CN103258847A

CN103258847A - 一种双面场截止带埋层的rb-igbt器件

Info

Publication number: CN103258847A
Application number: CN2013101683504A
Authority: CN
Inventors: 李泽宏; 杨文韬; 宋洵奕; 陈钱; 单亚东; 张金平; 任敏
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China; Institute of Electronic and Information Engineering of Dongguan UESTC
Priority date: 2013-05-09
Filing date: 2013-05-09
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2033-05-09
Also published as: CN103258847B

Abstract

一种双面场截止带埋层的RB-IGBT器件，属于功率半导体器件技术领域。本发明在常规RB-IGBT结构的基础上，通过在P型基区和N^—漂移区之间，N^—漂移区与P⁺集电区之间同时引入N型FS(Field Stop)场截止层，同时在正面场截止层下方和背面场截止层上方同时引入了P型埋层，在满足器件耐压要求的条件下，通过减薄器件厚度将器件的电场由三角形转变为梯形分布。漂移区载流子浓度分布的优化增强器件体内的电导调制，降低了器件的正向导通压降和关断损耗。

Description

一种双面场截止带埋层的RB-IGBT器件

技术领域

本发明属于功率半导体器件技术领域，具体涉及一种双面场截止带埋层逆阻型绝缘栅双极型晶体管。

背景技术

绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor）是目前中大功率电力系统中最具代表性的器件。它既有MOSFET易于驱动，控制简单、开关频率高的优点，又有功率晶体管的导通压降低优点。鉴于IGBT的这些优点，被广泛应用于民用，工业，国防领域。

在电力AC-AC矩阵系统中，各线路都需要具有双向阻断能力。传统IGBT芯片由于背部区域没有结终端结构，无法承受反向耐压，因而必须串联二极管来使用，如图1（A）所示。这种串联结构在正向导通时，各路上的压降为IGBT芯片和二极管芯片导通压降之和，使得正向导通时功耗很大。文献(Takei,M;Natio,T;UenO,K.The Reverse Blocking IGBT for MatrixConverter With Ultra-Thin Wafer Technology.Proceedings of2003International Symposium onPower Semiconductor Devices&ICs,2003,pp.129-132）中使用深硼扩散工艺在芯片外侧制得了穿通型P区终端结构，使得IGBT器件首次具有了双向阻断特性，逆阻型IGBT（ReverseBlocking-IGBT）应运而生，其在AC-AC系统中如图1（B）所示，二极管被集成在器件体内部。文献(Harou,N;Ogino,M;Hiroki,W;Tsunehiro N;Yoshikazu T;David L.Hybrid IsolationProcess with Deep Diffusion and V-Groove for Reverse Blocking IGBTs.Proceedings of2011International Symposium on Power Semiconductor Devices&ICs,2011,pp.116-119）中使用刻槽及激光退火技术得到了V槽型终端结构，进一步改善了终端部分的耐压要求和稳定性。由于元胞区也需要双向耐压，目前RB-IGBT只能使用如图2所示的NPT（Non-Punch-Through）型结构。

在常规RB-IGBT结构中，由于元胞采用NPT型结构，漂移区较厚，导致器件正向导通压降高，严重的拖尾效应使得关断功耗大。为了进一步降低器件的正向导通压降和关断功耗，提高RB-IGBT的性能，本发明通过在常规RB-IGBT的P基区和N^—漂移区之间，N^—漂移区与P⁺集电区之间同时引入FS(Field Stop)场截止层，并减薄器件厚度使得器件的电场分布由三角形转变为了梯形分布，这降低了器件导通压降和关断功耗。此外，在正面场截止层下方和背面场截止层上方同时引入了P型埋层，同时提高了器件的正反向耐压水平。

发明内容

本发明提供一种双面场截止带埋层的RB-IGBT器件，该RB-IGBT器件基于常规RB-IGBT结构（如图所示2），通过在P型基区和N^—漂移区之间，N^—漂移区与P⁺集电区之间同时引入FS(Field Stop)场截止层，同时在正面场截止层下方和背面场截止层上方同时引入了P型埋层，可以将器件正反向阻断电场由三角形分布转变为梯形分布，使得器件在满足器件耐压要求的条件下可以减薄芯片厚度。该方案优化了漂移区载流子浓度分布，增强了器件体内的电导调制，降低了器件的正向导通压降和关断功耗。

为实现本发明目的，采用的技术方案如下：

一种双面场截止带埋层的RB-IGBT器件，如图3所示，包括P⁺集电区121，位于P⁺集电区121背面的金属阳电极131，位于P⁺集电区121正面的N^—漂移区91，位于N^—漂移区91上方的P型基区41，P型基区41表面具有P⁺欧姆接触区21和N⁺源区31，与P⁺欧姆接触区21和N⁺源区31表面均接触的金属阴极电极11；还包括多晶硅栅电极61，多晶硅栅电极61与P型基区41和N⁺源区31之间具有栅氧化层71。所述P型基区41与N^—漂移区91之间还具有正面N型场截止层51，所述P⁺集电区121与N^—漂移区91之间还具有背面N型场截止层111；同时，在正面N型场截止层51下方的N^—漂移区91中具有与正面N型场截止层51相接触的正面P型埋层81，在背面N型场截止层111上方的N^—漂移区91中具有与背面N型场截止层111相接触的背面P型埋层101。

进一步地，本发明提供的双面场截止带埋层的RB-IGBT器件中，所述正面N型场截止层51和背面N型场截止层111的厚度及掺杂浓度可根据器件设计需要进行调整；所述正面P型埋层81的掺杂量与正面N型场截止层51的掺杂量相匹配，以形成相互补偿效应；所述背面P型埋层101的掺杂量与背面N型场截止层111的掺杂量相匹配，以形成相互补偿效应。

进一步地，本发明提供的双面场截止带埋层的RB-IGBT器件中，所述正面P型埋层81与背面P型埋层101可上下对称设置，也可上下非对称设置。

正面N型场截止层51的作用在于截止反向阻断状态时的电场，正面P型埋层81的作用在于提高正向阻断状态时正面N型场截止层51下方的电场强度，从而提高正向阻断状态时的耐压；背面N型场截止层111的作用在于截止正向阻断状态时的电场，背面P型埋层101的作用在于提高反向阻断状态时背面N型场场截止层111上方的电场强度，从而提高反向阻断状态时的耐压。

本发明的有益效果表现在：

本发明在常规NPT-RB IGBT结构的基础上，通过在P型基区和N^—漂移区之间，N^—漂移区与P⁺集电区之间同时引入N型场截止层，可以进一步减薄器件厚度并使器件的电场由三角形转变为了梯形分布。此外，在正面场截止层下方和背部场截止层上方同时引入了P型埋层，提高了器件正反向耐压水平。通过以上方法，器件在保证耐压要求的条件下，优化了漂移区载流子浓度分布，增强了器件体内的电导调制，降低了器件的正向导通压降，从而获得更好的正向导通压降和关断功耗之间的折中。

附图说明

图1中（A）是使用常规的IGBT器件AC-AC系统中支路的电路结构示意图，其中101、102为常规IGBT器件，201、202为功率二极管；（B）是使用逆阻型IGBT器件AC-AC系统中支路的电路结构示意图，其中301、302为逆阻型IGBT器件。

图2是常规RB-IGBT器件的元胞结构示意图。

图3是本发明提出的双面场截止带埋层的RB-IGBT器件元胞结构示意图。

图2至图3中，11为金属阴极电极，21为P⁺欧姆接触区，31为N⁺源区，41为P型基区，51为正面N型场截止层，61为多晶硅栅电极，71为栅氧化层，81为正面P型埋层，91为N^—漂移区，101为背面P型埋层，111为背面N型场截止层，121为P⁺集电区，131为金属阳极电极。

图4为本发明提出的双面场截止带埋层的RB-IGBT器件的双向耐压I-V特性图。

图5为常规逆阻型IGBT器件和本发明提出的双面场截止带埋层的RB-IGBT器件元胞中央处纵向载流子浓度的对比。

图6为常规逆阻型IGBT器件和本发明提出的双面场截止带埋层的RB-IGBT器件的正向导通I-V特性曲线。

图5与图6中，实线1代表本发明提出的双面场截止带埋层RB-IGBT器件的参数，虚线2代表常规RB-IGBT器件的参数。

具体实施方式

所述器件工艺过程可以沿用传统工艺过程，只需略加几个步骤。

所述正面N型场截止层51可以在终端区制作完成之后，在有源区内通过离子注入并退火得到N型场截止层，其离子注入剂量和退火时间可以根据实际设计需求调整。

所述背部N型场截止层111可以在背部减薄后，通过离子注入并退火或扩散的方法得到N型场截止层，其离子注入剂量和退火时间可以根据实际设计需求调整。

所述正面P型埋层81可以在刻蚀栅电极槽后，通过刻蚀窗口离子注入并退火形成正面P型埋层。

所述背面P型埋层101可以通过高能硼离子注入形成，该工艺可以直接使用栅极沟槽所使用的掩膜版，也可以根据设计需求另外制版。

常规RB-IGBT由于需要有双面阻断能力，其元胞区结构只能选择如图2所示的NPT型结构，该结构不仅漂移区厚度大，并且导通时载流子浓度低，导致器件的正向导通压降很大。关断时，有大量的过剩载流子，拖尾时间长，导致器件的关断功耗大。与常规的RB-IGBT相比，本发明提供的双面场截止带埋层RB-IGBT器件在N^—漂移区91与P型基区41之间引入了正面N型场截止层51，可以在反向阻断时截止电场，背面N型场截止层111与N^—漂移区9之间引入了背面P型埋层101，可以有效提高器件的反向阻断耐压；在N^—漂移区91与P⁺集电区121之间引入了背部N型场截止层111，可以在正向阻断时截止电场，正面N型场截止层51与N^—漂移区9之间引入了正面P型埋层81，可以有效提高器件的正向阻断耐压。该结构使正向和反向阻断状态下的电场都由三角形转为梯形分布，正面N型截止层51还有利于提高器件导通状态时载流子浓度水平，可以大幅降低器件的导通压降和关断功耗。

图4为本发明提出的双面场截止层带埋层的RB-IGBT器件的正反向阻断电压I-V特性图，显示其正反向阻断电压都超过了600V的设计指标。

图5为常规RB-IGBT器件和本发明提出的双面场截止带埋层RB-IGBT器件元胞中央处纵向载流子浓度的对比。从图中可以看出与常规RB-IGBT器件相比，本发明提出的双面场截止带埋层RB-IGBT器件的正面场截止层在正向导通时起到了载流子存储层的作用，大幅提高了N^—漂移区的载流子浓度，增强了器件的体内电导调制。

图6为常规RB-IGBT器件和本发明提出的双面场截止带埋层RB-IGBT器件的正向导通I-V特性，从图中可以看出与常规RB-IGBT器件结构相比，本发明大幅减低了器件的正向导通压降。

Claims

1.一种双面场截止带埋层的RB-IGBT器件，包括P⁺集电区（121），位于P⁺集电区（121）背面的金属阳电极（131），位于P⁺集电区（121）正面的N^—漂移区（91），位于N^—漂移区（91）上方的P型基区（41），P型基区（41）表面具有P⁺欧姆接触区（21）和N⁺源区（31），与P⁺欧姆接触区（21）和N⁺源区（31）表面均接触的金属阴极电极（11）；还包括多晶硅栅电极（61），多晶硅栅电极（61）与P型基区（41）和N⁺源区（31）之间具有栅氧化层（71）；其特征在于，所述P型基区（41）与N^—漂移区（91）之间还具有正面N型场截止层（51），所述P⁺集电区（121）与N^—漂移区（91）之间还具有背面N型场截止层（111）；同时，在正面N型场截止层（51）下方的N^—漂移区（91）中具有与正面N型场截止层（51）相接触的正面P型埋层（81），在背面N型场截止层（111）上方的N^—漂移区（91）中具有与背面N型场截止层（111）相接触的背面P型埋层（101）。

2.根据权利要求1所述的双面场截止带埋层的RB-IGBT器件，其特征在于，所述正面N型场截止层（51）和背面N型场截止层（111）的厚度及掺杂浓度可根据器件设计需要进行调整；所述正面P型埋层（81）的掺杂量与正面N型场截止层（51）的掺杂量相匹配，以形成相互补偿效应；所述背面P型埋层（101）的掺杂量与背面N型场截止层（111）的掺杂量相匹配，以形成相互补偿效应。

3.根据权利要求1或2所述的双面场截止带埋层的RB-IGBT器件，其特征在于，所述正面P型埋层（81）与背面P型埋层（101）上下对称设置。

4.根据权利要求1或2所述的双面场截止带埋层的RB-IGBT器件，其特征在于，所述正面P型埋层（81）与背面P型埋层（101）上下非对称设置。

5.根据权利要求1至4中任一所述的双面场截止带埋层的RB-IGBT器件，其特征在于，所述P⁺集电区（121）为电场终止结构、透明阳极结构或阳极短路结构。

6.根据权利要求1至4中任一所述的双面场截止带埋层的RB-IGBT器件，其特征在于，所述多晶硅栅电极（61）与栅氧化层（71）形成平面栅结构或沟槽栅结构。

7.根据权利要求1至4中任一所述的双面场截止带埋层的RB-IGBT器件，其特征在于，所述金属阳电极（131）和金属阴电极（11）的材料为铝、铜或其他合金材料。

8.根据权利要求1至4中任一所述的双面场截止带埋层的RB-IGBT器件，其特征在于，所述双面场截止带埋层的RB-IGBT器件的半导体材料为硅、碳化硅、砷化镓或者氮化镓。