CN103579323A - 一种宽元胞绝缘栅双极型晶体管 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体技术，具体的说是涉及一种适用于脉冲功率应用的绝缘栅双极型晶体管。本发明的一种宽元胞绝缘栅双极型晶体管，其元胞结构包括由阳极9与阳极区5组成的阳极结构、位于阳极区5上的N型漂移区4和位于N型漂移区4上的栅极7与阴极8，所述N型漂移区4中设置有P型基区3，所述P型基区3中设置有N型源区1和P型阴极区2，其特征在于，所述N型源区1的宽度为50～200μm，所述P型基区3的掺杂浓度为1×1013～8×1013cm-2。本发明的有益效果为，提供了具有高峰值电流能力和高电流增长能力的WC-IGBT器件，解决了IGBT不能很好适应于脉冲功率应用领域的问题。本发明尤其适用于脉冲功率应用的绝缘栅双极型晶体管。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术，具体的说是涉及一种适用于脉冲功率应用的绝缘栅双极型晶体管。
背景技术
功率半导体器件作为开关器件，可以应用于电力电子领域和脉冲功率领域两个方面。在电力电子领域，常规绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，简称：IGBT）因其优越的性能被作为开关器件得到广泛的应用。在电力电子应用领域中，为了防止IGBT器件中寄生晶闸管闩锁，从而提高器件正向安全工作区（SOA），其器件技术的发展趋势是采用更小的线宽以实现更小的器件原胞（元胞）尺寸，同时采用更低的P型基区掺杂浓度等。与此同时，研究者们也提出一些新器件结构和工艺技术以实现更低的饱和电流能力，满足常规IGBT器件更高SOA能力需求。例如在P型基区和N型漂移区之间采用一层介质隔离层以阻隔部分空穴电流通路（李泽宏，专利《一种抗闩锁效应的绝缘栅双极型晶体管》，电子科技大学）。
然而在脉冲功率领域中，则要求开关器件具备极高的峰值电流能力和电流上升率（di/dt）。由于常规IGBT要兼顾正向导通压降与开关速度的矛盾关系，其电荷调制程度需要折中处理（也就意味着其少子注入有限，避免其过高的开关损耗），这就使得在高电流密度下具有较大的正向压降，不适合在大电流情况下应用。更为重要的是，如上所述，常规IGBT由于具有电流饱和特性，从而大大限制了其峰值电流能力。这些特性使得常规IGBT在高功率脉冲领域应用有限。另一种MOS控制双极型器件，MOS场控晶闸管（MOS Controlled Thyristor，简称：MCT）在脉冲功率领域得到广泛的应用。但该类存在一些缺点：比如该器件是常开器件，器件关断时需要给栅极提供负电压，这不仅增加了系统复杂性，而且也给系统安全带来了潜在危险；同时该器件的三重扩散的制作工艺使它的制作变得复杂，制作成本高、成品率低等。
发明内容
本发明所要解决的，就是针对上述常规IGBT由于具有电流饱和特性，不能很好适应于脉冲功率应用领域，提出一种适于脉冲功率应用的宽元胞绝缘栅双极型晶体管。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种宽元胞绝缘栅双极型晶体管，其元胞结构包括由阳极9与阳极区5构成的阳极结构、位于阳极区5上的N型漂移区4和位于N型漂移区4上的栅极7与阴极8，所述N型漂移区4中设置有P型基区3，所述P型基区3中设置有N型源区1和P型阴极区2，其特征在于，所述N型源区1的宽度为50～200μm，所述P型基区3的掺杂浓度为1×1013～8×1013cm-2。
本发明总的技术方案，提出的WC-IGBT采用了更大尺寸的元胞设计，其发射极宽度是常规IGBT的十倍到几十倍，并减小P型基区的掺杂浓度，使WC-IGBT器件在正向耐压（小电流）时保持常规IGBT的工作模式，而在正向导通（大电流）时则能够迅速从IGBT模式进入晶闸管闩锁模式，实现高峰值电流能力和电流上升率，满足脉冲功率应用。
具体的，所述N型源区1的宽度为142μm，所述P型基区3的掺杂浓度为5.32×1013cm-2。
本发明的有益效果为，提供了具有高峰值电流能力和高电流增长能力的WC-IGBT器件，解决了IGBT不能很好适应于脉冲功率应用领域的问题；同时具有同类型的脉冲功率器件MCT所不具备的常关功能和更少次的扩散的制作工艺。它基本可以完全利用现有成熟的商用IGBT制作工艺，为商用生产提供了有利条件。
附图说明
图1是本发明的绝缘栅双极型晶体管的结构示意图；
图2是本发明的绝缘栅双极型晶体管的等效电路图；
图3是传统的绝缘栅双极型晶体管的结构示意图；
图4是传统的绝缘栅双极型晶体管的等效电路图；
图5是常规的MCT结构示意图；
图6是常规IGBT导通状态下的电子运动矢量示意图；
图7是WC-IGBT开始发生闩锁时的电子运动矢量示意图；
图8是常规的MCT、常规IGBT与本发明的WC-IGBT阻断特性曲线示意图；
图9是常规的MCT、常规IGBT与本发明的WC-IGBT导通特性曲线示意图；
图10是测试WC-IGBT电容放电特性曲线的测试电路图；
图11是本发明的WC-IGBT电容放电特性曲线示意图；
图12是本发明的WC-IGBT的一种方形元胞版图示意图；
图13是沿图12中剖面线的剖面示意图；
图14是本发明提供的WC-IGBT一种长条形元胞版图示意图；
图15是沿图14中剖面线1的剖面示意图；
图16是沿图14中剖面线2的剖面示意图；
图17是沿图14中剖面线3的剖面示意图；
其中，P-Well边界是指考虑横向扩散以后的P-Well实际边界，P-Well窗口则与N+窗口相同。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，详细描述本发明的技术方案：
如图1所示，本发明提供的宽元胞绝缘栅双极型晶体管，其特征是在常规IGBT制作工艺上对阴极结构进行改进，阴极结构远远宽于常规IGBT，采用了更大尺寸的N型源区1，宽度在50μm到200μm之间；并减小P型基区3的掺杂浓度，使其浓度剂量在1×1013cm-2到8×1013cm-2之间。本发明的绝缘栅双极型晶体管的等效电路图如图2所示，器件在正向耐压工作状态（小电流）下，与常规IGBT工作模式相同，常规IGBT结构如图3所示，等效电路图如图4所示，内部是一个PNP晶体管在工作；在正向导通工作状态（大电流）下，内部NPNP晶闸管进入闩锁状态，器件工作在晶闸管闩锁模式。
本发明提供的宽元胞绝缘栅双极型晶体管，其阴极结构可与现有各种半导体功率器件的阳极结构、漂移区结构相结合，组合出具有本发明所述阴极结构的宽元胞绝缘栅双极型晶体管。
本发明提供的宽元胞绝缘栅双极型晶体管，其工作原理如下：
在所述的宽元胞绝缘栅双极型晶体管（WC-IGBT）的阳极9加正电压，阴极8加零电压，栅极7加零电压。P型基区3中积累的空穴直接被阴极8所抽走。则器件关断，进入正向耐压状态。由于耐压仅取决于漂移区的长度和其掺杂浓度，所以其耐压效果与同样漂移区的IGBT基本相同。
将所述的WC-IGBT的栅极7上的零电压转为正电压，则栅极7下方的P型基区3表面产生N型沟道。阴极8电子注入到N型漂移区4中，使得由阳极区5、N型漂移区4、P型基区3组成的PNP晶体管获得基极电流而被打开。该PNP晶体管的集电极电流（空穴电流）横向流过P型基区3被阴极抽走。这股横向电流在P型基区3中产生了横向压降。当阳极电压升高，使电流增大时，该横向压降也相应升高。当横向压降高于由P型基区3和N型源区1组成的PN结的势垒电压时，该PN结离N型源区1开口的远端被开启。由于该PN结部分被开启，使得电流急剧增大，该pn结的其他区域按与N型源区1开口的距离远近逐渐被开启，直到整个PN结被开启。此时，由N型源区1、P型基区3、N型漂移区4和阳极区5组成的NPNP晶闸管结构10进入闩锁状态，器件开启，进入正向导通状态。
实施例：
以耐压为1300V的常规结构IGBT和本发明提供的WC-IGBT为例进行仿真比较，直观地展示出本发明结构相对于常规IGBT在脉冲功率应用领域所具有的性能优势。常规的MCT结构如图5所示，本发明提供的WC-IGBT采用的N型源区宽度为142μm，P型基区掺杂浓度剂量为5.32×1013cm-2，本例中的元胞结构可以为方形结构或长条形结构，方形结构如如图12和图13所示，长条形结构如图14-图17所示。如图11所示，由于在WC-IGBT导通状态下内部晶闸管处于闩锁状态，WC-IGBT有着远远高于常规IGBT的峰值电流。常规IGBT导通状态下的电子运动矢量如图6所示；图7是本例的WC-IGBT开始发生闩锁时的电子运动矢量示意图。测试电路图如图10所示，电源电压为1000V，电容C为0.2μF，电感L为5nH，栅电阻Rg为4.7Ω。在器件有源区面积为0.6cm2时，WC-IGBT（元胞的N型源区宽度为142μm）的峰值电流达到了5200A，而同条件下常规IGBT（元胞的N型源区宽度为2μm）的峰值电流只有480A。并实现了WC-IGBT的平均电流上升率达到1.05×105A/μs，而常规IGBT的电流上升率为5.23×103A/μs。可以看到，WC-IGBT的电流上升率是常规IGBT的电流上升率的二十倍。大的峰值电流以及高的电流上升率(di/dt)都更好地满足了脉冲功率应用领域的需求。
再以耐压为1300V的常规结构MCT和本发明提供的WC-IGBT为例进行仿真比较，展示出本发明结构的相比于广泛使用的脉冲器件常规MCT性能的改进。如图8所示，由于有阴极短路结构，在栅压等于0V时，WC-IGBT具有1400V的耐压。而常规MCT在栅压等于0V时，只有0.7V的耐压。只有当栅压达到-10V时，常规MCT才与WC-IGBT的阻断特性相当。而在开启两种器件时，如图9所示，WC-IGBT在阳极电压逐渐增加的过程中有一段负阻区，这是由于PN结在横向上的不同区域逐渐开启导致的，而常规MCT并无此效应。WC-IGBT在通过负阻区后常规MCT有着基本相似的导通特性。
以图1所示的器件结构为例，其制造方法包括以下步骤：
第一步：根据耐压选择N型衬底，并制作结终端。
第二步：热氧生长栅氧6，淀积栅极金属/多晶硅，形成栅极7。
第三步：注入P并推结形成P型基区3。
第四步：注入N形成N型源区1，注入P形成P型阴极区2
第五步：分别淀积SiO2等绝缘介质层、刻蚀欧姆孔。
第六步：淀积金属层，形成阴极8及互联，淀积钝化层。
第七步：衬底背面减薄、抛光，注入P+并进行离子激活，形成阳极区5。
第八步：背金，形成阳极9。
应当说明，本发明的核心发明点在于针对于脉冲功率应用对IGBT器件结构进行了改进，提出了WC-IGBT结构。说明书中所举仿真结果只为更具体明了的阐述本发明所具有的优势，并不代表已经达到了最优值，本领域技术人员可以通过对本发明结构各参数的优化来获得更好地结果。本发明中结构的制备工艺具有很多种变化，本发明中提供的制备方法仅为实现该结构的一种途径。本发明不可能也没用必要将一一逐级，但本领域技术人员应当理解在本发明的基础上所作出的各种结构或工艺上的变化，均在本发明申请保护的范围之内。
Claims (2)
1.一种宽元胞绝缘栅双极型晶体管，其元胞结构包括由阳极（9）与阳极区（5）构成的阳极结构、位于阳极区（5）上的N型漂移区（4）和位于N型漂移区（4）上的栅极（7）与阴极（8），所述N型漂移区（4）中设置有P型基区（3），所述P型基区（3）中设置有N型源区（1）和P型阴极区（2），其特征在于，所述N型源区（1）的宽度为50～200μm，所述P型基区（3）的掺杂浓度为1×1013～8×1013cm-2。
2.根据权利要求1所述的一种宽元胞绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，所述N型源区（1）的宽度为142μm，所述P型基区（3）的掺杂浓度为5.32×1013cm-2。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: INSTITUTE OF ELECTRONIC AND INFORMATION ENGINEERIN Effective date: 20140730 |
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| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20140730 Address after: 611731 Chengdu province high tech Zone (West) West source Avenue, No. 2006 Applicant after: University of Electronic Science and Technology of China Applicant after: Institute of Electronic and Information Engineering In Dongguan, UESTC Address before: 611731 Chengdu province high tech Zone (West) West source Avenue, No. 2006 Applicant before: University of Electronic Science and Technology of China |
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