CN103928507A - 一种逆导型双栅绝缘栅双极型晶体管 - Google Patents

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Abstract

本发明提供能够改善逆导型绝缘栅双极型晶体管电流回跳现象，并且提高关断速率，改善耐压的半导体器件。该半导体具备：P型衬底上设有埋氧层，其上设有漂移区，漂移区包含对角设置的第一N型漂移区与第一P型漂移区，以及对角设置的第二N型漂移区与第二P型漂移区；在第一N型漂移区和第二P型漂移区内设有P型体区，在P型体区内设有N型发射极区和P型集电极区，以及用于连接两者的阴极金属，且在P型体区的上表面上设有阴极栅氧化层及阴极多晶硅层；在第一P型漂移区与第二N型漂移区内设有N型体区，在N型体区内设有N型集电极区和P型发射极区，以及用于连接两者的阳极金属，且在N型体区的上表面上设有阳极栅氧化层及阳极多晶硅层。

Description

一种逆导型双栅绝缘栅双极型晶体管
技术领域
本发明主要涉及功率半导体器件技术领域，具体来说，是一种逆导型双栅绝缘栅双极型晶体管，特别适用于大功率集成电路如变频调速、电力牵引、变频家电、半桥驱动电路以及汽车生产等领域。
背景技术
绝缘栅双极型晶体管IGBT是MOS栅器件结构与双极型晶体管结构相结合进化而成的复合型功率器件，同时具备MOS管与双极型晶体管的特点，具有良好的通态电流和开关
损耗之间的折中关系。绝缘体上硅横向绝缘栅双极型晶体管(SOI-Lateral Insulated Gate Bipolar Transistor, SOI-LIGBT)是一种典型的基于SOI工艺的器件，具有易于集成、耐压高、驱动电流能力强、开关速度快等优点，在功率集成电路中得到了广泛应用。由于SOI-LIGBT用作功率集成电路中的功率开关管，其开关速度决定着整个电路的开关速度，对于电路的性能起着决定性的作用；另一方面，其功率损耗决定了整个系统的损耗。因此，提高SOI-LIGBT的开关速率、降低SOI-LIGBT导通压降、降低SOI-LIGBT关断损耗是其主要发展方向，对功率集成电路的设计具有十分重要的意义。
此外，逆导型 IGBT 是当前国际上一种新型的 IGBT器件，最早提出于1988 年，它是将传统的IGBT元胞结构与FRD元胞结构巧妙集成于同一芯片，提供了一个紧凑的电流泄放电路。普通RC-LIGBT的结构如图1所示。它具有较好的正向导通压降和开关损耗之间的折中关系，近年来受到广泛的关注。但是其也存在着非常严重的电流回跳现象。当多个LIGBT器件并联时，若器件存在电流回跳现象，会导致单一器件电流密度过大而烧毁的现象，不利于LIGBT器件的实际应用。
发明内容
本发明针对上述问题，提出了一种逆导型双栅绝缘栅双极型晶体管。该结构可以显著降低器件的正向导通压降、提高器件的电流能力、且消除了电流回跳现象，同时提高器件的开关速率，降低器件的关断损耗，又提高了器件的耐压。 
本发明提供如下技术方案：
一种逆导型双栅绝缘栅双极型晶体管，包括：一种逆导型双栅绝缘栅双极型晶体管，包括：P型衬底和场氧层，在P型衬底上设有埋氧，在埋氧上设有漂移区，其特征在于，所述漂移区包括第一N型漂移区、第一P型漂移区、第二N型漂移区及第二P型漂移区，所述第一N型漂移区与第一P型漂移区对角设置，所述第二N型漂移区与第二P型漂移区对角设置，
在第一N型漂移区和第二P型漂移区内设有P型体区，在P型体区内设有重掺杂的N型发射极区和重掺杂的P型集电极区，并且，重掺杂的N型发射极区位于第一N型漂移区的上方，重掺杂的P型集电极区位于第二P型漂移区的上方，在重掺杂的N型发射极区和重掺杂的P型集电极区上设有用于连接重掺杂的N型发射极区和重掺杂的P型集电极区的阴极金属，在P型体区的上表面上设有阴极栅氧化层且阴极栅氧化层位于第一N型漂移区的上方，阴极栅氧化层向外延伸且边界分别落在重掺杂的N型发射极区、重掺杂的P型集电极区、P型体区及第一N型漂移区上，在阴极栅氧化层上设有阴极多晶硅层，在所述阴极栅氧化层与阴极金属之间留有间隙，
在第一P型漂移区与第二N型漂移区内设有N型体区，在N型体区内设有重掺杂的N型集电极区和重掺杂的P型发射极区，并且，重掺杂的N型集电极区位于第二N型漂移区的上方，重掺杂的P型发射极区位于第一P型漂移区的上方，在重掺杂的N型集电极区和重掺杂的P型发射极区上设有用于连接重掺杂的N型集电极区和重掺杂的P型发射极区的阳极金属，在N型体区的上表面上设有阳极栅氧化层且阳极栅氧化层位于第一P型漂移区的上方，阳极栅氧化层向外延伸且边界分别落在重掺杂的P型发射极区、重掺杂的N型集电极区、N型体区及第一P型漂移区上，在阳极栅氧化层上设有阳极多晶硅层，在所述阳极栅氧化层与阳极金属之间留有间隙，
所述场氧层覆盖在重掺杂的N型发射极区、阴极多晶硅层、重掺杂的P型集电极区、P型体区、第二P型漂移区、第一N型漂移区、第一P型漂移区、第二N型漂移区、N型体区、重掺杂的N型集电极区、重掺杂的P型发射极区及阳极多晶硅层上，在阴极多晶硅层及阳极多晶硅层上分别连接有阴极栅金属电极和阳极栅金属电极；
其特征在于第一N型漂移区的掺杂浓度高于第二N型漂移区的掺杂浓度，第一P型漂移区的掺杂浓度高于第二P型漂移区的掺杂浓度，其掺杂浓度比值范围为3:1~106:1。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明提供了一种逆导型双栅绝缘栅双极型晶体管，当器件正向导通时，由于第一N型漂移区的掺杂浓度高于第二N型漂移区的掺杂浓度，第一P型漂移区的掺杂浓度高于第二P型漂移区的掺杂浓度，所以N型漂移区靠近P型体区一侧的电阻较小，靠近N型体区一侧的电阻较大，相反的，P型漂移区靠近P型体区一侧的电阻较大，靠近N型体区一侧的电阻较小。若选择的掺杂浓度合适，当阳极加正偏压，且双栅开启时，可在漂移区中部形成较强的电导调制效应，大幅降低导通电阻，提高器件电流能力。
器件开启时，阴极栅电极加正电压，阳极栅电极加负电压，器件两侧形成两个反型沟道层，电子和空穴分别从两侧注入，从边缘延伸到第二N型漂移区和第二P型漂移区的两个栅极形成了更大的发射极注入面积，同时也提供了额外的两个空穴和电子传输通道，使器件更容易在中部形成电导调制效应，降低了器件的正向导通压降。并且由于双栅同时开启，空穴电子同时从器件两端注入，故不存在普通RC-LIGBT中的电流回跳现象。
器件关断时，双栅同时关闭，漂移区的空穴和电子分别从P型集电极区和N型集电极区抽走，尾电流效应大幅减弱，关断时间大幅缩短，关断损耗降低。
在器件中部，第一N型漂移区和第二N型漂移区以及第一P型漂移区和第二P型漂移区的并联形成了超结结构，使内部电场分布趋于均匀分布，提高了器件耐压。
故本发明器件不仅显著降低器件的正向导通压降、提高了器件的电流能力、并且无电流回跳现象，同时提高了器件的开关速率，降低了器件的关断损耗，又提高了器件的耐压。
附图说明
图1所示为普通横向缘栅双极型晶体管的器件剖面结构图。
图2所示为本发明逆导型双栅绝缘栅双极型晶体管的结构三维图。
图3所示为本发明结构去掉场氧层后的三维图。
图4所示为本发明结构与传统结构的I-V曲线对比图。
图5是本发明结构正向导通时的电势分布图。
图6是正向导通时本发明结构P型漂移区载流子浓度分布。
图7是正向导通时本发明结构N型漂移区载流子浓度分布。
图8是本发明结构与传统结构的关断电压、电流图。
图9是本发明结构与传统结构的耐压比较图。  
具体实施方式
下面结合图2，对本发明做详细说明，一种逆导型双栅绝缘栅双极型晶体管，包括：一种逆导型双栅绝缘栅双极型晶体管，包括：P型衬底1和场氧层19，在P型衬底1上设有埋氧2，在埋氧2上设有漂移区，其特征在于，所述漂移区包括第一N型漂移区3、第一P型漂移区4、第二N型漂移区17及第二P型漂移区18，所述第一N型漂移区3与第一P型漂移区4对角设置，所述第二N型漂移区17与第二P型漂移区18对角设置，
在第一N型漂移区3和第二P型漂移区18内设有P型体区5，在P型体区5内设有重掺杂的N型发射极区6和重掺杂的P型集电极区7，并且，重掺杂的N型发射极区6位于第一N型漂移区3的上方，重掺杂的P型集电极区7位于第二P型漂移区18的上方，在重掺杂的N型发射极区6和重掺杂的P型集电极区7上设有用于连接重掺杂的N型发射极区6和重掺杂的P型集电极区7的阴极金属15，在P型体区5的上表面上设有阴极栅氧化层11且阴极栅氧化层11位于第一N型漂移区3的上方，阴极栅氧化层11向外延伸且边界分别落在重掺杂的N型发射极区6、重掺杂的P型集电极区7、P型体区5及第一N型漂移区3上，在阴极栅氧化层11上设有阴极多晶硅层13，在所述阴极栅氧化层11与阴极金属15之间留有间隙，
在第一P型漂移区4与第二N型漂移区17内设有N型体区8，在N型体区8内设有重掺杂的N型集电极区9和重掺杂的P型发射极区10，并且，重掺杂的N型集电极区9位于第二N型漂移区17的上方，重掺杂的P型发射极区10位于第一P型漂移区4的上方，在重掺杂的N型集电极区9和重掺杂的P型发射极区10上设有用于连接重掺杂的N型集电极区9和重掺杂的P型发射极区10的阳极金属16，在N型体区8的上表面上设有阳极栅氧化层12且阳极栅氧化层12位于第一P型漂移区4的上方，阳极栅氧化层12向外延伸且边界分别落在重掺杂的P型发射极区10、重掺杂的N型集电极区9、N型体区8及第一P型漂移区4上，在阳极栅氧化层12上设有阳极多晶硅层14，在所述阳极栅氧化层12与阳极金属16之间留有间隙，
所述场氧层19覆盖在重掺杂的N型发射极区6、阴极多晶硅层13、重掺杂的P型集电极区7、P型体区5、第二P型漂移区18、第一N型漂移区3、第一P型漂移区4、第二N型漂移区17、N型体区8、重掺杂的N型集电极区9、重掺杂的P型发射极区10及阳极多晶硅层14上，在阴极多晶硅层13及阳极多晶硅层14上分别连接有阴极栅金属电极20和阳极栅金属电极21。
所述第一N型漂移区3的掺杂浓度高于第二N型漂移区17的掺杂浓度，第一P型漂移区4的掺杂浓度高于第二P型漂移区18的掺杂浓度，其掺杂浓度比值范围为3:1~106:1。
下面结合附图对本发明进行进一步说明。
本发明的工作原理：
器件的两个N型和P型基区均采用不均匀的浓度分布方案，第一N型漂移区的掺杂浓度高于第二N型漂移区的掺杂浓度，第一P型漂移区的掺杂浓度高度第二P型漂移区的掺杂浓度，且两者的掺杂浓度比例大致为3:1~106:1之间，所以N型基区靠近P型体区5一侧的电阻较小，设为R 1 ，靠近N型体区8一侧的电阻较大，设为R 2 ，相反的，P型基区靠近P型体区5一侧的电阻较大，设为R 3 ，靠近N型体区8一侧的电阻较小，设为R 4 。即
R 1 ＜R 2 ，R 3 ＞R 4
若选择的掺杂浓度合适，当阳极加正偏压V dd ，且双栅开启时，器件导通，有电流流过，由于电子迁移率大于空穴迁移率，则N型基区一侧的电流I 1 略大于P型基区一侧的电流I 2 。即
I 1 ＞I 2
所以，加上由于电阻分压的效果，我们可以得到
I 1  R 2 ＞I 2  R 3 ＞I 1  R 1 ＞I 2  R 4
即靠近阳极栅处，P型基区上的压降低于N型基区上的压降，P型基区上的电势高于N型基区上的电势；在靠近阴极栅处，P型基区上的压降高于N型基区上的压降，P型基区上的电势高于N型基区上的电势。当所选取的掺杂浓度合适时，P型基区的电势比N型基区的电势高0.7V，则两种掺杂的基区之间形成的PN结便开启了，空穴电子相互流通，使器件形成了较强的电导调制效应，大幅降低基区电阻，提高了电流密度。
另外，从边缘延伸到第二N型漂移区和第二P型漂移区的两个栅极形成了更大的发射极注入面积，同时也提供了额外的两个空穴和电子传输通道，使器件更容易在中部形成电导调制效应，进一步降低了器件的正向导通压降。
器件导通时，阴极栅和阳极栅同时开启，阴极栅电极加正电压，阳极栅电极加负电压，则在阴极栅下方形成N型反型层，同时在阳极栅下方形成P型反型层，电子和空穴分别同时从N型发射极区和P型发射极区通过N型反型层和P型反型层注入，故不存在普通RC-LIGBT中的电流回跳现象。
当器件关断时，阴极栅和阳极栅同时关闭，反型层消失。基区的电子和空穴分别从器件两侧的N型集电极区和P型集电极区被快速抽走，尾电流效应减弱，关断时间缩短，关断损耗降低。
在器件中部，第一N型漂移区和第二N型漂移区以及第一P型漂移区和第二P型漂移区的并联形成了超结结构，在器件关断状态时，N型漂移区电荷和P型漂移区电荷相互补偿，使得耐压区几乎可等效为掺杂浓度极低的本征半导体，因此提高了器件的耐压能力。
故本发明器件不仅显著降低器件的正向导通压降、提高了器件的电流能力、并且消除了电流回跳现象，同时提高了器件的开关速率，降低了器件的关断损耗，又提高了器件的耐压。
为了验证本发明的好处，本专利通过半导体器件仿真软件Sentaurus Tcad对结构进行了对比仿真，如图4~图9所示。图4为本发明结构与传统结构的I-V曲线对比图，由图可见本发明结构的导通电流能力比传统结构强，并且本发明结构无电流回跳现象，而传统结构的电流回跳现象比较严重。图5为本发明结构正向导通时的电势分布图，由图可见器件水平方向上P型漂移区的电势高于N漂移区的电势，器件中部PN结开启，形成大注入，使其导通压降大幅降低。图6与图7分别为正向导通时本发明结构P型漂移区和N型漂移区中载流子浓度分布图，载流子浓度较高的一侧均为靠近栅（靠近N型体区或P型体区）的一侧，这种载流子浓度分布会使得LIGBT关断损耗小，导通压降和关断损耗之间的折中关系好。图8为本发明结构与传统器件的关断时电流与电压的对比图，由图可见本发明结构器件的关断时间更短，拖尾电流更小，故关断损耗更低。图9为本发明结构与传统器件的耐压比较图，由图可见本发明结构的耐压提高了大约100伏左右。
综上所述，本发明结构可以提高LIGBT器件的导通电流能力，降低导通压降，并且消除了电流回跳现象，同时降低拖尾电流，降低关断损耗，又提高了器件的耐压。

Claims (2)

1.一种逆导型双栅绝缘栅双极型晶体管，包括：P型衬底（1）和场氧层（19），在P型衬底（1）上设有埋氧（2），在埋氧（2）上设有漂移区，其特征在于，所述漂移区包括第一N型漂移区（3）、第一P型漂移区（4）、第二N型漂移区（17）及第二P型漂移区（18），所述第一N型漂移区（3）与第一P型漂移区（4）对角设置，所述第二N型漂移区（17）与第二P型漂移区（18）对角设置，
在第一N型漂移区（3）和第二P型漂移区（18）内设有P型体区（5），在P型体区（5）内设有重掺杂的N型发射极区（6）和重掺杂的P型集电极区（7），并且，重掺杂的N型发射极区（6）位于第一N型漂移区（3）的上方，重掺杂的P型集电极区（7）位于第二P型漂移区（18）的上方，在重掺杂的N型发射极区（6）和重掺杂的P型集电极区（7）上设有用于连接重掺杂的N型发射极区（6）和重掺杂的P型集电极区（7）的阴极金属（15），在P型体区（5）的上表面上设有阴极栅氧化层（11）且阴极栅氧化层（11）位于第一N型漂移区（3）的上方，阴极栅氧化层（11）向外延伸且边界分别落在重掺杂的N型发射极区（6）、重掺杂的P型集电极区（7）、P型体区（5）及第一N型漂移区（3）上，在阴极栅氧化层（11）上设有阴极多晶硅层（13），在所述阴极栅氧化层（11）与阴极金属（15）之间留有间隙，
在第一P型漂移区（4）与第二N型漂移区（17）内设有N型体区（8），在N型体区（8）内设有重掺杂的N型集电极区（9）和重掺杂的P型发射极区（10），并且，重掺杂的N型集电极区（9）位于第二N型漂移区（17）的上方，重掺杂的P型发射极区（10）位于第一P型漂移区（4）的上方，在重掺杂的N型集电极区（9）和重掺杂的P型发射极区（10）上设有用于连接重掺杂的N型集电极区（9）和重掺杂的P型发射极区（10）的阳极金属（16），在N型体区（8）的上表面上设有阳极栅氧化层（12）且阳极栅氧化层（12）位于第一P型漂移区（4）的上方，阳极栅氧化层（12）向外延伸且边界分别落在重掺杂的P型发射极区（10）、重掺杂的N型集电极区（9）、N型体区（8）及第一P型漂移区（4）上，在阳极栅氧化层（12）上设有阳极多晶硅层（14），在所述阳极栅氧化层（12）与阳极金属（16）之间留有间隙，
所述场氧层（19）覆盖在重掺杂的N型发射极区（6）、阴极多晶硅层（13）、重掺杂的P型集电极区（7）、P型体区（5）、第二P型漂移区（18）、第一N型漂移区（3）、第一P型漂移区（4）、第二N型漂移区（17）、N型体区（8）、重掺杂的N型集电极区（9）、重掺杂的P型发射极区（10）及阳极多晶硅层（14）上，在阴极多晶硅层（13）及阳极多晶硅层（14）上分别连接有阴极栅金属电极（20）和阳极栅金属电极（21）。
2.根据权利要求1所述的一种逆导型双栅绝缘栅双极型晶体管，其特征在于第一N型漂移区（3）的掺杂浓度高于第二N型漂移区（17）的掺杂浓度，第一P型漂移区（4）的掺杂浓度高于第二P型漂移区（18）的掺杂浓度，其掺杂浓度比值范围为3:1~106:1。
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