CN111159921B - 一种igbt的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于IGBT设计制技术领域，提供了一种IGBT的设计方法，包括如下步骤：S1、构建IGBT的元胞模型；S2、在IGBT元胞模型上调整单一的IGBT参数，IGBT参数包括元胞结构参数和工艺参数，获取各IGBT参数在不同取值下的IGBT性能指标值；S3、通对各IGBT参数对应的IGBT性能指标数据分别进行曲线拟合，获取多组IGBT参数与IGBT性能指标的拟合曲线及其对应的函数；S4、将各组IGBT参数与IGBT性能指标的函数导入目标优化函数，在IGBT的元胞模型中将各IGBT参数作为输入量，IGBT的目标性能指标作为输出量，搜索符合IGBT的目标性能指标的最优IGBT参数组合。可以通过仿真软件快速定位所需的IGBT结构并确定其结构工艺参数，极大缩短了IGBT的设计周期与设计成本。
Description
技术领域
本发明属于IGBT设计技术领域，提供了一种IGBT的设计方法。
背景技术
随着家电的变频化，变频电控系统中IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管)是驱动变频电机或变频压缩机的不可或缺的功率器件，在节能减排的事业中扮演着越来越重要的角色。
IGBT是针对晶闸管MOS栅极设计，是一种具有V形沟通区域的垂直四层结构，其中包含了MOS栅极结构。IGBT是在MOS结构上串联设计一个正向导通二极管，在导电时通过该二极管向MOS结构的漂移区注入大量多数载流子，从而增强了MOS管的电流能力；在截止时，二极管也截止，又可以增强MOS管本身的耐高压能力。目前的IGBT有PT、NPT、FS、Trench四种：
PT-IGBT是将MOSFET的N+衬底被替换为P+衬底。制作工艺上，为了解决寄生的闩锁效应，首先在P+衬底上外延生长一层中等掺杂的N缓冲层，并且N缓冲层的掺杂浓度约为1×1013。由于在外加反向偏压时，漂移区的电场会穿透N缓冲层，电场在纵向上的分布呈现梯形状。
由于PT-IGBT的漂移区是通过外延的方法制作，因此漂移区的厚度无法做得很厚，这就导致器件的耐压能力有限。此外，由于P+集电区的掺杂浓度很高，导致集电结的注入效率过高，器件的开关特性不能满足高端变频家电的使用需求。
另外一种是NPT-IGBT。相比于PT-IGBT，NPT-IGBT的漂移区通过本底掺杂而实现，厚度占整个器件厚度的70％以上，且没有采用N缓冲层。同时NPT-IGBT的P+集电区的厚度降到了小于器件总厚度的20％以下。此外，背部的P+集电区是通过离子注入的方法形成，集电区的掺杂浓度控制在约为1×1014的水平，从而降低集电结的注入效率。
由于NPT-IGBT未采用缓冲层，因此在器件工作在阻断状态时，纵向电场呈现三角形分布，这就要求漂移区的厚度要更厚，但是这就会导致正向导通压降升高。
第三种是FS-IGBT。FS-IGBT是在NPT-IGBT的基础上增加了FS层用于截至电场，使得纵向电场的形状由三角形变为梯形，这是吸收了PT-IGBT的优点，使器件的厚度得到显著地降低。在相同耐压的情况下，FS-IGBT的厚度约为PT-IGBT的三分之一。与PT-IGBT中缓冲层不同的是，FS的作用仅限于截至电场，而缓冲层还有降低集电结注入效率的任务。因此，FS层的浓度要低于缓冲层的浓度。
由于FS-IGBT天然存在JFET区，这一区域会导致IGBT的导通压降较大。
第四种是Trench IGBT。为了解决FS-IGBT固有的缺陷，槽栅结构被运用到FS-IGBT中。槽栅结构通过将JFET区刻蚀掉，降低了IGBT的导通压降。
由于Trench IGBT槽栅结构也存在着沟道密度大、饱和电流大等缺点，可以通过采用宽元胞设计、Dummy结构来进一步解决。但是元胞设计尺寸以及Dummy结构的比例应该如何设计，是目前Trench IGBT性能改善的技术瓶颈之一。
综上所述，现有四种结构都各自存在缺陷。对于变频空调的应用，IGBT的关键指标参数通常为开关速度、开关损耗以及导通压降等。这些参数与IGBT元胞结构的设计息息相关，而且它们之间的联系并非简单的线性关系。此外，除了IGBT的性能指标外，IGBT器件的体积也是一个需要关注的指标。在一定的包络尺寸约束下，要实现IGBT的多重的性能指标，就需要对IGBT的结构参数进行多目标的优化设计。
为了满足变频空调需要设计的IGBT，现有技术方案主要是采用实验方法，在一批流片中改变某项结构或者工艺参数，并在后期通过实验测试结果研究该参数对IGBT性能的影响。以N型增强型IGBT沟道区的P+掺杂浓度为例说明该方案。当其他参数保持一致的同时，在不同的硅片区域设置不同的沟道区P+掺杂浓度，例如5Х1013、1Х1014、1.5Х1014、2Х1014。然后经过其他半导体工艺(N+注入、背金等)，可以得到不同P+掺杂浓度的IGBT样品。通过对这些样品的分析与测试，可以获得在5Х1013～2Х1014范围内沟道区的P+掺杂浓度对IGBT样品的不同性能参数，例如开关速度、开关损耗以及导通压降等影响的定量分析。这种批次流片与实验相结合的方法得到的结果比较可靠，通过对不同参数进行拉偏流片，可以得到比较可信的定量结果。该方法所获得的结果只适用于特定的拉偏范围，如果拉偏参数间距设置的过大，则可能忽略较优的拉偏参数。如果拉偏间距设置的过小，则成本会激增。此外，该方法还存在周期太长，成本太高等问题。
发明内容
本发明实施例提供一种IGBT的设计方法，旨在解决流片实验存在的周期长，成本高的问题。
本发明是这样实现的，一种IGBT的设计方法，所述方法具体包括如下步骤：
S1、构建IGBT的元胞模型；
S2、在IGBT元胞模型上调整单一的IGBT参数，IGBT参数包括元胞结构参数和工艺参数，获取各IGBT参数在不同取值下的IGBT性能指标值；
S3、通对各IGBT参数对应的IGBT性能指标数据分别进行曲线拟合，获取多组IGBT参数与IGBT性能指标的拟合曲线及其对应的函数；
S4、将各组IGBT参数与IGBT性能指标的函数导入目标优化函数，在IGBT的元胞模型中将各IGBT参数作为输入量，IGBT的目标性能指标作为输出量，搜索符合IGBT的目标性能指标的最优IGBT参数组合。
进一步的，在步骤S4之后还包括：
S5、对目标优化函数输出的最优IGBT参数组合进行流片实验，验证最优IGBT参数组合的合理性，若不合理，则返回步骤S2。
进一步的，所述步骤S2具体包括如下步骤：
S21、确定IGBT元胞模型的输入参数及输出参数，输入参数为一个IGBT参数，输出参数为一个IGBT性能指标；
S22、设定输入参数的选择区间及步进，基于步进来获取不同输入参数下的输出参数值，即获取一组的输入参数对应的输出参数值；
S23、遍历IGBT的性能指标，基于步骤S21及步骤S22来获取该IGBT参数在不同取值下的IGBT性能指标。
S24、遍历IGBT参数，基于步骤S21至步骤S24获取所有IGBT参数在不同取值下的IGBT性能指标。
进一步的，所述IGBT的元胞结构由从下到上依次包括：集电极、P+衬底、N缓冲区、N漂移区，并列设于N漂移区上的P型层及栅极，在栅极与N漂移区之间及栅极与P型层之间设有连续的绝缘层一，在P型层的顶部设有N型层，N型层的顶部设有发射极，发射极的底部部分与P型层顶部接触，栅极的顶部设由绝缘层二，绝缘层二的底部部分与N型层的顶部接触。
进一步的，IGBT性能指标包括：导通压降，开关延迟时间、击穿电压、开关损耗及短路电流；
IGBT参数包括：元胞结构参数及工艺参数，其中，元胞结构参数包括：元胞的宽度W0，N型层的宽度W1，P型层的宽度W2、N漂移区的厚度H3、N缓冲区的厚度H4及P+衬底的厚度H5；
工艺参数包括：发射极掺杂浓度、集电极掺杂浓度及P型层掺杂浓度。
本发明所提出的多目标优化IGBT算法，可以通过仿真软件快速定位所需的IGBT结构并确定其结构工艺参数，极大缩短了IGBT的设计周期与设计成本。
附图说明
图1为本发明实施例提供的IGBT设计方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的IGBT的元胞模型的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1为本发明实施例提供的IGBT设计方法的流程图，该方法具体包括如下步骤：
S1、构建IGBT的元胞模型；
利用半导体器件结构与工艺仿真软件来搭建IGBT的元胞结构，IGBT的元胞结构的示意图如图2所示，由从下到上依次由集电极、P+衬底、N缓冲区、N漂移区、并列设于N漂移区上的P型层及栅极，在栅极与N漂移区之间及栅极与P型层之间设有连续的绝缘层一，在P型层的顶部设有N型层，N型层的顶部设有发射极，发射极的底部部分与P型层顶部接触，栅极的顶部设由绝缘层二，绝缘层二的底部部分与N型层的顶部接触。
S2、在IGBT元胞模型上调整单一的IGBT参数，IGBT参数包括元胞结构参数和工艺参数，获取各IGBT参数在不同取值下的IGBT性能指标值；
IGBT性能指标包括：导通压降，开关延迟时间、击穿电压、开关损耗及短路电流；
元胞结构参数包括：元胞的宽度W0，N型层的宽度W1，P型层的宽度W2、N漂移区的厚度H3、N缓冲区的厚度H4及P+衬底的厚度H5；
工艺参数包括：发射极掺杂浓度、集电极掺杂浓度及P型层掺杂浓度；
在本发明实施例中，所述步骤S2具体包括如下步骤：
S21、确定IGBT元胞模型的输入参数及输出参数，输入参数为一个IGBT参数，输出参数为一个IGBT性能指标；
S22、设定输入参数的选择区间及步进，基于步进来获取不同输入参数下的输出参数值，即获取一组的输入参数对应的输出参数值；
S23、遍历IGBT的性能指标，基于步骤S21及步骤S22来获取该IGBT参数在不同取值下的IGBT性能指标。
S24、遍历IGBT参数，基于步骤S21至步骤S24获取所有IGBT参数在不同取值下的IGBT性能指标。
在本发明实施例中，以IGBT性能指标导通压降为IGBT优化设计的目标函数，IGBT参数选取发射极掺杂浓度为例进行说明，则需要增加IGBT导通压降的仿真程序，通过单一变量原则，注意探索各IGBT参数对导通压降的影响，设定发射极掺杂浓度的选择区间及步进，基于设定的步进获取不同发射极掺杂浓度下对应的导通压降，即获取一系列的发射极浓度对应的导通压降数据，导通压降随其他IGBT参数的变化也是通过上述方法来获取；
S3、通对各组IGBT参数对应的IGBT性能指标数据分别进行曲线拟合，获取多组IGBT参数与IGBT性能指标的拟合曲线及其对应的函数；
在本发明实施例中，采用数学拟合来获取拟合曲线，使得尽可能的数据点落在该拟合曲线上，以IGBT性能指标导通压降为IGBT优化设计的目标函数，IGBT参数选取发射极掺杂浓度为例进行说明，在通过步骤S2获取了一系列的发射极浓度对应的导通压降数据后，对这些数据进行曲线拟合或直线拟合，最后形成发射极浓度-导通降压曲线，例如针对N型层的宽度W1，通过对多个W1对应的导通压降Von进行参数拟合，可以建立形如的公式：
这里，以二次方程为例，实际上可以建立方程，或者更高次方程(例如三次方程)，二次方程需要至少仿真3个点才能求解出方程的3个未知数。
假定IGBT性能指标包括如下5个性能指标；元胞结构参数包括如下6个结构参数；获取各IGBT参数与各IGBT性能指标的组合，共有20种组合，基于步骤S3能形成20条曲线及其函数。
S4、将各IGBT参数-IGBT性能指标函数导入目标优化函数，在IGBT的元胞模型中将各IGBT参数作为输入量，IGBT的目标性能指标作为输出量，搜索符合IGBT的目标性能指标的最优IGBT参数组合。
在本发明实施例中，目标优化函数可以是遗传算法、蚁群算法或退火算法。
本发明的多目标优化IGBT算法是基于IGBT的元胞模型及各IGBT参数-IGBT性能指标函数，以导通压降最小、开关损耗最低、开关时间最短为目标函数，通过对IGBT的工艺参数与结构参数的竞争与选择，获得最优的IGBT参数。
定义初始种群为用多维约束空间X＝{元胞的宽度W0，N型层的宽度W1，P型层的宽度W2、N漂移区的厚度H3、N缓冲区的厚度H4及P+衬底的厚度H5}内的随机数，种群大小可以设置为100。
基本运算过程如下：
初始化：设置进化代数计数器等于0，设置最大进化代数，随机生成初始群体。
个体评价：计算群体中个体的适应度。
选择运算：把优化的个体或通过配对交叉产生新的个体经过选择后遗传到下一代。选择操作是建立在群体中个体的适应度评估基础上的。
交叉运算：对群体中的两个个体串的某些基因座上的基因值进行对调。
变异运算：对群体中的个体串的某些基因座上的基因值作变动。
终止条件判断：若进化代数等于最大进化代数,则以进化过程中所得到的具有最大适应度个体作为最优解输出，终止计算。
在本发明实施例中，在步骤S4之后还包括：
S5、对目标优化函数输出的最优IGBT参数组合进行流片实验，验证最优IGBT参数组合的合理性，若不合理，则返回步骤S2。
本发明所提出的多目标优化IGBT算法，可以通过仿真软件快速定位所需的IGBT结构并确定其结构工艺参数，极大缩短了IGBT的设计周期与设计成本。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种IGBT的设计方法，其特征在于，所述方法具体包括如下步骤：
S1、构建IGBT的元胞模型；
S2、在IGBT元胞模型上调整单一的IGBT参数，IGBT参数包括元胞结构参数和工艺参数，获取各IGBT参数在不同取值下的IGBT性能指标值；
S3、通对各IGBT参数对应的IGBT性能指标数据分别进行曲线拟合，获取多组IGBT参数与IGBT性能指标的拟合曲线及其对应的函数；
S4、将各组IGBT参数与IGBT性能指标的函数导入目标优化函数，在IGBT的元胞模型中将各IGBT参数作为输入量，IGBT的目标性能指标作为输出量，搜索符合IGBT的目标性能指标的最优IGBT参数组合；
所述步骤S2具体包括如下步骤：
S21、确定IGBT元胞模型的输入参数及输出参数，输入参数为一个IGBT参数，输出参数为一个IGBT性能指标；
S22、设定输入参数的选择区间及步进，基于步进来获取不同输入参数下的输出参数值，即获取一组的输入参数对应的输出参数值；
S23、遍历IGBT的性能指标，基于步骤S21及步骤S22来获取该IGBT参数在不同取值下的IGBT性能指标；
S24、遍历IGBT参数，基于步骤S21至步骤S24获取所有IGBT参数在不同取值下的IGBT性能指标；
所述IGBT的元胞结构由从下到上依次包括：集电极、P+衬底、N缓冲区、N漂移区，并列设于N漂移区上的P型层及栅极，在栅极与N漂移区之间及栅极与P型层之间设有连续的绝缘层一，在P型层的顶部设有N型层，N型层的顶部设有发射极，发射极的底部部分与P型层顶部接触，栅极的顶部设由绝缘层二，绝缘层二的底部部分与N型层的顶部接触。
2.如权利要求1所述的IGBT的设计方法，其特征在于，在步骤S4之后还包括：
S5、对目标优化函数输出的最优IGBT参数组合进行流片实验，验证最优IGBT参数组合的合理性，若不合理，则返回步骤S2。
3.如权利要求1所述的IGBT的设计方法，其特征在于，IGBT性能指标包括：导通压降，开关延迟时间、击穿电压、开关损耗及短路电流；
IGBT参数包括：元胞结构参数及工艺参数，其中，元胞结构参数包括：元胞的宽度W0，N型层的宽度W1，P型层的宽度W2、N漂移区的厚度H3、N缓冲区的厚度H4及P+衬底的厚度H5；
工艺参数包括：发射极掺杂浓度、集电极掺杂浓度及P型层掺杂浓度。
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- 2020-01-17 CN CN202010052816.4A patent/CN111159921B/zh active Active
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