基于分离型RC-IGBT的新结构及模型研究

A new structure called Separated RC-IGBT is proposed to solve the Snapback phenomenon at the forward conduction of the conventional RC-IGBT. the model for the Snapback -free will be established at different style layouts and the fabrication process will be designed according to the conventional RC-IGBT. There are two innovations in this study.. 1) the Separated RC-IGBT is proposed. The Snapback is eliminated in the new structutre by integrating the P-collector, and at the same time the anode of the FWD can be designed in different style.. 2) the models for the Snapback are proposed. For revealing the inner nature in physical aspect how the snapback can be eliminated, the potential VPN model and the △VSB model will be established at different style layouts.. The research includes theory discussion、simulation analysis and experiment validation, it will offer fundamental theory and development direction for the RC-IGBT, which is of great significance.

本项目针对传统RC-IGBT正向导通时存在的Snapback现象，提出分离型RC-IGBT新结构；在不同集电极版图下建立Snapback-free模型；在传统RC-IGBT工艺基础上进行流片实验。项目有两项创新：. 1）提出分离型RC-IGBT器件新结构。通过对集电极P-Collector的整合，使得器件直接进入双极性导电模式，由于不存在两种导电模式的转换从而消除了Snapback现象。同时通过对二极管的阳极的设计增加RC-IGBT设计的灵活性。. 2）提出负阻Snapback理论模型。着眼于物理层面揭示新结构抑制Snapback的机理，在不同的集电极版图下建立集电极电势VPN模型和Snapback 大小的△VSB模型用以指导器件设计。. 本课题包括了理论探讨、仿真分析、实验验证，为RC-IGBT的发展奠定理论基础并探索其发展方向，创新性和应用性较强。

（1）项目背景：RC-IGBT实现了IGBT与二极管的单片集成，但是RC-IGBT正向导通时存在一个负阻现象即Snapback效应，致使器件因电流过大温度过高而烧毁，最终导致整个电路系统崩溃。 .（2）主要研究内容：本项目针对传统RC-IGBT在正向导通时存在的Snapback现象，从理论模型、数值仿真、流片实验三个方面进行深入探索，具体包括：①建立RC-IGBT的Snapback模型：针对传统RC-IGBT在不同的版图设计下的物理模型。建立了发射极基极电势VPN模型，从输出电流电压曲线出发建立了Snapback大小的△VSB模型。②提出RC-IGBT器件新结构：本项目从不同的物理机理出发提出了四种RC-IGBT器件新结构。③ RC-IGBT工艺设计及流片实验：本项目与华润微电子（重庆）公司深入合作，并联合成功申报了IGBT产业化项目cstc2018jszx-cyzd0646，设计了IGBT与RC-IGBT制备工艺流程，并成功进行了流片实验和测试，其中IGBT实现了产品化。.（3）重要结果及关键数据：①新结构RC-IGBT的Snapback-free模型，不同的版图设计下建立了VPN模型和△VSB模型，并与传统模型进行对比，得到了Snapback与器件结构参数之间的数学关系。②提出了分离型Separated-RC-IGBT，实现了FWD与IGBT有源区的分离，电学性能的分离，设计的分离，最终抑制了Snapback效应；提出了LDT-RC-IGBT，利用结终端区域集成体二极管，等位环作为二极管的阳极，终端N+截止环作为二极管阴极，实现了体二极管在终端的横向集成，且完全消除了Snapback效应；提出了VPN-RC-IGBT，将传统横向P-Collector和N-buffer改为纵向设计，极大的增加了发射极基极电势VPN，有效消除了Snapback效应。③制备了1200V级IGBT及RC-IGBT器件，击穿电压BV为11800V，阈值电压Vth为5到6 V，饱和压降Vce,sat为3 V，正向导通无Snapback效应，并进行了可靠性分析。.（4）科学意义：本项目本项目解决了传统RC-IGBT的Snapback缺陷，研究了其物理模型及机理，提出了RC-IGBT新器件，并进行了工艺设计及流片验证。该项目为RC-IGBT芯片的国产化奠定了基础。