電力電子器件中發展速度最快的無疑是IGBT。就現在的電力電子器件來看，IGBT是當前乃至將來小型化、低噪聲、智能化、高性能電力電子裝置的首選器件[1?2]。IGBT設計之初就是為了兼有MOS管和雙極型晶體管的優點，所以它在結構上主要由兩部分組成，一個是輸入極的MOS部分，另一個是輸出極的BJT部分。這樣IGBT既能夠在小驅動條件下快速開關，又具有較低的飽和壓降。由于IGBT在大電流、高速、高壓等方面性能優越，成為了最為理想的開關器件[3]。而在IGBT中，兼有Trench結構和FS結構優點的Trench?FS IGBT已經變成了主流，同時也是如今IGBT領域研究的新熱點所在[4]。Trench?FS型IGBT將以往IGBT的優勢技術相結合，具有比較低的導通損耗、較強的抗閂鎖能力和極好的短路能力[5]?，F在，國內的場截止IGBT結構還是以平面結構為主流，那些溝槽式的場截止IGBT大多是外國公司的產品。對于將溝槽式技術應用于場截止IGBT的方法還處于探索階段。因此，本文借助仿真軟件Sentaurus TCAD對Trench FS?IGBT的影響進行仿真研究，以期為溝槽式FS?IGBT的設計提供參考。

1 Trench FS?IGBT的結構

N溝道溝槽型FS?IGBT的結構圖如圖1所示，Trench?FS IGBT器件是三端器件，三個端分別是：柵電極（Gate）、集電極（Collector）以及發射極（Emitter）。本文主要研究P?base區、漂移區、FS層等結構參數對器件性能的影響。溝槽通常是采用反應離子刻蝕技術（RIE）在硅片刻出，再用多晶硅回填溝槽，形成柵電極[6]。為了在溝槽側形成溝道，并且使其可以延伸到N漂移區，柵的深度要大于P?base的結深。

在器件中，N 型漂移區使用的是低摻雜，而在N漂移區的底部，緊跟著的是一層高摻雜的緩沖層，又把這個高摻雜緩沖層叫作電場截止層。顧名思義，場截止層的作用就是使電場在此終止，相同的條件下能夠提高N?base的電阻率，這樣就可以降低器件的導通壓降，減少損耗。場截止層還有一個作用，就是可以避免NPT結構關斷時的電磁干擾問題[7]。IGBT與VDMOS器件的差別在IGBT的最下層，它有一個P+集電極，于是其結構中存在一個N?P?N?P結構，這樣的結構構成了一個晶閘管。

IGBT 可以被看作是MOS驅動的寬基區PNP和一個寄生的NPN的組合[8?10]。因為PNP晶體管擁有較寬的基區，這就導致它的電流增益也不大。雖然N+發射區與P?base 被發射極的金屬材料區短接，但是當電流從PNP晶體管流向發射極時，還是會受到一個P?base電阻的影響。這個電阻的數值是有限的，可以用RS來表征。于是就能夠得到Trench FS?IGBT 的等效電路圖，見圖2a）就是Trench FS?IGBT的等效電路圖。P+區域的存在會使RS變得很小，因此有時可以將它忽略不計。這樣Trench FS?IGBT結構中的NPN晶體管結構也就無法觸發，那么等效電路就能夠進行簡化，如圖2b）所示，其是一個由MOSFET驅動的PNP晶體管。

2 各部分影響分析

2.1 柵極對性能的影響

柵結構是IGBT一個比較重要的部分，發展至今有兩種形式的柵結構：一種是平面柵；另一種是溝槽柵。槽柵結構較之平面柵有一定的優越性，它可以減少元胞尺寸，降低成本，同時去掉平面IGBT中占整體電阻較高的JFET區電阻，使得器件的導通壓降得到降低[11]。本文主要研究槽柵的長度與寬度的影響。溝槽柵的寬度深度影響圖如圖3所示。

從圖3a）可以看出，正向阻斷電壓BV隨著深度的增加先變大再變小，在深度為4 μm時達到最大值，而導通壓降基本不受深度的影響。當柵極上加正向偏壓時，為了在溝槽側形成溝道，并且使其可以延伸到N漂移區，柵的深度要大于P?base的結深。當然，Trench也不是越長越好，正向阻斷狀態下，溝槽兩側的P?base和N型漂移區會構成反偏的PN結，當槽柵相對較短時，兩個反偏PN結的耗盡區會延展到一起，形成較為平坦的耗盡區，這樣有助于提高器件耐壓。

從圖3b）中可以發現，器件的導通壓降隨著溝槽柵寬度的增加而降低，這是因為Trench所占的面積受一層柵氧層的影響并不能夠為元胞提供電流。正向導通狀態下，在Channel下方及Trench下方的電荷量分別為（ND++p-n）和（ND++p），后者的電荷為正且總量比前者要大，這樣在兩者之間會產生一個橫向電場。在這個橫向電場的作用下，帶正電的空穴載流子會移動到溝道下方，進而會造成MOS溝道下方的載流子濃度變高，電阻率減小，這樣器件的Vce就會降低。不過溝槽的寬度會受工藝技術的影響，不宜過大。太大的寬度會使得多晶硅回填溝槽時不能填滿。

另外，隨著溝槽柵寬度的增加，器件的耐壓能力也在變大，這是因為較寬的柵結構有助于緩解槽底底角處的電場集中效應。

2.2 P?base區對器件性能的影響

IGBT的閾值電壓可以表示為：

[Vth=?ms-QssCox+2?FB+2qNAεs?FBCox] （1）

[?FB=kTqlnNAni] （2）

式中：?ms為功函數差；Qss為柵氧層電荷面密度，它們都是確定值。從式（2）中可知襯底的費米勢能?FB主要由P?base摻雜濃度NA決定，所以柵氧電容Cox以及P?base摻雜濃度NA成為影響Vth的重要因素。本文不討論柵氧層的影響，只考慮摻雜濃度。決定P?base區摻雜濃度的是其注入能量和注入劑量，因此要對這兩個參數進行仿真研究。

圖4a）所示為 P?base 區注入劑量對BV的影響。從圖中可知，器件的耐壓能力雖然隨著注入劑量的增加而增大，但是總體來說劑量對耐壓能力的影響并不大，這是因為N漂移區與FS層才是影響BV的主要因素。圖4b）所示為 P?base 區注入劑量對Vce和Vth的影響。注入的劑量大小會影響NA和溝道的電阻，后兩者隨前者的增加而變大。而NA和溝道的電阻與Vth和Vce有直接聯系，所以Vth和Vce隨著劑量的增加而變大。圖 5a）與圖5b）分別為 P?base 區注入能量對BV以及Vce和Vth的影響。P?base區的注入能量之所以能夠影響器件是因為它改變了P?base區的結深。注入能量變大，硼離子被注入的深度隨之變大，靠近結面的位置其濃度梯度不怎么改變，而較遠處會有所下降，電場斜率會因此產生微小變化，這就是注入能量對耐壓性能產生影響但是影響不大的原因。 此外，Vce和Vth會隨著結深的增大以及梯度濃度的改變而有所增加。

2.3 外延層及P+集電極區對器件性能的影響

槽柵FS?IGBT所謂的外延層就是指N型漂移區和場截止層。對于外延層，主要研究的是摻雜濃度和它的厚度，這兩者會對器件的BV與Vce產生影響。因為槽柵FS?IGBT 導通時，它的漂移區是大注入狀態，所以導通壓降很少受漂移區本身的摻雜濃度和厚度影響。在此主要分析漂移區對BV的影響，仿真中摻雜濃度用電阻率代替。

圖6a），圖6b）分別是漂移區厚度及電阻率對BV的影響。由圖可知，漂移區的厚度和電阻率的增大都會使BV增大。這是由于阻斷時，電阻率越大，就意味著摻雜濃度越小，也就導致電場斜率越小。

由于槽柵FS?IGBT 器件的漂移區較薄，漂移區厚度就相當于耗盡區厚度，電場圍成面積的大小會隨漂移區電阻率與厚度的變化而改變，所以電阻率與厚度的增加使得BV變大。

場截止層和P+集電極區也會對Vce和BV產生影響。產生影響的參數主要是P+集電極的注入劑量和FS層的電阻率。由圖7a），圖7b）可知，BV，Vce 都隨兩者的變大而減小。阻斷時，背部PNP三極管開基區反偏，場截止層電阻率增大表示其摻雜濃度下降，那么基區未耗盡部分的寬度就會減小，輸運以及電流放大系數變大，導致BV減小。

在集電極區，注入劑量的變大會使注入效率變強，而流放大系數又隨著注入效率的變大而變大，從而讓BV減小。Vce減小的原因有兩個：一是FS層與P+集電區之間的PN 結導通壓降降低；二是導通時，集電極變大的注入效率會讓漂移區內的存儲電荷增多、導通電阻減小。

3 結 論

本文對FS?IGBT的工藝結構進行了仿真，并通過改變柵極、P?base區、外延層的相關參數，利用Sentaurus TCAD對每次參數改變后的器件模型進行了電學測試與對比。借助仿真結果，在理論分析的基礎上，說明了FS?IGBT各個重要結構的工藝參數對器件的正向阻斷電壓、導通電壓、閾值電壓的影響。FS?IGBT每個部分的工藝參數都與其他部分有或多或少的關聯，優良性能的IGBT需要在各部分間取它們的良好折衷，實驗得到的數據結果對FS?IGBT的研究有一定的參考價值。

注：本文通訊作者為鄒其峰。

參考文獻

[1] 葉立劍，鄒勉，楊小慧.IGBT技術發展綜述[J].半導體技術，2008，33（11）：937?940.

YE Lijian， ZOU Mian， YANG Xiaohui. Review on development of IGBT technology [J]. Semiconductor technology， 2008， 33（11）： 937?940.

[2] 錢照明.電力電子器件及其應用的現狀和發展[J].變頻器世界，2014（6）：34?37.

QIAN Zhaoming. Current status and development of power electronic devices and their applications [J]. The world of inverters， 2014（6）： 34?37.

[3] 陶建海.電力電子功率器件（IGBT）的發展[J].廣西輕工業，2007，23（11）：51.

TAO Jianhai. Development of power electronic device IGBT [J]. Guangxi journal of light industry， 2007， 23（11）： 51.

[4] ALESSANDRIA A， FRAGAPANE L. A new top structure concept for a trench?gate emitter implant field?stop IGBT [C]// Proceedings of International Symposium on Power Electronics， Electrical Drives， Automation and Motion. Pisa： IEEE， 2010： 551?555.

[5] NAKAMURA K， HATORI K， HISAMOTO Y， et al. The next generation of HV?IGBTs with low loss and high SOA capability [C]// Proceedings of International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs. Orlando： IEEE， 2008： 145?148.

[6] ONOZAWA Y， OZAKI D， NAKANO H， et al. Development of the next generation 1700V trench?gate FS?IGBT [C]// Proceedings of the 23rd International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs. San Diego： IEEE， 2011： 52?55.

[7] 戚麗娜，張景超，劉利峰，等.IGBT器件的發展[J].電力電子技術，2012，46（12）：34?38.

QI Lina， ZHANG Jingchao， LIU Lifeng， et al. The development of insulated gate bipolar transistor [J]. Power electronics， 2012， 46（12）： 34?38.

[8] 趙起越.1 200 V TRENCH?FS型IGBT的設計[D].成都：電子科技大學，2013.

ZHAO Qiyue. The design of a 1200V TRENCH?FS IGBT device [D]. Chengdu： University of Electronic Science and Technology of China， 2013.

[9] 錢夢亮，李澤宏，張波，等.Trench gate IGBT structure with floating P region[J].半導體學報，2010，31（2）：11?13.

QIAN Mengliang， LI Zehong， ZHANG Bo， et al. Trench gate IGBT structure with floating P region [J]. Journal of semiconductors， 2010， 31（2）： 11?13.

[10] 游雪蘭，吳郁，張彥飛.第六代1 200 V槽柵FS?IGBT模塊[J].電力電子，2008（3）：50?54.

YOU Xuelan， WU Yu， ZHANG Yanfei. The 6th generation 1200V trench FS?IGBT modules [J]. Power electronics ，2008（3）： 50?54.

[11] 孔梓瑋.一種1 200 V場截止型IGBT的優化設計與測試[D].成都：電子科技大學，2016.

KONG Ziwei. Optimum design and testing of a 1200V field?stop IGBT [D]. Chengdu： University of Electronic Science and Technology of China， 2016.