來(lái)源：星際浮塵

注入增強(qiáng)型IGBT

1、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與典型工藝

1.1結(jié)構(gòu)提出與發(fā)展

為了協(xié)調(diào)IGBT通態(tài)特性與關(guān)斷特性及短路特性之間的矛盾，提高器件的綜合性能和可靠性，在IGBT中引入了一種電子注入增強(qiáng)效應(yīng)（Injection Enhancement Effect，IE），既可加強(qiáng)IGBT導(dǎo)通時(shí)的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，又可限制陽(yáng)極空穴的注入，于是形成了注入增強(qiáng)型IGBT（Injection Enhanced Insulated Gate Bipolar Transistor，IE-IGBT）。

盡管出現(xiàn)了很多結(jié)構(gòu)，所采取的措施也不同，但目的都是提高通態(tài)時(shí)IGBT內(nèi)部發(fā)射極側(cè)的載流子濃度，即引入IE效應(yīng)，以增強(qiáng)電導(dǎo)調(diào)制作用，從而解決IGBT通態(tài)特性和開關(guān)特性之間的矛盾，降低器件功耗。

1.2結(jié)構(gòu)類型與特點(diǎn)

按柵極結(jié)構(gòu)分：平面寬柵、溝槽寬柵、平面-溝槽柵（Trench-Planar Gate，TP）結(jié)構(gòu)

按是否有虛擬元胞分：普通元胞和虛擬元胞結(jié)構(gòu)

按輔助層的位置分：溝槽柵結(jié)構(gòu)（如CST-BT）和平面柵結(jié)構(gòu)（如EP-IGBT和HiGT）

圖1 IEGT結(jié)構(gòu)

圖2 含虛擬元胞的窄槽柵IEGT結(jié)構(gòu)

（1）寬柵IEGT結(jié)構(gòu)

集電極注入的空穴在寬柵形成積累，引起發(fā)射極向漂移區(qū)注入的電子增強(qiáng)。

由于這兩種結(jié)構(gòu)的柵極尺寸較大，使得元胞密度和溝道密度減小，從而會(huì)影響器件的電流容量。

（2）虛擬元胞窄槽柵IEGT結(jié)構(gòu)

部分元胞的p基區(qū)沒(méi)有歐姆接觸，成為p浮置區(qū)。導(dǎo)通期間，集電區(qū)注入的空穴將無(wú)法經(jīng)過(guò)p浮置區(qū)到達(dá)發(fā)射極，于是會(huì)在p浮置區(qū)下方的n-漂移區(qū)內(nèi)形成積累。

部分元胞的多晶硅柵極與發(fā)射極短路，導(dǎo)通期間，柵極兩側(cè)的p基區(qū)則不會(huì)形成導(dǎo)電溝道，于是從集電區(qū)注入的空穴無(wú)法與電子復(fù)合，也會(huì)在柵極下方的n-漂移區(qū)內(nèi)形成堆積。

（3）n輔助層平面柵結(jié)構(gòu)

HiGT結(jié)構(gòu)通過(guò)離子注入工藝在n-漂移區(qū)和p基區(qū)之間形成一個(gè)n空穴勢(shì)壘（HB）層，其摻雜濃度略高于n-漂移區(qū)的摻雜濃度，使得p基區(qū)與n輔助層間的內(nèi)電位差增加了約0.2V，相當(dāng)于增加了一個(gè)空穴勢(shì)壘。導(dǎo)通期間大量空穴會(huì)積累在空穴勢(shì)壘層下方，迫使n+發(fā)射區(qū)注入增強(qiáng)。該結(jié)構(gòu)不需要像P-IEGT那樣增加?xùn)艠O寬度，就可獲得較強(qiáng)的IE效應(yīng)，但對(duì)n HB的摻雜濃度要求極為嚴(yán)格，設(shè)計(jì)不當(dāng)會(huì)嚴(yán)重影響器件的阻斷能力。

EP-IGBT結(jié)構(gòu)是在普通平面柵P-IGBT的p基區(qū)側(cè)面和底部分別增加了一個(gè)n增強(qiáng)層。與HiGT結(jié)構(gòu)相比，EP-IGBT除了具有IE效應(yīng)外，阻斷電壓較高；同時(shí)p基區(qū)側(cè)面的n增強(qiáng)層會(huì)縮短溝道長(zhǎng)度，有利于提高器件跨導(dǎo)和集電極電流，降低MOS溝道的壓降。通過(guò)優(yōu)化n增強(qiáng)層的參數(shù)，可增大其反偏安全工作區(qū)（RBSOA）。

圖3 平面柵結(jié)構(gòu)

（4）n輔助層溝槽柵結(jié)構(gòu)

CSTBT結(jié)構(gòu)是在p基區(qū)與n-漂移區(qū)之間增加一個(gè)n載流子存儲(chǔ)（CS）層， 類似于HiGT結(jié)構(gòu)中的n HB層。導(dǎo)通期間在n CS層下方會(huì)形成空穴積累層。如將n CS層和虛擬元胞相結(jié)合，可形成CSTBT結(jié)構(gòu)，導(dǎo)通期間的IE效應(yīng)會(huì)更強(qiáng)，從而獲得更低的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗。

圖4 溝槽柵結(jié)構(gòu)

圖5a為東芝公司4.5kV P-IEGT芯片，尺寸為15mm×15mm，柵極壓焊點(diǎn)均位于芯片角處。圖5b為日立公司3.3kV/50A平面柵HiGT芯片，柵極壓焊點(diǎn)位于芯片中央。圖5c為三菱公司1.2kV/150A溝槽柵CSTBT芯片，柵極壓焊點(diǎn)位于芯片的側(cè)邊和角上。

圖5 各種不同IE-IGBT結(jié)構(gòu)的芯片圖形

1.3典型工藝

IE-IGBT關(guān)鍵工藝在于深而窄的溝槽刻蝕、n輔助層的注入技術(shù)及少子壽命控制技術(shù)。

（1）溝槽刻蝕工藝

在溝槽柵IEGT結(jié)構(gòu)中，溝槽越深（約12μm），IE效應(yīng)越強(qiáng)。為了消除柵氧化層不均勻引起的閾值電壓變化，并提高M(jìn)OS溝道電子的遷移率，需采用精細(xì)的RIE刻蝕工藝先形成溝槽，再生長(zhǎng)犧牲氧化層來(lái)獲得光滑的槽壁。對(duì)于寬槽柵（槽寬為8～12μm）結(jié)構(gòu)，通常在氮氧化硅（SiON）掩蔽下進(jìn)行溝槽刻蝕之后，再采用局部氧化（LOCOS）工藝來(lái)圓化溝槽底部拐角，并消除頂部的“鳥嘴”效應(yīng)。

（2）n輔助層工藝

若采用常規(guī)摻雜工藝，由于存在雜質(zhì)的補(bǔ)償作用，會(huì)使溝道的凈摻雜濃度降低，導(dǎo)致閾值電壓下降，并影響溝道電子的遷移率，同時(shí)也很難形成摻雜濃度和厚度均合適的n輔助層。采用倒摻雜（Retro Grade Doping）工藝，可有效避免CS層對(duì)溝道摻雜濃度的補(bǔ)償，有利于獲得更高的溝道電子遷移率，并提高器件的均勻性，增大短路安全工作區(qū)（SCSOA）。

圖6 載流子存儲(chǔ)層的摻雜濃度分布

（3）載流子壽命控制技術(shù)

壽命控制技術(shù)改善IEGT開關(guān)特性，也會(huì)影響器件IE效應(yīng)的強(qiáng)弱。與傳統(tǒng)的均勻壽命控制相比，采用局部壽命控制，如質(zhì)子輻照和H+、He2+等輕離子輻照，可將低壽命區(qū)控制在靠近n緩沖層的n-漂移區(qū)中，從而使器件的開關(guān)特性和通態(tài)特性同時(shí)得到改善。

2、工作原理與注入增強(qiáng)效應(yīng)

2.1工作原理

無(wú)論是采用寬柵結(jié)構(gòu)，還是虛擬元胞，或者增加n輔助層，都增強(qiáng)了發(fā)射極側(cè)的載流子注入，使得器件內(nèi)部的電導(dǎo)調(diào)制區(qū)域由局部的n-漂移區(qū)擴(kuò)展到整個(gè)n-漂移區(qū)甚至n型輔助層中。所以，IE-IGBT具有比普通IGBT更好的通態(tài)特性。在采用n輔助層和虛擬元胞的復(fù)合結(jié)構(gòu)中，IE效應(yīng)會(huì)更加明顯，電導(dǎo)調(diào)制區(qū)域更大，器件的特性會(huì)進(jìn)一步改善。

2.2等效電路

IGBT可等效為MOSFET和pnp晶體管的級(jí)聯(lián)，在導(dǎo)通狀態(tài)下，IGBT可簡(jiǎn)化地等效為MOSFET和pin二極管的串聯(lián)。

圖7 IEGT導(dǎo)通狀態(tài)下的等效結(jié)構(gòu)及其載流子濃度分布與等效電路

圖8 EP-IEGT結(jié)構(gòu)中的pin二極管與pnp晶體管效應(yīng)

如圖8a所示，當(dāng)n增強(qiáng)層位于元胞兩側(cè)時(shí)，溝道縮短，n+發(fā)射區(qū)的電子通過(guò)溝道后向元胞下方擴(kuò)展，在柵極正下方的n-漂移區(qū)形成空穴積累，使pin二極管的效應(yīng)加強(qiáng)。圖8b當(dāng)n增強(qiáng)層集中在元胞底部時(shí)，此時(shí)溝道長(zhǎng)度不變，n+發(fā)射區(qū)的電子通過(guò)溝道后向柵極下方擴(kuò)展，同時(shí)空穴會(huì)在元胞正下方的n增強(qiáng)層處形成積累，使pnp晶體管效應(yīng)加強(qiáng)。

為了獲得優(yōu)良的導(dǎo)通特性，應(yīng)加強(qiáng)P-IEGT內(nèi)部的pin二極管效應(yīng)。 但如果發(fā)射區(qū)附近的pin二極管效應(yīng)增強(qiáng)，飽和電流特性變差。所以，為了獲得優(yōu)良的FBSOA，pin二極管效應(yīng)需遠(yuǎn)離溝道和發(fā)射區(qū)。如圖9所示的溝槽-平面柵TP-IEGT結(jié)構(gòu)，在發(fā)射極元胞之間插入了溝槽（類似于TPMOS），于是沿溝槽側(cè)壁會(huì)形成電子積累層，同時(shí)因溝槽和元胞之間的n-漂移區(qū)很窄，空穴只能在元胞下方的n-漂移區(qū)形成積累，產(chǎn)生電子注入增強(qiáng)效應(yīng)，使pin二極管效應(yīng)增強(qiáng)，并且pin二極管效應(yīng)僅壓縮在遠(yuǎn)離發(fā)射區(qū)的n-漂移區(qū)內(nèi)，故TP-IEGT具有比P-IEGT更好的導(dǎo)通特性。

圖9 溝槽平面柵IEGT

2.3注入增強(qiáng)效應(yīng)及其表征

但I(xiàn)E效應(yīng)起因于n-漂移區(qū)存在空穴積累，從集電區(qū)注入到n-漂移區(qū)的空穴數(shù)目并沒(méi)有增加。可見(jiàn)，IE效應(yīng)能方便地增加IE-IGBT發(fā)射極側(cè)的電子積累，同時(shí)有效地控制集電極側(cè)的空穴注入，因此很好地解決了IGBT耐壓提高時(shí)關(guān)斷特性與通態(tài)特性之間的矛盾。

可用發(fā)射極電子注入效率γn來(lái)表征IE效應(yīng)的強(qiáng)弱。γn越大，IE效應(yīng)越強(qiáng)，器件的通態(tài)特性越好。γn值不僅與MOSFET表面遷移率有關(guān)，還與柵極結(jié)構(gòu)、集電極注入效率及發(fā)射極面積等因素有關(guān)。

圖10 T-IGBT和T-IEGT的注入效率比較

溝槽柵IEGT和IGBT的電子注入效率比較如圖10。兩者的電子注入效率都隨集電極電流密度的增加而減小，隨溝道電子遷移率μns的增加而增加。T-IEGT的電子注入效率明顯高于T-IGBT，并且隨溝道電子遷移率的變化更加明顯，這說(shuō)明要提高T-IEGT的電子注入效率γn，必須提高M(jìn)OS溝道的電子遷移率。

圖11給出了P-IEGT和T-IEGT的電子注入效率與結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化關(guān)系。T-IEGT電子注入效率（γn≈0.75～0.83）明顯高于P-IEGT（γn≈0.73～0.77），并且γn除了與MOS溝道電子的遷移率有關(guān)外，還與元胞寬度和溝槽柵尺寸有關(guān)。P-IEGT的γn隨元胞半寬度W的增大呈線性增加，T-IEGT的γn隨深度T和元胞半寬度W乘積的平方根增大呈非線性增加。

圖11 P-IEGT和T-IEGT的電子注入效率γn與結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系曲線

3、靜態(tài)與動(dòng)態(tài)特性

3.1通態(tài)特性

P-IEGT的飽和電壓主要由漂移區(qū)的壓降Un-和集電結(jié)的壓降Up+n決定。

式中JC為集電極電流密度；Wn-為n-漂移區(qū)厚度；ρc和ρe分別為集電極和發(fā)射極側(cè)載流子濃度。

圖12 T-IEGT的UCEsat隨ρe和ρc變化曲線

圖13 P-IEGT與T-IEGT特性比較

當(dāng)集電極側(cè)載流子濃度ρc一定時(shí)，UCEsat隨ρe的增加而下降；當(dāng)ρe一定時(shí)，ρc越高，UCEsat越低。適當(dāng)提高IEGT集電極側(cè)與發(fā)射極側(cè)的載流子濃度，有助于實(shí)現(xiàn)理想的低飽和電壓，但集電極側(cè)的載流子濃度增加會(huì)導(dǎo)致關(guān)斷特性變差。

3.2特性比較

圖13所示為采用局部少子壽命控制的P-IEGT與T-IEGT關(guān)斷能耗密度與飽和電壓UCEsat的關(guān)系。P-IEGT的UCEsat明顯比T-IEGT的要高，并且溝槽越深，對(duì)改善T-IEGT關(guān)斷特性與飽和電壓越有利。

圖14 幾種不同結(jié)構(gòu)的IE-IGBT特性的比較

采用LPT型耐壓結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步改善平面柵IE-IGBT的綜合特性。圖14a對(duì)4.5kV器件而言，當(dāng)關(guān)斷能量Eoff一定時(shí)，LPT-HiGT的飽和電壓更低，而普通IGBT特性最差。圖14b對(duì)6.5kV器件而言，當(dāng)Eoff一定時(shí)，EP-IGBT的UCEsat比普通IGBT低30%。如果將溝槽柵n輔助層及LPT型結(jié)構(gòu)相結(jié)合，可以獲得更好的綜合特性。如LPT-CSTBT結(jié)構(gòu)的飽和電壓比傳統(tǒng)P-IGBT結(jié)構(gòu)的下降約40%，并且耐壓越高，CSTBT與傳統(tǒng)P-IGBT結(jié)構(gòu)的特性差異越大。