絕緣柵雙極晶體管的仿真設計方法

范曉波

（西安電力電子技術研究所，西安 710077）

1 引言

對于高壓大電流IGBT的制造來說，傳統的外延法已不再適用[1]。目前，采用直接將器件放置在硅單晶上，由此帶來了工藝流程的改變。為了提高成品率，降低制造成本，從硅單晶材料的選擇到加工工藝的每一個步驟都是有著系統且嚴格的要求[2]。采用計算機仿真設計的方法可以極大地提高生產的可靠性，包括結構工藝仿真、電氣特性仿真及版圖設計[3]。

2 器件元胞及終端結構工藝仿真

通過計算機軟件進行IGBT器件的工藝模擬，即通過適當的調節擴散等工藝的溫度、時間以及氣氛，仿真出最佳的硼磷結深等器件參數，最終獲得理想的器件結構。本文所設計的IGBT器件是一個基于透明陽極技術的NPT型IGBT，選用中子嬗變技術摻雜（NTD）具有[100]晶向的N型硅單晶做襯底，元胞結構為條形，采用環場板混合終端結構[4]。工藝模擬的二維結構如圖1所示。

3 器件電氣特性仿真

對工藝模擬生成的器件結構進行電氣特性的仿真，得出器件關鍵參數的仿真曲線[5]。

圖1 IGBT的元胞及終端結構

①閾值電壓的仿真。仿真結果表明，影響閾值電壓的因素首先是P-阱區的摻雜濃度及其雜質分布的情況，其次是柵氧化層的厚度。同時，發現器件的溝道越長，雜質分布越平坦，閾值電壓越容易控制。因此，實際工藝中，應當優化P-阱區的摻雜以及退火工藝，因為其與雜質的再分布密切相關，以期使P-阱區雜質分布的波動降到最低，從而獲得較為穩定的閾值電壓，最終得以提高器件參數的均勻性和一致性[6]。閾值電壓的特性曲線如圖2所示。

②通態特性。仿真結果表明，芯片的厚度、襯底的摻雜濃度、Pbody的摻雜濃度、柵氧的厚度等均是影響通態特性的因素。通態特性曲線如圖3所示。

③開關參數。仿真結果表明，影響開關參數的因素有P+陽極的摻雜濃度、柵氧化層的厚度、多晶硅的厚度及摻雜濃度，若存在N+緩沖層，那么與緩沖層的摻雜濃度和厚度有關[7]。此外，開關參數與芯片的整體布局有很大關系，尤其是與多晶硅柵的布局結構有很大關系，開關特性曲線如圖4所示。

圖2 閾值電壓曲線

圖3 通態特性曲線

圖4 開關特性曲線

④版圖設計?；诠に嚪抡娼Y果，確定器件的橫向尺寸，繪制出芯片版圖，如圖5所示。

4 結論

通過對IGBT進行工藝模擬以及電氣特性仿真，充分結合流片試驗的情況，研究的結果表明，計算機仿真結果與試驗數據高度一致，為器件的生產制造提供了強有力的支撐[8]。

圖5 芯片版圖