CN105185826B - 一种横向rc-igbt器件 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体技术领域，具体的说涉及一种横向RC‑IGBT器件。本发明的器件在传统的器件结构上，在集电极结构设置了N型电阻区电阻区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，具体的说涉及一种横向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 2004 International 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。其纵向结构如图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金属集电极连接的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形成了寄生二极管结构，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。
横向绝缘栅双极型晶体管(LIGBT)是功率集成电路中的新型部件。它既有LDMOSFET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，已成为现代功率半导体集成电路的核心部件之一。由于横向RC-IGBT更有利于集成化的应用，进而可以实现功率集成电路与智能功率芯片。对于传统横向RC-IGBT如图2所示，由表面N-漂移区承受阻断电压，集电极与N+短路区和P+集电区相接。其工作原理与纵向RC-IGBT类似。
发明内容
本发明所要解决的，就是为了抑制传统横向RC-IGBT的Snapback现象，提高器件的可靠性，提出一种横向RC-IGBT器件。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种横向RC-IGBT器件，如图3所示，其元胞结构包括P型衬底20、位于P型衬底20中的N型漂移区7、位于N型漂移区7一侧的发射极结构和栅极结构、位于N型漂移区7另一侧的集电极结构；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中，所述N+发射区4位于P型基区5中，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中，所述P+集电区9位于N型电场阻止层8中，所述N+集电极短路区10位于P+集电区9和N型电场阻止层8靠近发射极结构的一侧并与于P+集电区9和N型电场阻止层8连接，所述金属集电极3位于P+集电区9的上表面；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2发射极结构与集电极结构之间的N型漂移区7和P型基区5上方，所述多晶硅栅电极2与发射极结构、N型漂移区和集电极结构之间具有栅氧化层6；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的上表面与金属集电极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4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。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，本发明提供的横向RC-IGBT器件，在兼具续流能力的同时，完全消除了传统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是传统的横向RC-IGBT器件元胞结构示意图；
图3是本发明提供的横向RC-IGBT器件元胞结构示意图；
图4是本发明提供的纵向RC-IGBT在正向导通初始阶段的电流示意图；
图5为本发明提供的横向RC-IGBT器件与传统横向RC-IGBT电流电压特性的仿真对比示意图；
图6为本发明提供的横向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：
本发明的一种横向RC-IGBT器件，如图3所示，其元胞结构包括P型衬底20、位于P型衬底20中的N型漂移区7、位于N型漂移区7一侧的发射极结构和栅极结构、位于N型漂移区7另一侧的集电极结构；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中，所述N+发射区4位于P型基区5中，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中，所述P+集电区9位于N型电场阻止层8中，所述N+集电极短路区10位于P+集电区9和N型电场阻止层8靠近发射极结构的一侧并与于P+集电区9和N型电场阻止层8连接，所述金属集电极3位于P+集电区9的上表面；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2发射极结构与集电极结构之间的N型漂移区7和P型基区5上方，所述多晶硅栅电极2与发射极结构、N型漂移区和集电极结构之间具有栅氧化层6；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的上表面与金属集电极3连接。
本发明的工作原理为：
本发明提供的横向RC-IGBT器件，在IGBT正向偏置时，栅电极为高电位，器件表面MOS沟道开启，当阳极电压较小时，为单极导电模式。由于N型电阻区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上的二极管达到导通压降，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，在集电极结构中设置了N型电阻区11，如图4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，本发明提供的横向RC-IGBT器件，在兼具续流能力的同时，完全消除了传统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中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2所示的传统结构的RC-IGBT和图3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60μm，元胞厚度为15μm，P基区浓度为1e14/cm3，结深为3μm，N+发射区浓度为1e20/cm3，结深为2μm，栅氧化层厚度为0.5μm，N型电场阻止层掺杂浓度为5e15/cm3，集电区厚度为2μm，掺杂为5e17/cm3，电阻区厚度为0.1μm，掺杂为1e14/cm3，漂移区掺杂为1e14/cm3。由图5可以看出，相比于传统横向RC-IGBT结构，本发明提供的横向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横向RC-IGBT器件元胞结构可以有效消除传统横向RCIGBT的snapback现象。
本发明提供的RC-IGBT器件的制作工艺如图6所示，其工艺沿用传统横向IGBT表面工艺，主要包括终端区制作及元胞区制作；完成传统横向IGBT的MOS结构工艺后，高能注入N型杂质形成所需的N型电场阻止层8，注入P型杂质形成P+集电区9，局部光刻并注入大剂量N型杂质形成N+集电极短路区10，光刻并小剂量注入N型杂质形成薄N电阻区11，光刻孔，并沉积金属形成金属集电极3。
Claims (1)
1.一种横向RC-IGBT器件，其元胞结构包括P型衬底(20)、位于P型衬底(20)中的N型漂移区(7)、位于N型漂移区(7)一侧的发射极结构和栅极结构、位于N型漂移区(7)另一侧的集电极结构；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)中，所述N+发射区(4)位于P型基区(5)中，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)中，所述P+集电区(9)位于N型电场阻止层(8)中，所述N+集电极短路区(10)位于P+集电区(9)和N型电场阻止层(8)靠近发射极结构的一侧并与于P+集电区(9)和N型电场阻止层(8)连接，所述金属集电极(3)位于P+集电区(9)的上表面；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(2)发射极结构与集电极结构之间的N型漂移区(7)和P型基区(5)上方，所述多晶硅栅电极(2)与发射极结构、N型漂移区和集电极结构之间具有栅氧化层(6)；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)的上表面与金属集电极(3)连接，所述N型电阻区(11)和金属集电极(3)的形成方法为：根据传统的横向IGBT表面工艺，光刻并小剂量注入N型杂质形成N型电阻区(11)，光刻孔，并沉积金属形成金属集电极(3)；所述传统的横向IGBT表面工艺是指，依次完成的工艺步骤为：制作终端区、完成横向IGBT的MOS工艺、注入N型杂质形成N型电场阻止层(8)、注入P型杂质形成P+集电区(9)、光刻并注入大剂量N型杂质形成N+集电极短路区(10)；
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。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20190122 Termination date: 20210810 |