不同栅型结构igb的短路耐量特性研究

不同栅型结构igb的短路耐量特性研究

igbt的特性绝缘体衬底（igdt）是一种适用于各种能量转换系统的双极性功率矩阵。由于它具有双极性功率矩阵和功率mosfi，因此它被广泛应用于各种能量转换系统，如电焊接机、开关、旁路控制技术、us间歇性电源、交流电机、频带等。IGBT从元胞结构上分为平面(planar)型和沟槽(trench)型两种。相比平面型IGBT,沟槽栅IGBT消除了JFET效应,具有更低的集电极-发射极饱和压降VCE(SAT),同时纵向的沟道结构使得元胞面积大幅减小。另一方面,自1999年场截止(Field-stop)IGBT概念提出以来,人们通过在器件背面引入轻掺杂场截止层减少通态过程中残留的超量载流子以实现迅速关断,极大地减小了器件的开关损耗,提升了IGBT的性能。随着IGBT功率控制能力的加强,人们不断地追求器件的低导通压降及低开关损耗,但同时也带来了不利影响:由于饱和集电极-发射极电流密度JC(SAT)的大幅增大,器件的抗短路能力减弱,尤其是IGBT作为电力电子电路的核心元件,器件的短路耐量是评价功率半导体器件可靠性的重要参数。在实际应用中IGBT不仅要工作在正常状态,有时也会工作在一些极端情况下:当发生短路时,IGBT的集电极电流会急剧增大,集电极-发射极电压也会急剧增大,这会带给IGBT毁灭性损坏,因此研究IG-BT短路耐量特性,保证IGBT器件具有良好的抗短路能力就显得相当重要。为此,对具有平面栅极与沟槽栅极的IGBT的短路耐量特性进行了探究,并制造了既有低集电极-发射极饱和压降VCE(SAT)低开关损耗又具有较强耐短路能力的沟槽-场截止型IGBT。1抗电流锁性能图1展示了平面栅-场截止型IGBT的结构图,采用薄片工艺制作的芯片面积为32mm2,额定耐压为1200V,额定工作电流20A对应62.5A/cm2的电流密度,优化选择深的重掺杂P+区来抑制电流闩锁。图2展示了沟槽栅-场截止型IGBT的结构图,芯片面积为20mm2,额定耐压为1200V,额定工作电流20A对应100A/cm2的电流密度,精心设计的纵向MOS沟道保证了低通态压降的同时又有良好的抗短路能力。两种IGBT器件均采用场截止型结构,N型场截止层的引入将PNP晶体管的基区与发射极分隔开如图1与图2,同时引入电子辐照工艺控制载流子寿命。2物理模型的确定利用SilvacoTCAD仿真软件在器件结构和工艺等方面进行仿真设计,并结合外围测试电路模拟以获得器件的短路耐量结果,精准地描述了器件结构与工艺对器件性能的影响,便于结构创新,节省了时间,节约了投料成本。仿真过程中指定ATLAS所用的物理模型有与杂质浓度相关的载流子迁移率模型(conmob)、受横向电场影响的载流子迁移率模型(fldmob)、肖克莱复合模型(srh)、俄歇深能级注入引起的复合模型(auger)及分析表达式计算随着浓度和温度变化的迁移率模型(analytic)。通过材料语句的定义覆盖上面模型中的默认值,定义了载流子的复合寿命。2.1短路耐量验证模型检验IGBT在负载短路条件下可靠运行有两种情况:一种是负载短路时开通IGBT;第二种是IGBT处于通态(VCE=VCE(SAT))时负载短路。对于第二种测试方式,IGBT从正常导通到稳定的短路状态过程中由于开关电路的寄生电感将导致电流尖峰并由此引起的过压对器件的短路冲击压力更大,因此文中采用了更严格的开通中短路的模式来进行短路耐量的仿真电路模型,如图3所示:其中栅极电压Vg为一恒定值15V,即保证IGBT处于导通状态;L1为电路的杂散电感4μH;R2为线路的寄生电阻。R1为脉冲负载电阻,以负载电阻阻值突降为1×10-8Ω这一极小量来仿真负载短路情况,阻值随时间变化如图4所示。初始时R1的阻值为100Ω,延迟1μs后,电阻开始下降,经过10ns的下降时间后阻值为1×10-8Ω,此时可视为负载短路,短路时间为15μs,脉冲周期为20μs。2.2模拟结果与分析2.2.1jeft注入剂量对igbt短路耐量的影响从图6中看出,随着杂散电感L1的从3pH增加至4μH,短路耐量增加了1μs。从图4中看出,在极短的10ns内负载电阻减小致零,IGBT瞬间承受了大电压,并同时灌入大电流,杂散电感起了缓冲作用,减弱了瞬间大电流的冲击,使得电流缓慢增加并推加至饱和状态,并在IGBT两端感应出一个较小的正dv/dt,米勒效应的影响也较小。而在IGBT开通中短路的情况下,米勒效应是一个重要的影响因素。电流在上升过程中由于米勒电容CCG的存在,随着VCE的增加,流过集电极-栅极的电流iCG经栅极电阻Rg将栅极-发射极电压VGE推高,增加了集电极发射机间的饱和电流密度,抗短路能力下降。对应与实际电路应用,文中选取的栅极电阻为10Ω,栅极电阻越大,短路耐量越大。保持外围电路参数不变:R1=100Ω、L1=4μH、R2=1×10-8Ω、Vg=15V、Rg=10Ω、Vcc=720V、平面栅极宽度为一固定值不变,JEFT注入剂量分别调整为1.5×1012cm-3与1.0×1012cm-3时,对应短路耐量仿真结果如图7所示,发现芯片的短路耐量随着JFET注入剂量的减小而增大。Pendharkar等人通过热成像技术及准确的温度模拟结果验证了在JFET区最易形成高温点,热点的形成直接导致的载流子倍增是器件失效的主要原因。文中结果如图8所示,随着注入剂量减小,高温退火激活后的浓度减小,JFET区电阻增加,集电极发射极间饱和电流受到限制,延缓了器件在短路过程的自发热,相比较JFET电阻越小越易形成高温区,导致短路耐受时间tsc减短。保持外围测试电路参数不变,探究不同平面栅极宽度下器件的短路耐量,如图9所示,发现随着平面栅极宽度增加IGBT短路耐量减小。考虑平面栅极宽度对平面型IGBT导通中积累层电阻RACC、沟道电阻RC及JFET电阻RJ部分影响较大。据(1)式,随着栅极长度Lg增大,P阱间距d增大,积累层电阻RACC有所增大;根据(2)式,沟道电阻RC不受栅极长度变化,而JFET电阻RJ占上述三类电阻的最大部分,随着平面栅极宽度的增加,JFET电阻明显减小,三者电阻总和变小,因此短路中CE间饱和电流增大,不利于器件的抗短路能力。其中,LCH为沟道长度;XOX为氧化层厚度;Z为沟道宽度;d为相邻两P阱间距;Cox为氧化层电容,Cox=εS/tox;unA为积累层内的电子迁移率;unI为反型层内的电子迁移率;K为系数。因此,提升芯片自身的抗短路能力,即优化器件结构以获得一个合适的饱和电流IC(SAT),根据饱和电流表达式(3),保持器件结构与工艺条件不变,只减小平面栅极宽度,氧化层电容Cox随之减小,有利于抑制饱和电流以降低IGBT在短路过程中的功率损耗,提升IGBT器件的短路耐量。保持器件结构及外围电路条件一致,只改变载流子寿命从1μs减小至0.5μs发现短路耐量无明显改变,如图10所示,原因是在短路过程中高电压在10ns内加上器件两端,由此产生的强电场引发器件内部(N-基区)极高的碰撞电离率,而且随着器件温度的升高载流子复合速率降低,此时载流子寿命控制对大量的离子碰撞产生影响极小,最终芯片内部自然发热积累导致失效。2.2.3嵌入单元的优化设计及结果沟槽型IGBT本身竖直的MOS沟道结构能有效地将多数载流子注入漂移区,因此相对于平面结构的IGBT展示了优秀的低正向导通压降特性。如图11所示,正向导通压降Vce(on)与集电极电流的关系,在相同的额定集电极工作电流(20A)下,制作的沟槽型结构的器件比平面型器件的正向导通压降低0.6V。但是沟槽型IGBT最大的争议在于抗短路能力弱,短路中极大饱和电流产生大量热,这在实际应用如牵引传动系统或逆变装置中是不能接受的。因此优化器件表面结构以获得更低的饱和电流是器件设计的重点。一个沟槽型IGBT元胞结构如图12所示,元胞的宽度由N+源区宽度a、P阱半宽至N+源区间距b及沟槽栅宽度c组成。保持外围电路参数不变:R1=100Ω、L1=4μH、R2=1×10-8Ω、Vg=15V、Rg=10Ω、Vcc=720V。定义P阱半宽至N+源区间距b=1.5μm,沟槽栅宽度c=1μm,改变N+源区宽度a从0.8μm(深色)降低到0.3μm(偏浅色),如图13所示,发现CE间饱和电流降低,短路耐受时间明显增加,这说明源区a的尺寸对载流子流通的影响是积极的:随着源区面积减小,电子电流减弱,IGBT集电极-发射极间的饱和电流ICE(SAT)随之减小,因此采用较小的源区面积可以获得更好的短路耐量特性。为获得理想的短路耐量,定义P阱半宽至N+源区间距b从1.5μm扩展至4.5μm,并保持外围测试电路参数一致,发现扩展后元胞的短路耐量与平面型IGBT相接近,甚至优于平面型IGBT,结果如图14所示。从饱和电流大大减小(偏浅色)看出,短路过程中CE间载流子被有效抑制,原因是随着P+阱间距的增大空穴电流路径扩展,起了明显的分流作用,如图14所示。因此在相同的外压下,饱和电流密度明显下降,增强了短路耐量,避免了器件短时间内积累的热量致使器件热击穿。为克服沟槽结构带来短路耐量降低这一弱点,人们提出了嵌入单元合并技术PCM(Pluggedcellmerged),如图15所示,为扩展槽间距,将间隔的沟槽同发射极短路,这些沟槽是不导通的,由此可以得到同平面IGBT一样的栅电荷和高的短路耐量,这就是PCM。对采用PCM技术的trench结构进行了短路耐量的仿真,并与正常沟槽结构及平面栅结构进行仿真对比。其中正常结构的沟槽元胞尺寸定义为:N+源区宽度a=0.8μm,P阱半宽至N+源区间距b=1.5μm,沟槽栅宽度c=1μm;PCM-沟槽结构在正常元胞基础上进行Gate隔行短路,因此相当于元胞面积扩展一倍,其中外电路参数一致,器件采用相同的厚度而且背面场截止工艺及背面P+层均相同,耐量结果如图16所示,分别为PCM-沟槽栅IGBT结构、平面型IGBT结构及正常沟槽栅IGBT结构。发现采用嵌入单元合并结构可以有效控制短路电流,其短路耐量明显优于gate均有效的正常结构的器件,并与平面栅结构的短路耐量水平相接近。如图17中的附图所示,一般而言,短路过程中的器件有四种失效模式,其中失效模式A发生在短路电流加上器件的开启时刻,原因是瞬间加上的高压导致的早期高击穿或是电流闩锁现象;失效模式B发生在器件开态过程中,介于开启与关断之间主要起因是由于器件内部温度上升引起的二次击穿;失效模式C主要发生在关断时刻,文献解释了发生此类失效是由动态闩锁所致;失效模式D发生在器件关断后的几微秒,由关断后器件内部的高温所决定。由于器件较强的抗闩锁能力及良好的耐压特性,短路起始时刻出现的失效模式A,在仿真中未出现,而且测试电路中短路脉宽设置为15μs,器件未能承受短路电流至关断期,因此短路模式C也未出现。针对短路失效的起因,探究了上述三种不同结构的器件在短路过程中的温升,仿真结果如图17所示,经对比发现:正常结构沟槽IGBT,CE间饱和电流最大,在短时间内结温达到了780K的高温后失效,而采用PCM结构的沟槽IGBT由于降低了集电极-发射极间的饱和电流,其短路耐量得以提升,峰值温度达到了900K,平面型IGBT的峰值芯片结温为750K,因此,该三种器件的短路失效可归为B模式。因为当器件温度在650K附近越过临界温度值时,直接消除了N+发射区与P阱区之间的势垒。也有研究表明高温引起的短路失效时局部温度高达850K,这与文中的研究结果是一致的。3igbt工艺按照仿真结果,采用薄片工艺在保证反向耐压的情况下,采用宽P阱区设计,在背面注入实现场截止层,并考虑背面高浓度注入以增加欧姆接触,设计了沟槽-场截止型IGBT的实验方案,工艺流程为:制备硅片→生长介质膜→限场环光刻、刻蚀→光刻定义沟槽→刻蚀→栅氧化层→单晶硅淀积→光刻刻蚀→P阱掺杂→高温退火→N+源区光刻→N+源区掺杂→高温退火→P+区光刻→P+区掺杂→高温退火→介质膜生长→钝化层光刻、刻蚀→辐照→退火→背面减薄→N型场截止层掺杂→P+集电极区掺杂→热处理→背面金属化。图18为制作完成的沟槽型器件的扫描电子显微镜图。4多次测试测试结果对上述制作的沟槽-场截止型IGBT器件在Vcc=720V条件下测试,波形如图19所示,短路时间tsc为10μs,表现出良好的抗短路能力。与仿真结果进行比较,发现实际测试结果明显优于仿真模拟值。多次测试结果包括平面型器件的短路耐量测试结果均证明了,实际器件在外压720V,栅极电压Vg=15V的条件下,短路耐量接近15μs,体现了器件短路耐量的健壮性(robustness)。对于一个给定的IGBT器件,达到其短路失效的能量是个定值,取决于器件自身的热耗散能力以及外界散热条件,如图20所示,器件在短路过程中的热成像图中可以看出,芯片自发热导致局部温升,而良好的接触利于热量通过铜散热底板往外扩散,加快了芯片的热耗散,因此实际器件的短路耐量比芯片的表现更好。5igbt短路性能及失效机制分析利用SilvacoTCAD仿真软件在器件结构和工艺方面对沟槽栅与平面栅结构1200V/20A场截止型IGBT的短路耐量特性进行了研究。对于平面型IGBT:减小JFET注入剂量可以增大JFET区电阻有利于提升芯片的短路耐量,同时减小平面栅宽度可抑制短路过程中的饱和电流使得IGBT短路耐量得到有效提升,但是随着器件本身的发热高温使载流子复合速率降低,这时寿命控制对短路耐量无明显影响。对于沟槽型IGBT:选取合适的N+源区宽度,可以保持低正向导通压降的同时获得较大的短路耐受时间;通过扩展P阱宽度增大空穴电流路径,可有效的降低集电极-发射极间的饱和