隔離型和隧道型RC-IGBT新結(jié)構(gòu)與耐壓設(shè)計.pdf

1、在現(xiàn)代的電力電子系統(tǒng)中IGBT（Insulate-gated Bipolar Transistor）常常需要與反向并聯(lián)的快恢復(fù)二極管（Fast Recovery Diode，簡稱為FRD）配合使用。因此將FRD與IGBT單片地集成在同一硅片上的逆導(dǎo)型IGBT（Reverse Conducting IGBT，簡稱為RC-IGBT）近年來得到了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。由于單片集成的IGBT和FRD共用同一個結(jié)終端，因此RC-IGBT不僅提高了硅片

2、利用率，粘片與引線濺合等封裝工藝都得到縮減，所需的封裝成本下降，而且單片集成避免了互連引線等的寄生效應(yīng)，從而可以提高器件的可靠性。然而通常的RC-IGBT還有一些問題有待解決，其中包括易于產(chǎn)生集電極短路導(dǎo)致的 snapback現(xiàn)象和背面圖形加工帶來的成本的增加和成品率的下降。作為功率器件的RC-IGBT另一重要的特性是承受高的耐壓。單光刻版多區(qū)結(jié)終端擴(kuò)展技術(shù)（Single-Mask Multi-zone Junction Termina

3、tion Extension，簡稱為SM-MZJTE）以其硅片的高利用率和低成本在3300 V及以上的高壓IGBT中得到應(yīng)用。然而SM-MZJTE對摻雜劑量、雜質(zhì)分布的形狀以及氧化層電荷等非常敏感，且通常對SM-MZJTE的版圖設(shè)計都是通過經(jīng)驗或仿真摸索得到的，這不利于縮小設(shè)計的周期。
　　本文研究了snapback現(xiàn)象在RC-IGBT從單極工作模式向雙極工作模式轉(zhuǎn)換過程中的產(chǎn)生機(jī)理，深入探討了隧道結(jié)在不同電壓偏置下從隧穿到擴(kuò)散的

4、導(dǎo)電機(jī)理及其獨特的雙向?qū)щ娞匦裕治隽薙M-MZJTE雜質(zhì)分布的特點。提出了旨在通過調(diào)節(jié)不同電流密度下集電極短路電阻的大小來抑制 snapback和提高關(guān)斷速度的隔離型 RC-IGBT（涵蓋三種新結(jié)構(gòu)）與為避免背面光刻和提高反向恢復(fù)特性的隧道型RC-IGBT，建立并實驗驗證了可以估算所需的摻雜分布或注入劑量的多環(huán)模型。其創(chuàng)新點如下：
　?。?）為抑制snapback效應(yīng)和提高關(guān)斷速度，提出了隔離型RC-IGBT新結(jié)構(gòu)。首先提出了采

5、用介質(zhì)隔離的氧化槽集電極RC-IGBT（Oxide Trench Collector RC-IGBT，簡稱為TRC-IGBT）。該結(jié)構(gòu)在P型集電極和N型集電極（即集成FRD的陰極）之間插入氧化槽以增大集電極短路電阻，從而抑制了開啟過程中snapback現(xiàn)象的產(chǎn)生。TRC-IGBT雖然消除了 snapback現(xiàn)象，但其關(guān)斷特性與傳統(tǒng)的RC-IGBT相比不具有優(yōu)勢。為減小關(guān)斷損耗和關(guān)斷時間，進(jìn)一步提出了在N型集電極與漂移區(qū)之間引入了P型浮空

6、層的TPRC-IGBT（Trench P-float RC-IGBT）。在snapback現(xiàn)象得到抑制的情況下，該浮空P型層的存在使得TPRC-IGBT具有更小關(guān)斷損耗。然而該結(jié)構(gòu)中的氧化槽增加了器件的加工難度。為此再進(jìn)一步提出了采用浮空P型層隔離集電極的FPRC-IGBT（Floating P-region RC-IGBT）。該結(jié)構(gòu)不但降低了器件的工藝難度，而且由于在IGBT關(guān)斷時提供了新的電子抽取通道使其具有更小的關(guān)斷損耗。

7、　?。?）提出了旨在避免背面光刻和提高反向恢復(fù)特性的隧道型 RC-IGBT新結(jié)構(gòu)。將具有雙向?qū)щ娞匦缘乃淼澜Y(jié)引入 RC-IGBT，從而提出隧道型 RC-IGBT（Tunnel Injection RC-IGBT，簡稱為TIGT）。正向?qū)〞r集電結(jié)通過擴(kuò)散的方式向漂移區(qū)注入空穴，反向?qū)〞r集電結(jié)（隧道結(jié)）通過帶間隧穿（ Band-to-band Tunneling）向漂移區(qū)注入電子。因此器件無需在背面引入N型區(qū)域（N-collector）

8、作為集成FRD的陰極，從而制作時無需背面圖形加工工藝過程。
　?。?）建立并實驗驗證了可以估算SM-MZJTE所需的摻雜分布或注入劑量的多環(huán)模型。該模型將等勢線近似為理想圓弧，依據(jù)電荷平衡關(guān)系推導(dǎo)出雜質(zhì)分布或注入窗口密度的解析表達(dá)式。依據(jù)該表達(dá)式并結(jié)合相關(guān)的物理參數(shù)我們可以方便地設(shè)計版圖。由于SM-MZJTE對摻雜劑量及氧化層電荷等非常敏感，模型中還考慮了結(jié)終端離子注入后場氧氧化及其隨后高溫推進(jìn)過程中吸硼排磷效應(yīng)和氧化層電荷的影響