SOI LIGBT的优化设计方法研究

论文摘要

绝缘栅双极晶体管IGBT （Insulator Gate Bipolar Transistor）是MOS栅器件结构与双极晶体管结构相结合进化而成的复合型功率器件,具有功率MOS器件和BJT器件的双重特点,在通态电流和开关时间之间具有更好的折衷特性,在许多功率变换系统中,已经取代了大功率双极晶体管和功率MOS场效应管。基于SOI材料的LIGBT （Lateral Insulator Gate Bipolar Transistor）具有绝缘性能好、寄生电容小、较低的泄漏电流及集成度高等优点,并且其制作工艺与SOI-CMOS工艺相兼容,容易实现。因此它将成为智能功率集成电路的核心部件之一被广泛应用于家电产品、环保型汽车及工业生产等领域,是未来市场极具潜力的半导体功率器件。本文首先介绍了SOI材料的制备及其优缺点,概述了SOI LIGBT器件的研究进展及发展趋势。然后介绍了SOI LIGBT器件的基本结构、工作模式和主要电学特性（转移特性、输出特性、关断特性、闩锁特性）。根据半导体器件理论建立了阈值电压的解析模型,研究了阈值电压与沟道表面浓度的关系,为器件的阈值电压设计提供理论依据；分析了提高器件击穿电压的场板原理和RESURF原理,估算满足设计要求的漂移区参数；定性半定量的推导了影响器件闩锁电流的因素,提出提高器件闩锁电流的措施,为优化器件性能提供依据；分析了抗静电原理,设计具有抗ESD的器件结构；介绍器件仿真工具Silvaco TCAD工具,并采用Silvaco TCAD工具对初步设计的器件参数进行工艺和器件仿真。详细的研究了器件击穿电压与缓冲区浓度、漂移区浓度、缓冲区结深、埋氧层厚度和场板的关系,探索提高器件击穿电压的方法；对影响器件通态电流的因素（缓冲区参数和沟道长度）进行研究,探索降低器件通态电阻的方法；为提高闩锁电流,扩展器件的安全工作区,对影响闩锁的因素进行了研究；同时对器件的抗ESD特性进行优化。然后设计了器件的工艺流程,根据电学特性要求确定工艺参数。最后设计计算并采用Tanner Ledit绘制器件版图,所设计的器件满足了设计指标要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 SOI技术简介
• 1.1.1 SOI材料提出的背景
• 1.1.2 SOI材料的制备简介
• 1.1.3 SOI技术的优点及缺点
• 1.1.4 SOI技术国内外的研究进展
• 1.2 SOI LIGBT的研究进展及发展趋势
• 1.2.1 国内的研究进展
• 1.2.2 国外的研究进展
• 1.2.3 SOI LIGBT的发展趋势
• 1.3 本论文的研究内容及结构
• 第二章 SOI LIGBT器件的工作原理
• 2.1 SOI LIGBT器件的基本结构
• 2.2 SOI LIGBT器件的工作模式
• 2.2.1 正向阻断模式
• 2.2.2 正向导通模式
• 2.2.3 反向阻断模式
• 2.3 静态特性
• 2.3.1 转移特性
• 2.3.2 输出特性
• 2.4 动态特性
• 2.5 闩锁特性
• 第三章 SOI LIGBT器件的初步设计及仿真
• 3.1 阈值电压设计
• 3.1.1 阈值电压模型
• 3.1.2 阈值电压设计
• 3.2 击穿电压设计
• 3.2.1 场板原理
• 3.2.2 RESURF原理
• 3.2.3 漂移区参数估算
• 3.3 抗闩锁设计
• 3.3.1 闩锁机理分析
• 3.3.2 提高器件抗闩锁能力的措施
• 3.4 抗ESD设计
• 3.4.1 静电产生原理
• 3.4.2 静电放电模型
• 3.4.3 ESD失效机理
• 3.4.4 抗ESD的结构设计
• 3.5 电学特性仿真
• 3.5.1 器件仿真工具ATLAS简介
• 3.5.2 静态特性仿真
• 3.5.3 动态特性仿真
• 3.5.4 击穿特性仿真
• 3.5.5 闩锁特性仿真
• 3.5.6 ESD特性仿真
• 第四章 SOI LIGBT器件的优化设计
• 4.1 击穿电压优化
• 4.1.1 缓冲区浓度优化
• 4.1.2 漂移区浓度优化
• 4.1.3 缓冲区结深优化
• 4.1.4 埋氧层厚度优化
• 4.1.5 场板优化
• 4.2 通态电流优化
• 4.2.1 缓冲区优化
• 4.2.2 沟道长度优化
• 4.3 闩锁优化
• +长度优化'>4.3.1 N⁺长度优化
• 4.3.2 P-Well浓度优化
• 4.4 抗ESD优化
• 4.5 总结
• 第五章 SOI LIGBT器件的工艺设计
• 5.1 工艺仿真工具ATHENA简介
• 5.2 工艺流程设计及仿真
• 5.3 仿真结果分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 版图设计
• 6.1 器件单元版图绘制
• 6.1.1 版图层次定义
• 6.1.2 设计方法
• 6.2 布局布线
• 6.3 版图优化
• 6.4 版图后仿真
• 第七章 设计总结及展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录