CN105226088A - 一种带有p型柱体的超快速高压soi ligbt器件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种半导体器件，公开了一种带有P型柱体的阳极N+\P+交叠短路的超快速高压SOI？LIGBT器件，包括衬底、阳极P+区、阳极N+区、阳极金属、N型漂移区、场氧化层、阴极P+区、阴极P型体区、P型沟道区、发射极N+区、阴极金属、多晶硅栅、LIGBT器件栅氧化层、多晶硅栅金属和第一P型柱体区、第二P型柱体区。本发明的超快速高压SOI？LIGBT的有益效果是、关断速度的加快、负阻现象NDR（Negative？Differential？Resistance）的消除、正向导通压降的减小以及关断时器件耐压的提升。
Description
技术领域
本发明涉及半导体功率器件。
背景技术
横向绝缘栅双极型晶体管LIGBT（LateralInsulated-GateBipolarTransistor）由于它的低导通压降和高输入阻抗的特点，常用于高压功率驱动集成电路的输出级，用以改善横向双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管LDMOS（LateralDouble-diffusedMOSFET）耐压与导通电阻之间的矛盾。
SOI技术以其理想的介质隔离性能、相对简单的介质隔离工艺，使得器件具有寄生效应小、开关速度快、功耗低、集成度高、抗辐照能力强等优点，基于SOI技术的可集成LIGBT器件，有源器件与材料衬底和其他高低压器件间采用完全的介质隔离，有利于避免LIGBT器件发生闩锁效应，且器件易于作为高端或低端开关与其他高低压器件一起单片集成与于高压功率集成电路中。
说明书附图1给出了传统n沟道LIGBT器件结构图，其中，1为P型或N型衬底，2为埋氧层，3为N型漂移区，4为与N型漂移区3掺杂类型相同的N型缓冲层，5为阳极P+区，6为器件P型沟道区，7为浓度较P型沟道区6高的P型区，8为P+区，9为N+发射区，10为器件栅氧化层，11为阴极金属，12为阳极金属，13为多晶硅栅金属，14为多晶硅栅，15为金属前介质层，16为场氧化层。
与LDMOS相比，LIGBT有阳极P+区、N型缓冲层、N型漂移区、P型沟道区和N+区构成的寄生晶闸管结构，但是大电流工作时易于发生闩锁效应，使得LIGBT失去栅极控制能力，器件失效。
为了使得LIGBT能够达到更高的工作频率，阳极短路型结构是一种较为常用的优化关断时间的方法。说明书附图2给出了阳极短路LIGBT结构（SA-LIGBT），其中，1为P型或N型衬底，2为埋氧层，3为N型漂移区，4为与N型漂移区3掺杂类型相同的N型缓冲层，5为阳极P+区，17为与阳极P+区5相连的N+区，6为器件P型沟道区，7为浓度较P型沟道区6高的P型区，8为P+区，9为N+发射区，10为器件栅氧化层，11为阴极金属，12为阳极金属，13为多晶硅栅金属，14为多晶硅栅，15为金属前介质层，16为场氧化层。
阳极短路LIGBT（SA-LIGBT）器件与传统的LIGBT器件相比拥有更快的开关速度，这是由于它在器件关断工作时为电子提供了一条通路，从而使导电载流子更快地被抽离，减小了器件关断的时间。但是，SA-LIGBT却存在负阻现象NDR（NegativeDifferentialResistance），这是器件在LDMOS和LIGBT两个工作模式之间的突然转换造成的。
鉴于此，需要一种既能快速开关工作又能避免NDR现象和闩锁效应的高压快速LIGBT器件。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种带有P型柱体的阳极N+\P+交叠短路的快速SOILIGBT器件，能够避免阳极短路结构LIGBT出现负阻现象，抑制器件在大电流工作时的闩锁效应，并且达到开关速度和器件耐压的提升。
为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：该器件包括衬底、阳极P+区、阳极N+区、阳极金属、N型漂移区、场氧化层、阴极P+区、阴极P型体区、P型沟道区、发射极N+区、阴极金属、多晶硅栅、LIGBT器件栅氧化层、多晶硅栅金属和第一P型柱体区、第二P型柱体区，阳极金属与阳极P+区和阳极N+区连接，阳极P+区与阳极N+区交叠短路排列。
在采用上述技术方案的基础上，本发明还可以采用以下进一步方案：
所述阳极P+区与阳极N+区的数量、宽度、长度和深度可根据器件实际特性进行调整。
所述第二P型柱体区与阳极P+区相连，第二P型柱体区的各P型柱体之间的间距与阳极N+区的宽度相同。
所述第二P型柱体区内的P型柱体的数目、长度、宽度、深度、浓度和间距可根据器件实际特性进行调整。
所述第一P型柱体区内P型柱体的与P型沟道区短路相连，并且与场氧化层相接触。
所述第一P型柱体区内P型柱体与第二P型柱体区内的P型柱体在器件结构的位置是对称的，所述第一P型柱体区内P型柱体的宽度与第二P型柱体区内的P型柱体的宽度相同，所述第一P型柱体区内P型柱体的间距与第二P型柱体区内的P型柱体的间距相同。
第一所述P型柱体区内的P型柱体的长度、浓度和深度可根据器件实际特性进行调整。
所述第一P型柱体区内的P型柱体的的数量、宽度和间距根据对应的第二P型柱体区内的P型柱体的数量、宽度和间距的变化而作相同变化。
所述第一P型柱体区内的P型柱体和第二P型柱体区内的P型柱体不相连，为器件提供一个发生电导调制效应的有效区域。
本发明利用阳极处增加的与P+区交替的N+区，在器件关断时为电子提供了一条通路，提高了关断的速度；其次，通过P型柱体与P型沟道区短路相连，并且与场氧化层相接触，在器件关断的时候，起到一个空穴收集的作用，加速了空穴的抽取，提升了关断速度，同时可以帮助N-漂移区耗尽，提高了器件关断时的耐压；最后，P型柱体与阳极P+区相连，通过调整P型柱体的间距，可以避免NDR现象的发生，同时也可以减小器件导通的正向压降，补偿由于载流子寿命不够所导致的正向压降偏高，另外与P型柱体相同，此结构也可以辅助耗尽N-漂移区。
附图说明
图1是常规n沟道LIGBT器件结构图
图2是常规n沟道阳极短路LIGBT器件（SA-LIGBT）结构图
图3是本发明实施例1的SOILIGBT器件的正面俯视结构示意图
图4是本发明实施例2的SOILIGBT器件的沿着阳极N+区处所作的剖面图。
图5是本发明实施例3的一SOILIGBT器件的沿着阳极P+区处所作的剖面图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明，本发明所述的衬底1位于IGBT最下方，沉底上面两层依次是埋氧层2和N型漂移区3。阳极N+区4和阳极P+区5交叠短路排列并皆与阳极金属12相接触。P型沟道区6位于LIGBT期间栅氧化层10下方，连接发射极N+区9和N型漂移区3。阴极P型体区7位于阴极P+区8下方并与P型沟道区6、发射极N+区9相连。和阴极金属11相连的有阴极P+区8和发射极N+区9。LIGBT期间栅氧化层10上方依次为多晶硅栅14和多晶硅栅金属13。场氧化层16在栅极和阳极之间，其中一部分位于栅氧化层10下方。第一P型柱体区17在栅极侧，位于场氧化层16下方同时一部分与P型沟道区6相重叠。P型柱体区18在阳极侧，其左侧一部分位于场氧化层16下方。
上述器件阳极P+区5与阳极N+区4的数量、宽度、长度和深度根据器件实际特性,即关断速度以及元胞尺寸来调整，以提高关断速度。阳极N+区4的数量越多，宽度越宽，长度越长，关断速度越快，反之越慢。深度要小于一定值，使得柱体底部与埋氧层2保持1μm的距离。同时他们的尺寸不能超过元胞尺寸。
所述器件的第二P型柱体区18内的P型柱体与阳极P+区相连，各P型柱体18之间的间距与阳极N+区的宽度相同。
所述器件的第二P型柱体区18内的P型柱体的数目、长度、宽度、深度、浓度和间距根据器件实际特性，即阳极P+区5的宽度、器件电阻、器件耐压、开关速度以及元胞尺寸来进行调整，以使说明书附图3中的Rd足够大，在小电流时产生的压降就达到0.7V，使PN结开通。增加其数目、长度、宽度，减小间距可以增加Rd，反之为减小Rd。深度要小于一定值，使得柱体底部与埋氧层2保持1μm的距离。浓度越大，电导调制效应越明显，但是关断速度会有所变慢。同时它的尺寸不能超过元胞尺寸。
所述器件的第一P型柱体区17的P型柱体与P型沟道区6短路相连，并且与场氧化层16相接触。
所述器件的第一P型柱体区17的P型柱体与所述第二P型柱体区18内的P型柱体在器件结构中的位置是对称的，所述器件的第一P型柱体区17的P型柱体的宽度与第二P型柱体区18内的P型柱体的宽度相同，所述第一P型柱体区17的各P型柱体的间距与第二P型柱体区18内的各P型柱体的间距相同。
所述器件的第一P型柱体区17的P型柱体的长度、浓度和深度根据器件实际特性，即器件电阻，器件耐压，开关速度以及元胞尺寸来进行调整，以调整器件关断速度符合实际需求。长度越长，关断速度越快，反之越慢。深度要小于一定值，使得柱体底部与埋氧层2保持1μm的距离。浓度越大，电导调制效应越明显，但是关断就越慢。同时它的尺寸不能超过元胞尺寸。
另外第二P型柱体区18的P型柱体与第一P型柱体区17的P型柱体的长度之和小于元胞的漂移区长度，并且两者长度之和越小，即相距越大，电导调制效应越明显。
所述第一P型柱体区17的P型柱体的数量、宽度和间距根据对应的第二P型柱体区18的P型柱体的数量、宽度和间距的变化而作相同变化，如说明书附图3所示，两者的数量、宽度和间距始终保持一致。
所述第一P型柱体区17的P型柱体和第二P型柱体区18的P型柱体不相连，为器件提供一个发生电导调制效应的有效区域。
实施例1
图3所示为一种带有P型柱体的阳极N+\P+交叠短路的快速SOILIGBT器件的正面俯视结构图，包括阳极P+区5、阳极N+区4、N型漂移区3、发射极N+区9、P型沟道区6和第一P型柱体区17和第二P型柱体区18。
本发明结构的阳极采用N+区4与P+区5的交叠短路结构，漂移区内有两部分P型柱体，即第一P型柱体区17和第二P型柱体区18，分别与阴极的P型沟道区6和阳极的P+区5相连接。通过这些结构的调节可以使NDR现象不再发生，大电流工作时的闩锁效应得到了有效抑制，而且开关速度大大提高，耐压也在一定程度上有所提高。
实施例2
图4所示为一种带有P型柱体的阳极N+\P+交叠短路的快速SOILIGBT器件的沿着阳极N+区处所作的剖面图，包括衬底1、阳极N+区4、阳极金属12、N型漂移区3、场氧化层16、阴极P+区8、阴极P型体区7、P型沟道区6、发射极N+区9、阴极金属11、多晶硅栅14、LIGBT器件栅氧化层10和多晶硅栅金属13。
在器件刚开通时，带有P型柱体的阳极N+\P+交叠短路的快速SOILIGBT器件反型沟道形成，在阳极施加正电压时，反型沟道中的电子电流注入到漂移区3中，并通过阳极N+区4抽取，此时器件工作在LDMOS状态，没有电导调制现象。
实施例3
图5所示为一种带有P型柱体的阳极N+\P+交叠短路的快速SOILIGBT器件的沿着阳极P+区处所作的剖面图。包括衬底1、阳极P+区5、阳极金属12、N型漂移区3、场氧化层16、阴极P+区8、阴极P型体区7、P型沟道区6、发射极N+区9、阴极金属11、多晶硅栅14、LIGBT器件栅氧化层10、多晶硅栅金属13和第一P型柱体区17和第二P型柱体区18。
图5和图4的区别在于，它比图4多了第一P型柱体区17和第二P型柱体区18，并且阳极N+区4由阳极P+区5替代。
为了使阳极短路结构的NDR现象不再发生，第一P型柱体区17和第二P型柱体区18之间的电阻要足够大，使得在极小电流的时候就能够达到0.7V的电压差从而使阳极P+5以及与其连接的第二P型柱体区18与N-漂移区3形成正偏，向N-漂移区3注入空穴，形成电导调制效应，使器件在很小的电流便进入LIGBT的工作模式，从而降低了器件的通态压降，抑制了NDR现象。第二P型柱体区18间的电阻的增大可以通过调节各各P型柱体的间距和长度来实现。另外第二P型柱体18的存在补偿了由于载流子寿命不够所导致的正向压降偏高的现象，这是因为它向Ｎ-漂移区3不断地注入空穴。
在器件关断时，空穴不仅可以复合消失，而且可以靠第一P型柱体17结构收集，这加速了空穴的抽取，提高了器件的关断速度。当电流处于大电流工作状态时，在器件关断的时候，空穴直接通过第一P型柱体17抽取，而不用经过阴极P型体区7，从而阴极P型体区7的电流便足够小，发射极Ｎ+区9与阴极P型体区7之间的PN结电压便不会达到0.7V的正偏要求，从而寄生NPN晶体管就不会被导通，避免了闩锁效应的出现。
在器件处于阻断状态时，两个P型柱体区第一P型柱体区17、第二P型柱体区18可以同时辅助耗尽N-漂移区3，从而使得器件的耐压得到了提高。
以上所述，为本发明内容的较佳实施例，并非对本发明内容作任何限制，凡根据本发明内容技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均属于本发明内容技术方案的保护范围内。
Claims (9)
1.一种带有P型柱体的超快速高压SOILIGBT器件，其特征在于所述器件包括衬底（1）、阳极P+区（5）、阳极N+区（4）、阳极金属（12）、N型漂移区（3）、场氧化层（16）、阴极P+区（8）、阴极P型体区（7）、P型沟道区（6）、发射极N+区（9）、阴极金属（11）、多晶硅栅（14）、LIGBT器件栅氧化层（10）、多晶硅栅金属（13）和第一P型柱体区（17）、第二P型柱体区（18），阳极金属（12）与阳极P+区（5）和阳极N+区（4）连接，阳极P+区（5）与阳极N+区（4）交叠短路排列。
2.如权利要求1所述的一种带有P型柱体的超快速高压SOILIGBT器件，其特征在于所述阳极P+区（5）与阳极N+区（4）的数量、宽度、长度和深度可根据器件实际特性进行调整。
3.如权利要求1所述的一种带有P型柱体的超快速高压SOILIGBT器件，其特征在于所述第二P型柱体区（18）中的P型柱体与阳极P+区相连，第二P型柱体区（18）的各P型柱体之间的间距与阳极N+区的宽度相同。
4.如权利要求1所述的一种带有P型柱体的超快速高压SOILIGBT器件，其特征在于所述第二P型柱体区（18）内的P型柱体的数目、长度、宽度、深度、浓度和间距可根据器件实际特性进行调整。
5.如权利要求1所述的一种带有P型柱体的超快速高压SOILIGBT器件，其特征在于所述第一P型柱体区（17）内P型柱体的与P型沟道区（6）短路相连，并且与场氧化层（16）相接触。
6.如权利要求1所述的一种带有P型柱体的超快速高压SOILIGBT器件，其特征在于所述第一P型柱体区（17）内P型柱体与第二P型柱体区（18）内的P型柱体在器件结构的位置是对称的，所述第一P型柱体区（17）内P型柱体的宽度与第二P型柱体区（18）内的P型柱体的宽度相同，所述第一P型柱体区（17）内P型柱体的间距与第二P型柱体区（18）内的P型柱体的间距相同。
7.如权利要求1所述的一种带有P型柱体的超快速高压SOILIGBT器件，其特征在于所述第一所述P型柱体区（17）内的P型柱体的长度、浓度和深度可根据器件实际特性进行调整。
8.如权利要求1所述的一种带有P型柱体的超快速高压SOILIGBT器件，其特征在于所述第一P型柱体区（17）内的P型柱体的的数量、宽度和间距根据对应的第二P型柱体区（18）内的P型柱体的数量、宽度和间距的变化而作相同变化。
9.如权利要求1所述的一种带有P型柱体的超快速高压SOILIGBT器件，其特征在于所述第一P型柱体区（17）内的P型柱体和第二P型柱体区（18）内的P型柱体不相连，为器件提供一个发生电导调制效应的有效区域。
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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 | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20160106 |