基于电荷补偿的槽栅IGBT设计和工艺研究

大功率半导体器件是现代工业和国防进行能量转换及控制的核心器件,也是制约我国电力电子技术水平和竞争力提升的关键器件.本文以降低器件导通电阻和功耗、提高击穿电压为目标研究电荷补偿槽栅IGBT,着重器件结构创新和关键工艺优化.电荷补偿槽栅IGBT导通电阻与器件间隔排列的p、n区半导体层厚及击穿电压成正比,相比传统IGBT导通电阻正比于击穿电压2.5次方理论,同等击穿电压下,允许n区有更高的掺杂浓度,这降低了器件的导通电阻和功耗.采用倾斜角离子注入制作电荷补偿结构,调节注入倾斜角和优化注入剂量是精确控制n区掺杂浓度的有效方法,也是保证器件电参数指标的关键制作工艺.用难熔金属硅化物设计双掩膜版的全自对准制作工艺,系统研究电荷补偿槽栅IGBT工艺制作原理,探索保证器件电参数指标的制作工艺控制机制,提出电荷补偿槽栅IGBT结构和版图设计优化方法和制作工艺参数优化方法.

一种具有多晶硅二极管栅极结构的槽栅IGBT设计

为改善传统槽栅IGBT结构开启损耗和电磁干扰噪声两种电学参数间的矛盾关系,在N型Poly栅极和槽栅底部之间引入P型Poly栅极,提出了一种具有多晶硅二极管栅极结构的槽栅IGBT结构(PDG-TIGBT),并实现了工艺制程的设计。多晶硅栅结构中的低掺杂P型Poly栅极与漂移区相互耗尽形成栅内耗尽电容,在较高的集电极电压下可将器件密勒电容C_(GC)降低70.7%,并将槽栅底部电位V_(acc)抬升146%。密勒电容的减小和槽栅底部电位的提升可有效优化IGBT开启特性与噪声特性的折中关系,仿真结果表明:相较于传统槽栅结构,PDG-TIGBT有效地抑制了电磁干扰噪声对器件电学性能的影响。在开启瞬态,PDG-TIGBT的槽栅底部电位增长速度dV_(acc)/dt减小23.5%,集电极电流变化率最大值dI_(CE)/dt_((max))减小45.8%。在开启损耗E_(ON)保持一致的前提下,PDG-TIGBT的dI_(CE)/dt_((max))减小了84.2%,dV_(KA)/dt_((max))下降了44.4%。