CN105023943B - 一种纵向rc‑igbt器件 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体技术领域，具体的说涉及一种纵向RC‑IGBT器件。本发明的器件，在传统的器件结构上，在集电极结构中设置了N型电阻区11，由于薄N电阻区11区域很薄具有大的阻抗，在器件刚开始正向导通时，在较小的电流下就会在薄N电阻区11上产生较大的压降，从而使P+集电区9与N型电场阻止层8之间将产生电压差，使器件从MOSFET模式转换到IGBT模式。本发明提出的新结构可以在极小的电流下完成从MOSFET模式到IGBT模式的转换，因而在导通过程中不会出现snapback现象。在续流二极管模式下，P型基区与N‑漂移区形成的PN结处于正偏状态下，当压降超过J1开启电压后器件导通，可以传导电流。因此，本发明提供的横向RC‑IGBT器件，完全消除了传统RC‑IGBT正向导通过程中的Snapback现象。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体的说涉及一种纵向RC-IGBT(逆导型绝缘栅双极型晶体管)器件。
背景技术
绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是一种MOS场效应和双极型晶体管复合的新型电力电子器件。它既有MOSFET易于驱动，控制简单的优点，又有功率晶体管导通压降低，通态电流大，损耗小的优点，已成为现代电力电子电路中的核心电子元器件之一，广泛地应用在诸如通信、能源、交通、工业、医学、家用电器及航空航天等国民经济的各个领域。IGBT的应用对电力电子系统性能的提升起到了极为重要的作用。
在电力电子系统中，IGBT通常需要搭配续流二极管(Free Wheeling Diode)使用以确保系统的安全稳定。因此在传统IGBT模块或单管器件中，通常会有FWD与其反向并联，该方案不仅增加了器件的个数，模块的体积及生产成本，而且封装过程中焊点数的增加会影响器件的可靠性，金属连线所产生的寄生效应还影响器件的整体性能。
为了解决这一问题，文献(Takahash,H；Yamamoto,A；Aono,S；Minato,T.1200VReverse Conducting IGBT.Proceedings of 2004International Symposium on PowerSemiconductor Devices&ICs,2004,pp.24-27)提出了逆导型IGBT(Reverse ConductingIGBT)，成功地将续流二极管集成在IGBT内部。其结构如图1所示，相比于传统无续流能力的IGBT，其特性在于其背部制作了与集电极金属电极3连接的N+集电极短路区10，该区域同器件中P型基区5和N-漂移区7形成了二极管结构，在续流模式下该寄生二极管导通电流。然而背部N+集电极短路区10的引入给器件的正向导通特性造成了不利影响。由图1可见，器件结构中N+源区4、P型基区5、漂移区7和背部N型区10形成了寄生VDMOS结构。当器件正向导通时，在小电流条件下，背部P型集电区9与N型电场阻止层8形成的PN结J2由于压降不足无法开启，此时器件呈现出VDMOS特性。只有当电流增大到一定程度，使得J2压降高于该PN结开启电压后，P+型集电区9才会向N-漂移区中7注入空穴，形成电导调制效应，此时随着电流的提高，器件的正向压降会迅速下降，使得器件电流-电压曲线呈现出折回(Snapback)现象。在低温条件下Snapback现象更加明显，这会导致器件无法正常开启，严重影响电力电子系统的稳定性。
发明内容
本发明所要解决的，就是为了抑制传统纵向RC-IGBT的Snapback现象，提高器件的可靠性，提出一种纵向RC-IGBT器件。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种纵向RC-IGBT器件，如图2所示，其元胞结构包括N型漂移区7、位于N型漂移区7上层的的发射极结构和栅极结构、位于N型漂移区7下层的集电极结构；所述发射极结构包括金属发射极1、P型基区5和N+发射区4，所述P型基区5位于N型漂移区7顶部，所述N+发射区4位于P型基区5顶部两侧，所述金属发射极1位于P型基区5和N+发射区4的上表面；所述集电极结构包括P+集电区9、N+集电极短路区10、金属集电极3和N型电场阻止层8，所述N型电场阻止层8位于N型漂移区7底部，所述P+集电区9和N+集电极短路区10并列位于N型电场阻止层8底部，所述金属集电极3位于P+集电区9的下表面，所述金属集电极3中还具有氧化层12；所述栅极结构由多晶硅栅电极2和栅氧化层6构成，所述多晶硅栅电极位于栅氧化层6中，所述栅氧化层6位于发射极结构两侧的N型漂移区7中；其特征在于，所述集电极结构还包括N型电阻区11，所述N型电阻区11位于P+集电区9中，其侧面与N+集电极短路区10连接，N型电阻区11的下表面与金属集电极3连接。
本发明总的技术方案在传统的器件结构基础上，在集电极结构中设置了N型电阻区11，如图3所示，由于薄N电阻区11区域很薄具有大的阻抗，在器件刚开始正向导通时，在较小的电流下就会在薄N电阻区11上产生较大的压降。由于P+集电区9没有电流流过，电势始终与集电极3相同；而沿电流的流经路径上电势将逐渐降低，因此P+集电区9与N型电场阻止层8之间将产生电压差。当该电压差大于P+集电区9与N型电场阻止层8之间形成的PN结正向导通压降时，P+集电区9将向N型电场阻止层8和N-漂移区7中注入电子，形成电导调制效应，器件从MOSFET模式转换到IGBT模式。本发明提出的新结构可以在极小的电流下完成从MOSFET模式到IGBT模式的转换，因而在导通过程中不会出现snapback现象。当器件工作在续流二极管模式下，P型基区5与N-漂移区7形成的PN结处于正偏状态下，当压降超过J1开启电压后器件导通，可以传导电流。因此，本发明提供的RC-IGBT器件，在兼具续流能力的同时，消除了传统RC-IGBT正向导通过程中的snapback现象。本发明可适用于从小功率到大功率的半导体功率器件和功率集成电路领域。
本发明的有益效果为，在兼具续流能力的同时，消除了传统RC-IGBT正向导通过程中的snapback现象。
附图说明
图1是传统的纵向RC-IGBT器件元胞结构示意图；
图2是本发明提供的纵向RC-IGBT器件元胞结构示意图；
图3是本发明提供的纵向RC-IGBT正向导通初始阶段时的电流示意图；
图4为本发明提供的纵向RC-IGBT器件与传统纵向RC-IGBT的电流电压特性仿真结果对比示意图；
图5为本发明提供的纵向RC-IGBT器件的制作工艺流程图。
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：
本发明的一种纵向RC-IGBT器件，如图2所示其元胞结构包括N型漂移区7、位于N型漂移区7上层的的发射极结构和栅极结构、位于N型漂移区7下层的集电极结构；所述发射极结构包括金属发射极1、P型基区5和N+发射区4，所述P型基区5位于N型漂移区7顶部，所述N+发射区4位于P型基区5顶部两侧，所述金属发射极1位于P型基区5和N+发射区4的上表面；所述集电极结构包括P+集电区9、N+集电极短路区10、金属集电极3和N型电场阻止层8，所述N型电场阻止层8位于N型漂移区7底部，所述P+集电区9和N+集电极短路区10并列位于N型电场阻止层8底部，所述金属集电极3位于P+集电区9的下表面，所述金属集电极3中还具有氧化层12；所述栅极结构由多晶硅栅电极2和栅氧化层6构成，所述多晶硅栅电极位于栅氧化层6中，所述栅氧化层6位于发射极结构两侧的N型漂移区7中；其特征在于，所述集电极结构还包括N型电阻区11，所述N型电阻区11位于P+集电区9中，其侧面与N+集电极短路区10连接，N型电阻区11的下表面与金属集电极3连接。
本发明的工作原理为：
本发明提供的纵向RC-IGBT器件，在IGBT正向偏置时，栅电极为高电位，器件正面MOS沟道开启，当阳极电压较小时，为单极导电模式。由于背面薄N电阻区11区域很薄，使其阻抗大大增加，在较小电流的情况下，就可以使寄生在P+集电区9上的二极管导通，进而在转变为双极导电方式时不出现snapback现象。
在二极管续流模式下，器件的阴极(发射极)为高电位，阳极(集电极)为低电位，当阴极电压高于P型基区5与N-漂移区7形成的PN结开启电压后器件导通，从而可以发挥续流作用。
综上，本发明提供的RC-IGBT器件在传统的器件结构上，在集电极结构中设置了N型电阻区11，如图3所示，由于薄N电阻区11区域很薄具有大的阻抗，在器件刚开始正向导通时，在较小的电流下就会在薄N电阻区11上产生较大的压降。由于P+集电区9没有电流流过，电势始终与集电极3相同；而沿电流的流经路径上电势将逐渐降低，因此P+集电区9与N型电场阻止层8之间将产生电压差。当该电压差大于P+集电区9与N型电场阻止层8之间形成的PN结正向导通压降时，P+集电区9将向N型电场阻止层8和N-漂移区7中注入电子，形成电导调制效应，器件从MOSFET模式转换到IGBT模式。本发明提出的新结构可以在极小的电流下完成从MOSFET模式到IGBT模式的转换，因而在导通过程中不会出现snapback现象。续流二极管模式下，P型基区5与N-漂移区7形成的PN结处于正偏状态下，当压降超过J1开启电压后器件导通，可以传导电流。因此，本发明提供的RC-IGBT器件，在兼具续流能力的同时，消除了传统RC-IGBT正向导通过程中的snapback现象。本发明可适用于从小功率到大功率的半导体功率器件和功率集成电路领域。
为了验证本发明的有益效果，利用MEDICI软件对图1所示的传统结构的RC-IGBT和图2所示的本发明提供的结构进行电流特性的仿真。所进行仿真的结构参数为：元胞宽度为10um，元胞厚度为120um，P基区浓度为1e14/cm3，结深为3um，N+发射区浓度为1e20/cm3，栅氧化层厚度为0.5um，N型电场阻止层结深为5um，集电区厚度为5um，掺杂为5e17/cm3，电阻区厚度为0.5um，掺杂为1e14/cm3，漂移区掺杂为1e14/cm3。由图4可以看出，相比于传统纵向RC-IGBT结构，本发明提供的纵向RC-IGBT器件元胞结构明显消除了snapback现象。因此，可以表明本发明提供的纵向RC-IGBT器件元胞结构可以有效消除传统纵向RCIGBT的snapback现象。
本发明提供的RC-IGBT器件的制作工艺如图5所示，其正面工艺沿用传统IGBT表面工艺，主要包括终端区制作及元胞区制作；完成正面工艺后，翻转硅片，背面硅片减薄至所需厚度，背部高能注入N型杂质形成所需的N型电场阻止层8，背部注入P型杂质形成P+集电区9，背部局部光刻并注入大剂量N型杂质形成N+集电极短路区10，背部光刻并低剂量注入N型杂质形成薄N电阻区11，背面淀积氧化层12，背部光刻孔，并沉积背部金属形成金属集电极3。
Claims (1)
1.一种纵向RC-IGBT器件，其元胞结构包括N型漂移区(7)、位于N型漂移区(7)上层的的发射极结构和栅极结构、位于N型漂移区(7)下层的集电极结构；所述发射极结构包括金属发射极(1)、P型基区(5)和N+发射区(4)，所述P型基区(5)位于N型漂移区(7)顶部，所述N+发射区(4)位于P型基区(5)顶部两侧，所述金属发射极(1)位于P型基区(5)和N+发射区(4)的上表面；所述集电极结构包括P+集电区(9)、N+集电极短路区(10)、金属集电极(3)和N型电场阻止层(8)，所述N型电场阻止层(8)位于N型漂移区(7)底部，所述P+集电区(9)和N+集电极短路区(10)并列位于N型电场阻止层(8)底部，所述金属集电极(3)位于P+集电区(9)的下表面，所述金属集电极(3)中还具有氧化层(12)，所述氧化层(12)位于N+集电极短路区(10)和P+集电区(9)之间，且覆盖全部N+集电极短路区(10)的下表面和部分P+集电区(9)下表面；所述栅极结构由多晶硅栅电极(2)和栅氧化层(6)构成，所述多晶硅栅电极位于栅氧化层(6)中，所述栅氧化层(6)位于发射极结构两侧的N型漂移区(7)中；其特征在于，所述集电极结构还包括N型电阻区(11)，所述N型电阻区(11)位于P+集电区(9)中，其侧面与N+集电极短路区(10)连接，N型电阻区(11)的下表面与金属集电极(3)连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20190528 Address after: Room 1108-1109, 570 Midsummer Road, China (Shanghai) Free Trade Pilot Area, Pudong New Area, Shanghai, 200120 Patentee after: Cuizhan Microelectronics (Shanghai) Co.,Ltd. Address before: 611731 No. 2006 West Yuan Road, Chengdu high tech Zone (West District), Sichuan Patentee before: University of Electronic Science and Technology of China |
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Effective date of registration: 20200403 Address after: Unit e4-032, artificial intelligence Industrial Park, No. 88, Jinjihu Avenue, Suzhou Industrial Park, Suzhou area, China (Jiangsu) pilot free trade zone 215021 Patentee after: Suzhou cuizhan Microelectronics Co.,Ltd. Address before: Room 1108-1109, 570 Midsummer Road, China (Shanghai) Free Trade Pilot Area, Pudong New Area, Shanghai, 200120 Patentee before: Cuizhan Microelectronics (Shanghai) Co.,Ltd. |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20240326 Address after: Building B3, No. 8 Xinda Road, Huimin Street, Jiashan County, Jiaxing City, Zhejiang Province, 314100 Patentee after: Zhejiang cuizhan Microelectronics Co.,Ltd. Country or region after: China Address before: 215021 China (Jiangsu) pilot Free Trade Zone Suzhou area unit e4-032, artificial intelligence Industrial Park, 88 Jinjihu Avenue, Suzhou Industrial Park Patentee before: Suzhou cuizhan Microelectronics Co.,Ltd. Country or region before: China |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
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Denomination of invention: A longitudinal RC-IGBT device Granted publication date: 20180109 Pledgee: Jiaxing Bank Co.,Ltd. Yangtze River Delta integration demonstration zone (Zhejiang Jiashan) sub branch Pledgor: Zhejiang cuizhan Microelectronics Co.,Ltd. Registration number: Y2024330001467 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |