现代社会能源的利用占据着举足轻重的作用。目前全球能源发展的主要战略方向就是将能源开发转化为电能。自80年代绝缘栅双极型晶体管(IGBT，Insulated Gate Bipolar Transistor)器件宣布，其发展已经经历了近6代的技术进步。其中穿通(PT，Punch Through)型、非穿通(NPT，No Punch Through)型应用最广，但都有许多很难解决的缺点。为提高能源利用率结合PT和NPT的技术优势，电场截至(FS，Field Stop)型技术在上世纪末它才逐渐被研究和发展起来，FS型又被称为弱穿通(LPT，Low Punch Through)型技术。

LPT和NPT型有几乎相同的正面结构，都是基本的MOSFET构造，不同的点在于LPT型IGBT在背面的N^-漂移区和P⁺集电极之间插入一个高掺杂浓度、宽度较小的N⁺缓冲层。本文通过Silvaco TCAD的工艺仿真软件在N^-漂移区的底部，掺杂一层高掺杂的N⁺缓冲层，来实现LPT型技术的结构。

第1章　绪  论..................................................................................................................... 1

1.1 研究背景.......................................................................................................................... 1

1.2 IGBT器件发展历史.................................................................................................... 1

1.3 研究内容......................................................................................................................... 3

第2章 LPT型IGBT器件的关键技术........................................................................ 4

2.1 IGBT基本器件结构.................................................................................................... 4

2.2 IGBT的工作原理......................................................................................................... 5

2.3 IGBT的静态特性......................................................................................................... 7

2.4 IGBT的动态特性......................................................................................................... 8

2.5 击穿机理.......................................................................................................................... 9

2.5.1 齐纳击穿.................................................................................................................. 9

2.5.2 热击穿...................................................................................................................... 9

2.5.3 雪崩击穿.................................................................................................................. 9

第3章 LPT型IGBT的设计................................................................................ 11

3.1 影响器件性能的主要因素....................................................................................... 11

3.2 LPT型IGBT器件的基本结构............................................................................... 11

3.3 FS层的形成................................................................................................................. 13

3.4 LPT型IGBT参数的设计........................................................................................ 13

3.4.1 栅氧化层的设计.................................................................................................... 13

3.4.2 N阱的设计............................................................................................................ 14

3.4.3 P阱参数的设计..................................................................................................... 14

3.4.4 LPT型IGBT的工艺参数..................................................................................... 16

第4章 LPT型IGBT的工艺仿真...................................................................... 17

4.1 仿真软件介绍.............................................................................................................. 17

4.2 LPT型IGBT的仿真工艺流程.............................................................................. 17

4.2.1 定义衬底................................................................................................................ 17

4.2.2 N^-外延层................................................................................................................ 17

4.2.3 N⁺缓冲层................................................................................................................ 18

4.2.4 淀积栅氧和多晶硅................................................................................................ 18

4.2.5 离子注入P阱和发射极........................................................................................ 19

4.2.6 淀积金属铝、刻蚀................................................................................................ 21

4.2.7 定义电极................................................................................................................ 22

第5章 LPT型IGBT的器件仿真...................................................................... 24

5.1 LPT型IGBT的击穿特性........................................................................................ 24

5.2 LPT型IGBT的输出特性........................................................................................ 24

5.3 LPT型IGBT的阈值电压........................................................................................ 26

第6章　结　论................................................................................................................... 28

为了让IGBT打开，则需要在栅极加上一个大于栅极电压的电压V_T，使得自由电子从P⁺集电区向栅极流动，并在栅极下方的P⁺集电区外表形成一个空间电荷区，即MOS场效应管中的N型沟道，为电子提供一个由源区到N^-基区的通路。如果此时的IGBT发射极与集电极间的电压V_AC是正的，即IGBT处于正向偏置，其中的PNP晶体管的射基结是正向偏置，空穴从发射区注入到N^-基区。部分过剩少子空穴(注入到基区的空穴被称作“过剩少子”)通过扩散和漂移越过基区，然而，剩余部分多余的少数载流子空穴与多余的多载流子电子重新结合，保持基极区的中等尺寸平衡。由MOS场效应管基极电流(即沟道电流)提供的多余电子的一部分通过扩散和漂移注入发射区，多余电子的另一部分与基极区中多余的少数空穴重新结合。加入的真空越多，注入基极区的过量少数载流子空穴和基极区本身之间的掺杂浓度差异越大，这是电导调制效应，即基极区的电阻减小，也使得IGBT的通态压降随着降低。并且，当IGBT处于正向偏置状态时，基集结处于反向偏置状态，形成了耗尽区。进入基集结的空穴在耗尽区电场的作用下被扫入了集电区，形成了集电极电流。集电极电流与基极电流共同形成了阳极电流I_T。若IGBT反向偏置时，即IGBT发射极-集电极间电压V_AC为负，射基结反偏，产生不了电流，此时IGBT反向阻断。

如果阈值电压VT大于施加到栅极的电压，即，当IGBT处于关断模式时，金属氧化物半导体管的沟道消失，基极电流也随之消失。最后，IGBT的阳极电流突然下降。当传导通道消失时，基极不能为基极空穴重新结合提供新的电子。基区中的过剩多子电子的数量通过注入发射区与过剩少子空穴复合慢慢减少。发射区的空穴将注入基区，一部分被用来与过剩电子复合，剩下一部分则被扫入集电区，维持基区的电中性平衡。过剩电子的慢慢减少，从而形成了“拖尾电流”。

IGBT的栅极的主要做一个是控制器件开启和关闭，稳态期间基区中多余载流子的分布也受其影响，同时也极大的影响IGBT器件的动态特性和静态特性。

IGBT可以被视为晶体管结构，其基极由金属氧化物半导体场效应晶体管供电。当栅极电压超过阈值电压时，在栅极下方形成沟道用来注入载流子，并且从集电极侧注入空穴以在基极区中形成稳定的过量载流子分布。然而，内部的基极区和普通晶体管的基极区还是有很大的不同，主要具有掺杂浓度低、注入剂量大和增益低等特点。IGBT的导通和关断类似于场效应晶体管，是由电压控制的，特点是驱动功率小，基极区是由电子和空穴载流子共同导电的。由于电导调制效应可以有效地降低导通状态下的损耗。因此，IGBT作为一款具有优良性能的全控电力的电子器件。初期的IGBT的栅一般是平面结构，后来通过改进技术出现了浅沟槽结构。结构示意图如图所示。不同于传统的平面栅极结构，浅沟槽技术的栅极延伸到了器件基极区的内部，而且沟道是垂直的而不是水平的。这种浅沟槽结构的特征是可以增强IGBT基区的PIN效应，增加栅极附近多余载流子的浓度，从而有效改善电导调制效应，降低传导压降。由于沟道中电流是垂直分布的，不会有JEFT效应的存在，芯片的栅极密度可以不受限制的增加，使得IGBT的导电能力大大增强。

Silvaco是基于网格计算的仿真工具，在工艺仿真之前需要定义网格，在在网格处计算器件的特性，但是格点的总数限制在20000个。一般来说，器件的表面上结构较为复杂的区域需要定义密集的网格，相反的，在器件底部结构不复杂的地方定义稀疏的网格。这次要做的IGBT器件需要P型衬底因此选用硼作为掺杂的杂质，浓度定为1.0e19个/cm³，厚度定位20um，如图