高壓IGBT的設(shè)計與實現(xiàn)及功率器件可靠性研究.pdf

1、IGBT作為最新一代的復(fù)合全控型功率器件，具有電壓控制、輸入阻抗大、驅(qū)動功率小、控制電路簡單、開關(guān)損耗小、工作頻率高等諸多優(yōu)點，而高壓IGBT在電機控制、新能源、軌道交通、智能電網(wǎng)、電動汽車等領(lǐng)域起著不可替代的作用。由于國內(nèi)工藝技術(shù)水平相對落后，高壓IGBT的設(shè)計與生產(chǎn)長期落后于國外。本課題旨在結(jié)合現(xiàn)有國內(nèi)工藝，研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高壓IGBT芯片，為高壓IGBT在國內(nèi)的研發(fā)和實現(xiàn)積累一定的經(jīng)驗。
　　功率器件可靠性問題已經(jīng)成為

2、影響功率模塊整體性能的關(guān)鍵問題之一。本論文通過對功率器件SG-NLDMOS在熱流子退化及關(guān)態(tài)雪崩擊穿下的退化進行仿真與實驗研究，揭示其退化機制，并提出改進措施。此項研究可為功率器件的可靠性設(shè)計及評估體系提供一定的參考價值。
　　本論文的主要工作及創(chuàng)新點包括:
　　1、提出高壓IGBT的設(shè)計方法，設(shè)計并實現(xiàn)了一款1700V/100A高壓大電流NPT-IGBT，包括其元胞結(jié)構(gòu)、終端結(jié)構(gòu)、工藝流程及版圖的設(shè)計。通過分析及仿真確定元

3、胞的結(jié)構(gòu)參數(shù);采用場限環(huán)與場板相結(jié)合的終端結(jié)構(gòu)，討論場板的設(shè)置對終端結(jié)構(gòu)的影響，提出多晶硅場板設(shè)置的方案;對IGBT背面的集電極工藝進行探索及優(yōu)化;簡化工藝流程，應(yīng)用六塊光刻版完成整個工藝流程;設(shè)計了柵電極置中的版圖結(jié)構(gòu)。
　　2、提出了雙面N+擴散殘留層的新結(jié)構(gòu)來改善平面柵型IGBT的JFET電阻，在改善器件導(dǎo)通壓降的同時，擊穿電壓沒有發(fā)生顯著的下降;把N+擴散殘留層應(yīng)用到溝槽柵型IGBT當中，提出了DR-IGBT的結(jié)構(gòu)，并與傳

4、統(tǒng)的NPT-IGBT和LPTCSTBT進行比較。與傳統(tǒng)的NPT-IGBT相比，在相同的擊穿電壓下，其導(dǎo)通壓降與電流能力更優(yōu);與LPTCSTBT相比，擊穿電壓更高，而導(dǎo)通壓降則在大電流密度下比LPTCSTBT更低;引入背面P-緩沖層，提出了NPN管輔助快速開關(guān)的IGBT(NFS-IGBT)新結(jié)構(gòu)，具有更好的導(dǎo)通壓降與關(guān)斷時間的折衷。
　　3、采用中子嬗變摻雜的區(qū)熔單晶硅作為襯底，制作了多目標光刻版，流片完成后進行半橋模塊的封裝，并對

5、IGBT器件進行了測試。擊穿電壓達到1700V以上，125℃下工作電流100A;閾值電壓5.2V左右、柵發(fā)射極漏電流小于80nA、關(guān)斷時間0.744μs、關(guān)斷功耗25mJ，都達到設(shè)計要求，只是導(dǎo)通壓降略高(3.7V)。
　　4、采用直流電壓應(yīng)力實驗、TCAD仿真、電荷泵測試，對SG-NLDMOS器件的熱載流子效應(yīng)進行研究，揭示熱載流子效應(yīng)與柵壓相關(guān)，在中等柵壓下，熱載流子退化發(fā)生在積累區(qū)，界面態(tài)和氧化層陷阱電荷同時發(fā)生作用;在高柵