三明治结构终端的IGBT设计

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IGBT是我国在高铁、汽车动力系统、家电等领域实现自主可控的核心功率半导体器件,通过近10年来的不懈努力,进行工艺技术和设计技术的不断公关,我国的IGBT有了长足的进步。但和国际IGBT先进厂家对比,我国IGBT的设计制造能力仍有较大差距,包括IGBT结构(元胞、终端)薄片加工技术等。在IGBT的终端技术方面,目前国内以场板加场限环的终端结构为主,占用面积较大,因而亟待进行面积利用率更高的新型IGBT终端研究。本文以此为契机,基于国内现有工艺平台设计一款电压等级为650 V的具有三明治结构终端的IGBT。  本文首先阐述终端耐压原理,简要分析介绍几种基本的终端结构。其次,结合RESURF技术和前人设计经验,提出三明治结构终端,利用数值仿真软件MEDICI分析研究终端结构参数,包括埋层长度、深度、宽度、掺杂浓度、界面电荷等对终端电学特性的影响。基于国内IGBT工艺制造平台,综合考虑器件结构、终端与元胞工艺兼容性问题,设计一套耐压等级为650 V的三明治结构终端IGBT的工艺流程,利用工艺仿真软件TSUPREM4验证工艺的可行性,探究工艺参数对IGBT元胞和三明治终端结构的影响。然后,利用 MEDICI 对工艺仿真生成的二维器件进行电学参数仿真,分析验证元胞的电学参数与 P 型体区参数、外延参数、槽栅参数、背面参数的关系,优化工艺参数,分析电学参数与终端工艺注入剂量的关系,探究终端注入剂量的工艺容差,同时优化三明治结构终端的界面电荷对耐压造成的影响。最后使用L-edit软件实现版图绘制。  优化后的IGBT元胞的击穿电压BV为732 V,阈值VTH为4.4 V,导通压降VCE为1.54 V。三明治结构终端的最优耐压为789 V,比常规场限环终端耐压高13 V,其长度为 160 μm ,比常规场限环终端缩短了 100 μm;当界面电荷面密度为5×1011cm-2时,三明治结构终端的耐压为初始耐压的96.7%,而常规场限环终端的耐压只有初始的89.9%。因此,三明治结构终端对氧化层中的界面电荷较常规场限环终端具有更高的耐受性。
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