绝缘栅双极晶体管的仿真设计方法

范晓波

【摘 要】IGBT即绝缘栅双极型晶体管业已得到广泛的应用，高压大电流是其未来的发展方向，近年来已经应用在高压直流输电领域。随着功率容量的不断提升，对器件的设计制造提出了更高的要求。为了缩短设计周期，提高成品率，降低制造成本，应采用计算机进行仿真，可极大地提高工作效率。论文结合流片的情况应用ISE软件进行了仿真研究，结果表明，采用软件仿真的方法能够有效地指导器件的生产制造。

【Abstract】IGBT， i.e. insulated gate bipolar transistor， has been widely used. High voltage and high current are its future development direction. In recent years， insulated gate bipolar transistor has been applied in the field of high voltage direct current transmission. With the continuous improvement of power capacity， higher requirements are put forward for the design and manufacture of devices. In order to shorten the design cycle， improve the yield and reduce the manufacturing cost， the computer simulation should be used， which can greatly improve the work efficiency. The paper uses the ISE software to carry out simulation research in combination with the flow film. The results show that the software simulation method can effectively guide the manufacturing of the device.

【关键词】IGBT;晶体管;高压直流输电;仿真;ISE

【Keywords】IGBT; transistor; high voltage direct current transmission; simulation; ISE

【中圖分类号】TN386.2                                                 【文献标志码】A                                【文章编号】1673-1069（2019）10-0186-02

1 引言

对于高压大电流IGBT的制造来说，传统的外延法已不再适用[1]。目前，采用直接将器件放置在硅单晶上，由此带来了工艺流程的改变。为了提高成品率，降低制造成本，从硅单晶材料的选择到加工工艺的每一个步骤都是有着系统且严格的要求[2]。采用计算机仿真设计的方法可以极大地提高生产的可靠性，包括结构工艺仿真、电气特性仿真及版图设计[3]。

2 器件元胞及终端结构工艺仿真

通过计算机软件进行IGBT器件的工艺模拟，即通过适当的调节扩散等工艺的温度、时间以及气氛，仿真出最佳的硼磷结深等器件参数，最终获得理想的器件结构。本文所设计的IGBT器件是一个基于透明阳极技术的NPT型IGBT，选用中子嬗变技术掺杂（NTD）具有[100]晶向的N型硅单晶做衬底，元胞结构为条形，采用环场板混合终端结构[4]。工艺模拟的二维结构如图1所示。

3 器件电气特性仿真

对工艺模拟生成的器件结构进行电气特性的仿真，得出器件关键参数的仿真曲线[5]。

①阈值电压的仿真。仿真结果表明，影响阈值电压的因素首先是P-阱区的掺杂浓度及其杂质分布的情况，其次是栅氧化层的厚度。同时，发现器件的沟道越长，杂质分布越平坦，阈值电压越容易控制。因此，实际工艺中，应当优化P-阱区的掺杂以及退火工艺，因为其与杂质的再分布密切相关，以期使P-阱区杂质分布的波动降到最低，从而获得较为稳定的阈值电压，最终得以提高器件参数的均匀性和一致性[6]。阈值电压的特性曲线如图2所示。

②通态特性。仿真结果表明，芯片的厚度、衬底的掺杂浓度、Pbody的掺杂浓度、栅氧的厚度等均是影响通态特性的因素。通态特性曲线如图3所示。

③开关参数。仿真结果表明，影响开关参数的因素有P+阳极的掺杂浓度、栅氧化层的厚度、多晶硅的厚度及掺杂浓度，若存在N+缓冲层，那么与缓冲层的掺杂浓度和厚度有关[7]。此外，开关参数与芯片的整体布局有很大关系，尤其是与多晶硅栅的布局结构有很大关系，开关特性曲线如图4所示。

④版图设计。基于工艺仿真结果，确定器件的横向尺寸，绘制出芯片版图，如图5所示。

4 结论

通过对IGBT进行工艺模拟以及电气特性仿真，充分结合流片试验的情况，研究的结果表明，计算机仿真结果与试验数据高度一致，为器件的生产制造提供了强有力的支撑[8]。

【参考文献】

【1】何野，魏同立.半导体器件的计算机模拟方法[M].北京：科学出版社，1989.

【2】杨晶琦.电力电子器件原理与设计[M].北京：国防工业出版社，1999.

【3】Udrea F，Chan S S M，Thomson J，et al.1.2 kV trench insulated gate bipolar transistors （IGBT＼"s） with ultralow on-resistance[J].IEEE Electron Device Letters，1999，20（8）：428-430.

【4】陈星弼.MOS型功率器件[J].电子学报，1990（5）：97-105.

【5】施敏著.半导体器件物理与工艺[M].苏州：苏州大学出版社，2002.

【6】吴郁，陆秀洪，亢宝位，等.低功耗IGBT（LPL-IGBT）及其仿真[J].半导体学报，2001，22（12）：1565-1571.

【7】刘光廷.高压功率MOS器件终端结构计算机模拟的物理模型[J].电子器件，1995（2）：65-75.

【8】李舂如.三重扩散型IGBT的研究和计算机模拟分析[D].杭州：浙江大学，1994.