不同柵型結(jié)構(gòu)igb的短路耐量特性研究

不同柵型結(jié)構(gòu)igb的短路耐量特性研究

igbt的特性絕緣體襯底（igdt）是一種適用于各種能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的雙極性功率矩陣。由于它具有雙極性功率矩陣和功率mosfi，因此它被廣泛應(yīng)用于各種能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，如電焊接機、開關(guān)、旁路控制技術(shù)、us間歇性電源、交流電機、頻帶等。IGBT從元胞結(jié)構(gòu)上分為平面(planar)型和溝槽(trench)型兩種。相比平面型IGBT,溝槽柵IGBT消除了JFET效應(yīng),具有更低的集電極-發(fā)射極飽和壓降VCE(SAT),同時縱向的溝道結(jié)構(gòu)使得元胞面積大幅減小。另一方面,自1999年場截止(Field-stop)IGBT概念提出以來,人們通過在器件背面引入輕摻雜場截止層減少通態(tài)過程中殘留的超量載流子以實現(xiàn)迅速關(guān)斷,極大地減小了器件的開關(guān)損耗,提升了IGBT的性能。隨著IGBT功率控制能力的加強,人們不斷地追求器件的低導(dǎo)通壓降及低開關(guān)損耗,但同時也帶來了不利影響:由于飽和集電極-發(fā)射極電流密度JC(SAT)的大幅增大,器件的抗短路能力減弱,尤其是IGBT作為電力電子電路的核心元件,器件的短路耐量是評價功率半導(dǎo)體器件可靠性的重要參數(shù)。在實際應(yīng)用中IGBT不僅要工作在正常狀態(tài),有時也會工作在一些極端情況下:當(dāng)發(fā)生短路時,IGBT的集電極電流會急劇增大,集電極-發(fā)射極電壓也會急劇增大,這會帶給IGBT毀滅性損壞,因此研究IG-BT短路耐量特性,保證IGBT器件具有良好的抗短路能力就顯得相當(dāng)重要。為此,對具有平面柵極與溝槽柵極的IGBT的短路耐量特性進(jìn)行了探究,并制造了既有低集電極-發(fā)射極飽和壓降VCE(SAT)低開關(guān)損耗又具有較強耐短路能力的溝槽-場截止型IGBT。1抗電流鎖性能圖1展示了平面柵-場截止型IGBT的結(jié)構(gòu)圖,采用薄片工藝制作的芯片面積為32mm2,額定耐壓為1200V,額定工作電流20A對應(yīng)62.5A/cm2的電流密度,優(yōu)化選擇深的重?fù)诫sP+區(qū)來抑制電流閂鎖。圖2展示了溝槽柵-場截止型IGBT的結(jié)構(gòu)圖,芯片面積為20mm2,額定耐壓為1200V,額定工作電流20A對應(yīng)100A/cm2的電流密度,精心設(shè)計的縱向MOS溝道保證了低通態(tài)壓降的同時又有良好的抗短路能力。兩種IGBT器件均采用場截止型結(jié)構(gòu),N型場截止層的引入將PNP晶體管的基區(qū)與發(fā)射極分隔開如圖1與圖2,同時引入電子輻照工藝控制載流子壽命。2物理模型的確定利用SilvacoTCAD仿真軟件在器件結(jié)構(gòu)和工藝等方面進(jìn)行仿真設(shè)計,并結(jié)合外圍測試電路模擬以獲得器件的短路耐量結(jié)果,精準(zhǔn)地描述了器件結(jié)構(gòu)與工藝對器件性能的影響,便于結(jié)構(gòu)創(chuàng)新,節(jié)省了時間,節(jié)約了投料成本。仿真過程中指定ATLAS所用的物理模型有與雜質(zhì)濃度相關(guān)的載流子遷移率模型(conmob)、受橫向電場影響的載流子遷移率模型(fldmob)、肖克萊復(fù)合模型(srh)、俄歇深能級注入引起的復(fù)合模型(auger)及分析表達(dá)式計算隨著濃度和溫度變化的遷移率模型(analytic)。通過材料語句的定義覆蓋上面模型中的默認(rèn)值,定義了載流子的復(fù)合壽命。2.1短路耐量驗證模型檢驗IGBT在負(fù)載短路條件下可靠運行有兩種情況:一種是負(fù)載短路時開通IGBT;第二種是IGBT處于通態(tài)(VCE=VCE(SAT))時負(fù)載短路。對于第二種測試方式,IGBT從正常導(dǎo)通到穩(wěn)定的短路狀態(tài)過程中由于開關(guān)電路的寄生電感將導(dǎo)致電流尖峰并由此引起的過壓對器件的短路沖擊壓力更大,因此文中采用了更嚴(yán)格的開通中短路的模式來進(jìn)行短路耐量的仿真電路模型,如圖3所示:其中柵極電壓Vg為一恒定值15V,即保證IGBT處于導(dǎo)通狀態(tài);L1為電路的雜散電感4μH;R2為線路的寄生電阻。R1為脈沖負(fù)載電阻,以負(fù)載電阻阻值突降為1×10-8Ω這一極小量來仿真負(fù)載短路情況,阻值隨時間變化如圖4所示。初始時R1的阻值為100Ω,延遲1μs后,電阻開始下降,經(jīng)過10ns的下降時間后阻值為1×10-8Ω,此時可視為負(fù)載短路,短路時間為15μs,脈沖周期為20μs。2.2模擬結(jié)果與分析2.2.1jeft注入劑量對igbt短路耐量的影響從圖6中看出,隨著雜散電感L1的從3pH增加至4μH,短路耐量增加了1μs。從圖4中看出,在極短的10ns內(nèi)負(fù)載電阻減小致零,IGBT瞬間承受了大電壓,并同時灌入大電流,雜散電感起了緩沖作用,減弱了瞬間大電流的沖擊,使得電流緩慢增加并推加至飽和狀態(tài),并在IGBT兩端感應(yīng)出一個較小的正dv/dt,米勒效應(yīng)的影響也較小。而在IGBT開通中短路的情況下,米勒效應(yīng)是一個重要的影響因素。電流在上升過程中由于米勒電容CCG的存在,隨著VCE的增加,流過集電極-柵極的電流iCG經(jīng)柵極電阻Rg將柵極-發(fā)射極電壓VGE推高,增加了集電極發(fā)射機間的飽和電流密度,抗短路能力下降。對應(yīng)與實際電路應(yīng)用,文中選取的柵極電阻為10Ω,柵極電阻越大,短路耐量越大。保持外圍電路參數(shù)不變:R1=100Ω、L1=4μH、R2=1×10-8Ω、Vg=15V、Rg=10Ω、Vcc=720V、平面柵極寬度為一固定值不變,JEFT注入劑量分別調(diào)整為1.5×1012cm-3與1.0×1012cm-3時,對應(yīng)短路耐量仿真結(jié)果如圖7所示,發(fā)現(xiàn)芯片的短路耐量隨著JFET注入劑量的減小而增大。Pendharkar等人通過熱成像技術(shù)及準(zhǔn)確的溫度模擬結(jié)果驗證了在JFET區(qū)最易形成高溫點,熱點的形成直接導(dǎo)致的載流子倍增是器件失效的主要原因。文中結(jié)果如圖8所示,隨著注入劑量減小,高溫退火激活后的濃度減小,JFET區(qū)電阻增加,集電極發(fā)射極間飽和電流受到限制,延緩了器件在短路過程的自發(fā)熱,相比較JFET電阻越小越易形成高溫區(qū),導(dǎo)致短路耐受時間tsc減短。保持外圍測試電路參數(shù)不變,探究不同平面柵極寬度下器件的短路耐量,如圖9所示,發(fā)現(xiàn)隨著平面柵極寬度增加IGBT短路耐量減小?？紤]平面柵極寬度對平面型IGBT導(dǎo)通中積累層電阻RACC、溝道電阻RC及JFET電阻RJ部分影響較大。據(jù)(1)式,隨著柵極長度Lg增大,P阱間距d增大,積累層電阻RACC有所增大;根據(jù)(2)式,溝道電阻RC不受柵極長度變化,而JFET電阻RJ占上述三類電阻的最大部分,隨著平面柵極寬度的增加,JFET電阻明顯減小,三者電阻總和變小,因此短路中CE間飽和電流增大,不利于器件的抗短路能力。其中,LCH為溝道長度;XOX為氧化層厚度;Z為溝道寬度;d為相鄰兩P阱間距;Cox為氧化層電容,Cox=εS/tox;unA為積累層內(nèi)的電子遷移率;unI為反型層內(nèi)的電子遷移率;K為系數(shù)。因此,提升芯片自身的抗短路能力,即優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)以獲得一個合適的飽和電流IC(SAT),根據(jù)飽和電流表達(dá)式(3),保持器件結(jié)構(gòu)與工藝條件不變,只減小平面柵極寬度,氧化層電容Cox隨之減小,有利于抑制飽和電流以降低IGBT在短路過程中的功率損耗,提升IGBT器件的短路耐量。保持器件結(jié)構(gòu)及外圍電路條件一致,只改變載流子壽命從1μs減小至0.5μs發(fā)現(xiàn)短路耐量無明顯改變,如圖10所示,原因是在短路過程中高電壓在10ns內(nèi)加上器件兩端,由此產(chǎn)生的強電場引發(fā)器件內(nèi)部(N-基區(qū))極高的碰撞電離率,而且隨著器件溫度的升高載流子復(fù)合速率降低,此時載流子壽命控制對大量的離子碰撞產(chǎn)生影響極小,最終芯片內(nèi)部自然發(fā)熱積累導(dǎo)致失效。2.2.3嵌入單元的優(yōu)化設(shè)計及結(jié)果溝槽型IGBT本身豎直的MOS溝道結(jié)構(gòu)能有效地將多數(shù)載流子注入漂移區(qū),因此相對于平面結(jié)構(gòu)的IGBT展示了優(yōu)秀的低正向?qū)▔航堤匦浴Ｈ鐖D11所示,正向?qū)▔航礦ce(on)與集電極電流的關(guān)系,在相同的額定集電極工作電流(20A)下,制作的溝槽型結(jié)構(gòu)的器件比平面型器件的正向?qū)▔航档?.6V。但是溝槽型IGBT最大的爭議在于抗短路能力弱,短路中極大飽和電流產(chǎn)生大量熱,這在實際應(yīng)用如牽引傳動系統(tǒng)或逆變裝置中是不能接受的。因此優(yōu)化器件表面結(jié)構(gòu)以獲得更低的飽和電流是器件設(shè)計的重點。一個溝槽型IGBT元胞結(jié)構(gòu)如圖12所示,元胞的寬度由N+源區(qū)寬度a、P阱半寬至N+源區(qū)間距b及溝槽柵寬度c組成。保持外圍電路參數(shù)不變:R1=100Ω、L1=4μH、R2=1×10-8Ω、Vg=15V、Rg=10Ω、Vcc=720V。定義P阱半寬至N+源區(qū)間距b=1.5μm,溝槽柵寬度c=1μm,改變N+源區(qū)寬度a從0.8μm(深色)降低到0.3μm(偏淺色),如圖13所示,發(fā)現(xiàn)CE間飽和電流降低,短路耐受時間明顯增加,這說明源區(qū)a的尺寸對載流子流通的影響是積極的:隨著源區(qū)面積減小,電子電流減弱,IGBT集電極-發(fā)射極間的飽和電流ICE(SAT)隨之減小,因此采用較小的源區(qū)面積可以獲得更好的短路耐量特性。為獲得理想的短路耐量,定義P阱半寬至N+源區(qū)間距b從1.5μm擴展至4.5μm,并保持外圍測試電路參數(shù)一致,發(fā)現(xiàn)擴展后元胞的短路耐量與平面型IGBT相接近,甚至優(yōu)于平面型IGBT,結(jié)果如圖14所示。從飽和電流大大減小(偏淺色)看出,短路過程中CE間載流子被有效抑制,原因是隨著P+阱間距的增大空穴電流路徑擴展,起了明顯的分流作用,如圖14所示。因此在相同的外壓下,飽和電流密度明顯下降,增強了短路耐量,避免了器件短時間內(nèi)積累的熱量致使器件熱擊穿。為克服溝槽結(jié)構(gòu)帶來短路耐量降低這一弱點,人們提出了嵌入單元合并技術(shù)PCM(Pluggedcellmerged),如圖15所示,為擴展槽間距,將間隔的溝槽同發(fā)射極短路,這些溝槽是不導(dǎo)通的,由此可以得到同平面IGBT一樣的柵電荷和高的短路耐量,這就是PCM。對采用PCM技術(shù)的trench結(jié)構(gòu)進(jìn)行了短路耐量的仿真,并與正常溝槽結(jié)構(gòu)及平面柵結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真對比。其中正常結(jié)構(gòu)的溝槽元胞尺寸定義為:N+源區(qū)寬度a=0.8μm,P阱半寬至N+源區(qū)間距b=1.5μm,溝槽柵寬度c=1μm;PCM-溝槽結(jié)構(gòu)在正常元胞基礎(chǔ)上進(jìn)行Gate隔行短路,因此相當(dāng)于元胞面積擴展一倍,其中外電路參數(shù)一致,器件采用相同的厚度而且背面場截止工藝及背面P+層均相同,耐量結(jié)果如圖16所示,分別為PCM-溝槽柵IGBT結(jié)構(gòu)、平面型IGBT結(jié)構(gòu)及正常溝槽柵IGBT結(jié)構(gòu)。發(fā)現(xiàn)采用嵌入單元合并結(jié)構(gòu)可以有效控制短路電流,其短路耐量明顯優(yōu)于gate均有效的正常結(jié)構(gòu)的器件,并與平面柵結(jié)構(gòu)的短路耐量水平相接近。如圖17中的附圖所示,一般而言,短路過程中的器件有四種失效模式,其中失效模式A發(fā)生在短路電流加上器件的開啟時刻,原因是瞬間加上的高壓導(dǎo)致的早期高擊穿或是電流閂鎖現(xiàn)象;失效模式B發(fā)生在器件開態(tài)過程中,介于開啟與關(guān)斷之間主要起因是由于器件內(nèi)部溫度上升引起的二次擊穿;失效模式C主要發(fā)生在關(guān)斷時刻,文獻(xiàn)解釋了發(fā)生此類失效是由動態(tài)閂鎖所致;失效模式D發(fā)生在器件關(guān)斷后的幾微秒,由關(guān)斷后器件內(nèi)部的高溫所決定。由于器件較強的抗閂鎖能力及良好的耐壓特性,短路起始時刻出現(xiàn)的失效模式A,在仿真中未出現(xiàn),而且測試電路中短路脈寬設(shè)置為15μs,器件未能承受短路電流至關(guān)斷期,因此短路模式C也未出現(xiàn)。針對短路失效的起因,探究了上述三種不同結(jié)構(gòu)的器件在短路過程中的溫升,仿真結(jié)果如圖17所示,經(jīng)對比發(fā)現(xiàn):正常結(jié)構(gòu)溝槽IGBT,CE間飽和電流最大,在短時間內(nèi)結(jié)溫達(dá)到了780K的高溫后失效,而采用PCM結(jié)構(gòu)的溝槽IGBT由于降低了集電極-發(fā)射極間的飽和電流,其短路耐量得以提升,峰值溫度達(dá)到了900K,平面型IGBT的峰值芯片結(jié)溫為750K,因此,該三種器件的短路失效可歸為B模式。因為當(dāng)器件溫度在650K附近越過臨界溫度值時,直接消除了N+發(fā)射區(qū)與P阱區(qū)之間的勢壘。也有研究表明高溫引起的短路失效時局部溫度高達(dá)850K,這與文中的研究結(jié)果是一致的。3igbt工藝按照仿真結(jié)果,采用薄片工藝在保證反向耐壓的情況下,采用寬P阱區(qū)設(shè)計,在背面注入實現(xiàn)場截止層,并考慮背面高濃度注入以增加歐姆接觸,設(shè)計了溝槽-場截止型IGBT的實驗方案,工藝流程為:制備硅片→生長介質(zhì)膜→限場環(huán)光刻、刻蝕→光刻定義溝槽→刻蝕→柵氧化層→單晶硅淀積→光刻刻蝕→P阱摻雜→高溫退火→N+源區(qū)光刻→N+源區(qū)摻雜→高溫退火→P+區(qū)光刻→P+區(qū)摻雜→高溫退火→介質(zhì)膜生長→鈍化層光刻、刻蝕→輻照→退火→背面減薄→N型場截止層摻雜→P+集電極區(qū)摻雜→熱處理→背面金屬化。圖18為制作完成的溝槽型器件的掃描電子顯微鏡圖。4多次測試測試結(jié)果對上述制作的溝槽-場截止型IGBT器件在Vcc=720V條件下測試,波形如圖19所示,短路時間tsc為10μs,表現(xiàn)出良好的抗短路能力。與仿真結(jié)果進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)實際測試結(jié)果明顯優(yōu)于仿真模擬值。多次測試結(jié)果包括平面型器件的短路耐量測試結(jié)果均證明了,實際器件在外壓720V,柵極電壓Vg=15V的條件下,短路耐量接近15μs,體現(xiàn)了器件短路耐量的健壯性(robustness)。對于一個給定的IGBT器件,達(dá)到其短路失效的能量是個定值,取決于器件自身的熱耗散能力以及外界散熱條件,如圖20所示,器件在短路過程中的熱成像圖中可以看出,芯片自發(fā)熱導(dǎo)致局部溫升,而良好的接觸利于熱量通過銅散熱底板往外擴散,加快了芯片的熱耗散,因此實際器件的短路耐量比芯片的表現(xiàn)更好。5igbt短路性能及失效機制分析利用SilvacoTCAD仿真軟件在器件結(jié)構(gòu)和工藝方面對溝槽柵與平面柵結(jié)構(gòu)1200V/20A場截止型IGBT的短路耐量特性進(jìn)行了研究。對于平面型IGBT:減小JFET注入劑量可以增大JFET區(qū)電阻有利于提升芯片的短路耐量,同時減小平面柵寬度可抑制短路過程中的飽和電流使得IGBT短路耐量得到有效提升,但是隨著器件本身的發(fā)熱高溫使載流子復(fù)合速率降低,這時壽命控制對短路耐量無明顯影響。對于溝槽型IGBT:選取合適的N+源區(qū)寬度,可以保持低正向?qū)▔航档耐瑫r獲得較大的短路耐受時間;通過擴展P阱寬度增大空穴電流路徑,可有效的降低集電極-發(fā)射極間的飽和