基于SOI基的LIGBT的新結(jié)構(gòu)及特性

1、IGBTIGBT新結(jié)構(gòu)及特性新結(jié)構(gòu)及特性21403200932140320093許峰許峰SOI LIGBTSOI LIGBT1 1、N+N+陰極區(qū)、多晶陰極區(qū)、多晶硅硅柵和柵和N N- -漂移區(qū)構(gòu)成了漂移區(qū)構(gòu)成了 N N型型MOSMOS2 2、P+P+陽(yáng)極區(qū)、陽(yáng)極區(qū)、N N漂漂移區(qū)和移區(qū)和P P WellWell構(gòu)成了水平構(gòu)成了水平PNPPNP雙極型雙極型晶體管晶體管, ,3 3、N+N+陰極區(qū)、陰極區(qū)、P WellP Well和和N N- -漂漂移區(qū)構(gòu)成了垂直移區(qū)構(gòu)成了垂直NPNNPN雙極雙極型晶體管型晶體管, ,同時(shí)這種結(jié)構(gòu)中同時(shí)這種結(jié)構(gòu)中4 4、寄生有寄生有N N+ +陰極區(qū)、陰極區(qū)、P

2、 P wellwell、N-N-漂移區(qū)和漂移區(qū)和P+P+陽(yáng)極區(qū)陽(yáng)極區(qū)構(gòu)成的構(gòu)成的PNPNPNPN型晶鬧管結(jié)構(gòu)。型晶鬧管結(jié)構(gòu)。 柵極上足夠大的正偏壓柵極上足夠大的正偏壓+ +陽(yáng)極施加一定的正偏壓陽(yáng)極施加一定的正偏壓來自來自N+N+陰極區(qū)的電子流經(jīng)過陰極區(qū)的電子流經(jīng)過N N型溝道型溝道區(qū)進(jìn)入?yún)^(qū)進(jìn)入N N漂移區(qū)漂移區(qū)到達(dá)到達(dá)JlJl結(jié)的邊界后累積結(jié)的邊界后累積降低了降低了JlJl結(jié)結(jié)N N基區(qū)一側(cè)的電勢(shì)基區(qū)一側(cè)的電勢(shì)當(dāng)當(dāng)JlJl結(jié)兩端的結(jié)兩端的電壓大于電壓大于P PN N結(jié)的開啟電壓結(jié)的開啟電壓P+P+陽(yáng)極區(qū)向陽(yáng)極區(qū)向N N漂移區(qū)注入空穴漂移區(qū)注入空穴此時(shí)橫向此時(shí)橫向PNPPNP晶體管處于導(dǎo)通晶體管

3、處于導(dǎo)通狀態(tài)狀態(tài)S0S0I I LIGBT LIGBT開始導(dǎo)通。開始導(dǎo)通。 注入到注入到N N基區(qū)的空穴在電場(chǎng)的作用下向陰極區(qū)漂移擴(kuò)散，其中一部分在基區(qū)的空穴在電場(chǎng)的作用下向陰極區(qū)漂移擴(kuò)散，其中一部分在N N基區(qū)與來自基區(qū)與來自MOSMOS溝道區(qū)的電子復(fù)合，另一部分通過溝道區(qū)的電子復(fù)合，另一部分通過J2J2結(jié)流入結(jié)流入P WellP Well，最后通過，最后通過P WellP Well歐姆接觸區(qū)從歐姆接觸區(qū)從陰極電極流出。陰極電極流出。 由于由于J1J1結(jié)正偏，注入到結(jié)正偏，注入到N N漂移區(qū)的空穴濃度遠(yuǎn)超過漂移的摻雜濃度漂移區(qū)的空穴濃度遠(yuǎn)超過漂移的摻雜濃度, ,根據(jù)電中性原理根據(jù)電中性原理,

4、 ,注注入的大量空穴將吸引入的大量空穴將吸引N N_ _漂移區(qū)中等量的電子漂移區(qū)中等量的電子, ,即即N1N1漂漂移區(qū)發(fā)生了電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)移區(qū)發(fā)生了電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng), ,使得電流使得電流密度提高密度提高n-n-漂移區(qū)的導(dǎo)通電阻大大降低漂移區(qū)的導(dǎo)通電阻大大降低, ,從而降低了具有髙耐壓性能的從而降低了具有髙耐壓性能的SOILIGBTSOILIGBT器件的器件的通態(tài)壓降通態(tài)壓降, ,降低了器件的通態(tài)功耗降低了器件的通態(tài)功耗, ,從根本上解決了從根本上解決了 LDMOS LDMOS器件耐壓與導(dǎo)通電阻之間的矛器件耐壓與導(dǎo)通電阻之間的矛盾。盾。SOI-LIGBT導(dǎo)通模式導(dǎo)通模式功耗理論功耗理論 功率半導(dǎo)體器件

5、大多數(shù)工作于開關(guān)狀態(tài)，在開、關(guān)過程和導(dǎo)通、關(guān)斷狀態(tài)都有功耗產(chǎn)生。IGBT 器件的功率損耗包括靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗。l 靜態(tài)功耗指的是IGBT 處于靜態(tài)下發(fā)生的功耗，包括通態(tài)功耗和關(guān)態(tài)功通態(tài)功耗和關(guān)態(tài)功耗耗，l 動(dòng)態(tài)功耗由開通功耗和關(guān)斷功耗開通功耗和關(guān)斷功耗組成。 IGBT 為電壓型驅(qū)動(dòng)器件，在關(guān)斷狀態(tài)時(shí)電流幾乎為零，故關(guān)態(tài)功耗為零。所以IGBT的總功耗P是由通態(tài)功耗Pf 和開關(guān)（開和關(guān)瞬時(shí)）功耗Ps 組成的。 功率半導(dǎo)體器件大多數(shù)工作于開關(guān)形式，在開、關(guān)過程和導(dǎo)通工作過程都有功率損耗。IGBT器件的總功耗P，是由開和關(guān)瞬時(shí)功耗只和通態(tài)功耗組成的。 開通與關(guān)斷功耗不相同關(guān)斷時(shí)問比開通時(shí)間長(zhǎng)，關(guān)斷損

6、耗明顯大于開通損耗權(quán)衡電導(dǎo)損耗以及開關(guān)損耗權(quán)衡電導(dǎo)損耗以及開關(guān)損耗的的方法方法: :1、制作在SOI襯底上或者PSOI（局部SOI）2、多通道（或多發(fā)射極）LIGBT。3、超結(jié)LIGBT； 4、TB結(jié)構(gòu)SOISOI 采用埋氧層將頂層硅與下面的硅襯底隔離開,器件制作在頂層硅上,這樣使得器件與器件之間不能通過襯底進(jìn)行耦合,極大的改善了器件性能,是21世紀(jì)新一代的硅基材料。u 速度高、功耗低：良好的介質(zhì)隔離使器件的漏電流顯著減小漏電流顯著減小,從而進(jìn)一步減小了器件的靜態(tài)功耗。由于器件的動(dòng)態(tài)功耗由輸出電容,工作電壓和頻率共同決定,而SOIOI器件寄生電容器件寄生電容主要來自隱埋二氧化桂層電容主要來自隱

7、埋二氧化桂層電容, ,遠(yuǎn)小于體遠(yuǎn)小于體硅硅器件中的電容器件中的電容,因此可以有效地減小動(dòng)態(tài)功耗,提高器件的工作速度。u 集成密度高:SOI集成電路采用全介質(zhì)隔離u 抗閂鎖能力強(qiáng):由采用SOI結(jié)構(gòu)的電路中不存在寄生晶閘管結(jié)構(gòu),具有很強(qiáng)的抗閂鎖能力。u 抗福照特性好:相比同樣性能的體娃器件,SOI器件抗福照能力較強(qiáng)由于其所占的桂島面積較小,在同樣的福射劑量下,可有效地減小所產(chǎn)生的少數(shù)載流子濃度。u 基于基于SOISOI材料的材料的LIGBT (Lateral Insulator Gate BipolarTransistor)LIGBT (Lateral Insulator Gate Bipolar

8、Transistor)具有絕緣性能好、具有絕緣性能好、寄生電容小、較低的泄漏電流及集成度高等優(yōu)點(diǎn)并且其制作工藝與寄生電容小、較低的泄漏電流及集成度高等優(yōu)點(diǎn)并且其制作工藝與SOI-CMOSSOI-CMOS工藝相兼容工藝相兼容雙發(fā)射極的超結(jié)雙發(fā)射極的超結(jié)IGBTIGBT（DESJ-IGBTDESJ-IGBT）第一個(gè)發(fā)射極由P+和n+區(qū)，第2個(gè)發(fā)射極只有P+區(qū)；兩發(fā)射極由溝隔離隔開;雙發(fā)射極特性改善分析雙發(fā)射極特性改善分析 關(guān)斷狀態(tài)時(shí)：N柱和P柱耗盡，它們有相同的屏蔽能力因?yàn)樗鼈冇邢嗤崎L(zhǎng)度Ld；導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，Ihp和Ihn分別為p柱區(qū)和n柱區(qū)的空穴電流，因此得到總電流為： （M是p-n柱區(qū)的寬度比

9、，由此我們可以看到在p-body區(qū)的n+下方總電流包含全部的Ihn和以及Ihp的一部分。） 若該地區(qū)壓降大于0.7V,J將會(huì)產(chǎn)生閂鎖效應(yīng)。 （N表示N+區(qū)域下方電流Ihp的部分比例系數(shù)。Rbase-con是基區(qū)中N+區(qū)域下的等效電阻） 得到閂鎖電流為： （Ie-con是超結(jié)IGBT的電子電流） 在雙發(fā)射極IGBT（DESJ-IGBT）中，只有Ihn對(duì)閂鎖效應(yīng)有影響，因此得到 在DESJ-IGBT中Ie-DESJ是DESJ-IGBT的電子電流，數(shù)值上等于Ie-con因?yàn)閮烧呔哂邢嗤拈撝惦妷阂约捌茀^(qū)域，Rbase-DESJ與Rbase-con相等因?yàn)閜-body區(qū)域的摻雜以及N+區(qū)域的寬度相等

10、。由此我們可以得到Ilatch-DESJIlatch-con即抗閂鎖能力得到了提高SJSJ 超結(jié)技術(shù)的發(fā)明打破了所謂的“硅限” ( Si lico nlimi t ) ,根本性地解決了傳統(tǒng)功率器件提高擊穿電壓和降低導(dǎo)通電阻的矛盾。N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體相互交替所構(gòu)成的耐壓區(qū),使得耐壓區(qū)中的電場(chǎng)分布趨于均勻分布, 即使耐壓區(qū)有很高的摻雜濃度。 超結(jié)IGBT與普通的穿通型IGBT相比,除了漂移區(qū)的結(jié)構(gòu)和摻雜濃度不同外,其他地方都是完全相同的超結(jié)技術(shù)對(duì)于器件耐壓能力改進(jìn)主要依賴于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)耐壓區(qū)內(nèi)N 柱和P柱電荷相互補(bǔ)償,使得耐壓區(qū)幾乎可等效為摻雜濃度極低的本征半導(dǎo)體。所以, N柱和P柱之間的劑量關(guān)

11、系會(huì)影響器件耐壓,并且N柱和P柱之間的劑量大小對(duì)器件的導(dǎo)通特性與普通穿通型IGBT漂移區(qū)電場(chǎng)的梯形分布不同,超結(jié)IGBT漂移區(qū)內(nèi)的電場(chǎng)是均勻分布的 1、隨著襯底濃度的增加有輕微的減小,這與超結(jié)結(jié)構(gòu)內(nèi)部獨(dú)特的電場(chǎng)分布有關(guān)；2、電荷非平衡效應(yīng)對(duì)超結(jié)IGBT耐壓能力的影響超結(jié)IGBT的N 柱和P柱摻雜濃度越高,器件擊穿電壓對(duì)兩者的濃度誤差越敏感。這和超結(jié)IGBT利用電荷補(bǔ)償提高器件耐壓的原理有關(guān)，超結(jié)IGBT的N柱和P柱摻雜濃度越高,二者之間的濃度誤差就應(yīng)該越小,這樣才能保證器件有較高的擊穿電壓。TB-LIGBTTB-LIGBT在設(shè)計(jì)的器件中有一個(gè)絕緣溝屏障在靠近陰極的漂移區(qū)，電子在P-body下方

12、注入N漂移區(qū)由MOS溝道注入分布在n漂移區(qū)，,空穴流到p+的密度靠近陰極空穴聚集增加的。因?yàn)閺膍os注入的電子，電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)通態(tài)電阻減小。這樣就可以減少電阻從而降低電導(dǎo)損耗當(dāng)開關(guān)損耗增加。對(duì)于SJ LIGBT，大多數(shù)空穴流到p-pillar（柱）當(dāng)n/p基區(qū)摻雜足夠高的時(shí)候。對(duì)于TB隔離了整個(gè)P-pillar和p-body區(qū)域。提高了空穴的阻擋以及載流子的存儲(chǔ)從而以減小電導(dǎo)損耗通態(tài)損耗（通態(tài)損耗（1 1）圖1反映的是有TB和沒有TB（空穴密度）對(duì)比，從陽(yáng)極到陰極空穴密度逐漸減少（由于空穴載流子復(fù)合）以及p-body和n-drift之間的耗盡區(qū)，并且有帶TB結(jié)構(gòu)的LIGBT的空穴濃度明顯比一般的

13、高和均勻。因此，tb可以在陰極區(qū)附近的N漂移區(qū)提高空穴的濃度對(duì)于超結(jié)LIGBT，沒有TB結(jié)構(gòu)的LIGBT，p-pilar里的空穴分布均勻是因?yàn)閜-pillar區(qū)的濃度很高從而復(fù)合幾率很低，p-body和p-pillar之間也沒有耗盡區(qū)。有tb結(jié)構(gòu)的SJ LIGBT在漂移區(qū)平均濃度更高相對(duì)于沒有tb結(jié)構(gòu)的SJ LIGBT通態(tài)損耗（通態(tài)損耗（2 2）v對(duì)于對(duì)于LIGBT: Vce（sat）由由1.36v減減到到1.2v減小了減小了11.76%。v對(duì)于對(duì)于SJ LIGBT: Vce（sat）由由1.28v減到減到1.02v減小減小20.31%，對(duì)于超結(jié)對(duì)于超結(jié)LIGBT,空穴空穴Z主要注入主要注入p

14、-pillar,p-pillar是與是與p-body隔離隔離開來的，因此空穴的儲(chǔ)開來的，因此空穴的儲(chǔ)存更好。存更好。開關(guān)損耗開關(guān)損耗 靠近陰極的載流子耗盡很快，因此對(duì)開關(guān)損耗的影響很小。對(duì)于LIGBT，載流子主要累積在陰極附近的漂移區(qū)，如圖2所示，雖然空穴的在p-pillar區(qū)顯著變大而LIGBT損耗是由p-body和n-drift造成的。SJ LIGBT的損耗主要是由n/p-pillar造成的?？拷?yáng)極的載流子同陰極的一樣容易被swept away （一掃而光）引起少量的開關(guān)損耗。對(duì)于LIGBT 漂移區(qū)的摻雜濃度為,TB擴(kuò)大了Eoff從0.416mj到0.445mj，對(duì)于超結(jié)ILGBTN/P

15、柱摻雜濃度比為,從0.344mj增大到0.359mj。開通損耗以及開關(guān)損耗提升擊穿電壓（擊穿電壓（BVBV）TB在電場(chǎng)分布上有兩個(gè)影響：1、輕微的減小漂移區(qū)的電場(chǎng)強(qiáng)度；2、電勢(shì)能在TB處降低。這兩中影響同時(shí)存在致使擊穿電壓特性幾乎沒有受到任何影響。 SJ-LIGBT有更高的漂移區(qū)濃度在同一擊穿電壓下3、當(dāng)外延層的厚度是3um的時(shí)候，Vce(sat)在2.4um厚度的tb下達(dá)到最小值6，LIGBT擁有更低的通態(tài)損耗在陰極有TB結(jié)構(gòu)時(shí)TBTB結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的ILGBTILGBT的總結(jié)的總結(jié) 由于TB-ILGBT中，可以與溝道柵氧化層的側(cè)壁以及絕緣溝可以在同一步同時(shí)生成。 TB LIGBT可以與傳統(tǒng)的CMOS工藝兼容,再加上這種結(jié)構(gòu)能改善導(dǎo)通損耗以及開關(guān)損耗性能且具有不犧牲BV 的特點(diǎn)。由仿真結(jié)果我們同樣可以看到，TB結(jié)構(gòu)不僅可以應(yīng)用到傳統(tǒng)的LIGBT也適用于SJ LGBT，鑒于以上原因TB結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的適用性以及應(yīng)用前景其它結(jié)構(gòu)其它結(jié)構(gòu)(1)-(1)-陽(yáng)極輔助柵結(jié)構(gòu)的陽(yáng)極輔助柵結(jié)構(gòu)的SJLIGBT SJLIGBT