一种IGBT芯片的剖析

摘要

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管）自1982发明以来，以其驱动功率小而饱和压降低的优点广泛应用于600V以上的变流系统，如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。
　　国外IGBT技术飞速发展，而国内目前则没有一家具有自主知识产权和批量生产的厂家，国内市场被国外产品所垄断，早日打破这种局面具有重大意义。
　　本文首先介绍了国外IGBT的研究概况，分析了各种IGBT结构的优缺点。选用市场上先进的沟槽型非穿通IGBT进行解剖，所选IGBT主要性能参数：阈值电压3.5V-7.5V，工作电流25A，击穿电压1200V。先用浓硫酸热分解法去除封装和芯片表面铝层，分析内部引线；然后使用扫描电镜对表面进行拍照，测量出器件的表面结构参数；接着使用磨角染色法测量纵向结构参数，分析了沟槽型IGBT的优越之处。
　　在扼要介绍了典型工艺技术的基础上，使用工艺仿真软件ATHENA对解剖的结构参数进行了详细的工艺仿真，各步工艺仿真给出了具体的参数，最后将工艺仿真的结果导入到器件仿真软件ATLAS中，对元胞的转移特性、输出特性、导通电阻、正反向击穿电压和关断时间等参数进行了器件仿真。工艺仿真并器件仿真的IGBT元胞的阈值电压约为5.8V，正向击穿电压约为1229V，反向击穿电压约为1209V，关断时间约为0.5μs。
　　进一步分析了栅氧厚度、N-基区厚度、N-基区掺杂浓度和栅槽深度对器件性能的影响。在设计和制造IGBT时，生长的栅氧厚度影响着阈值电压，两者近似线性关系；N-基区厚度和N-基区掺杂浓度决定了IGBT的击穿电压；栅槽的刻蚀深度通过改变N-基区厚度的有效宽度影响着IGBT的击穿电压。
　　文献显示目前国内研究的都是平面型结构的IGBT，且击穿电压多数为700V左右，很少有超过1000V的。而垄断市场的国外厂家都是采用沟槽栅型结构，因此本文选用的国外厂家生产的沟槽型IGBT进行结构解剖、工艺仿真和器件仿真具有较好的实际意义。

目录

一种IGBT芯片的剖析

DISSECTION AND ANALYSIS OFAN IGBT CHIP

摘 要

Abstract

目 录

第1章绪 论

1.1 课题背景

1.2 国内外功率半导体市场综述

1.3 国内外研究概况

1.4 本课题的目的和意义

1.5 课题的主要内容

第2章 IGBT的工作原理与基本理论

2.1 IGBT的工作原理

2.2 IGBT衬底晶向的选择

2.3 IGBT的阈值电压

2.4 IGBT的击穿电压

2.5 本章小结

第3章 IGBT的结构剖析

3.1 器件的选择与去封装

3.2 器件的表面分析

3.3 磨角染色法测结深

3.4 沟槽型IGBT与平面型IGBT的比较

3.5 本章小结

第4章 IGBT的工艺仿真

4.1 常用器件工艺

4.2 ATHENA工艺仿真软件

4.3 主要工艺流程的确定

4.4 IGBT的工艺仿真

4.5 本章小结

第5章 IGBT的器件仿真

5.1 ATLAS器件仿真软件

5.2 IGBT的器件仿真

5.3 结构参数对器件性能的影响

5.4 本章小结

结 论

参考文献

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致 谢