CN105448972A - 新结构反向导通绝缘栅双极型晶体管 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新结构反向导通绝缘栅双极型晶体管，包括衬底，衬底内的n型漂移区，衬底正面的栅极和发射极，以及衬底背面的集电极，所述栅极与发射极在衬底表面相间排布，所述栅极的底面设有绝缘层，所述衬底正面设有与所述n型漂移区相连的n型载流子存储层，所述载流子存储层的掺杂浓度大于所述n型漂移区的掺杂浓度，所述载流子存储层内设有p阱区，所述p阱区内设有n型掺杂区，所述发射极位于所述p阱区的正上方，所述n型掺杂区延伸到相邻的所述栅极和所述绝缘层的底部。本发明能够缓解RC-IGBT器件导通时由单极载流子引起的电导调制不充分的问题，从而能够抑制Snapback现象，并且能够降低器件的导通电阻。

Description

新结构反向导通绝缘栅双极型晶体管

技术领域

本发明涉及半导体器件，特别是涉及一种新结构反向导通绝缘栅双极型晶体管。

背景技术

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)自1986年商用以来，在功率开关器件中日益扮演着越来越重要的角色，而当许多功率器件在当成开关器件使用的时候都会反向并联一个续流二极管(FreeWheelingDiode)。因此在IGBT的模块设计中，就经常会在IGBT芯片旁边再放置一个续流二极管的芯片，然后一起封装，满足使用目的。在对IGBT器件的工作原理日益熟悉且对应的加工工艺越来越精细之后，人们发现可以把反向续流二极管集成在IGBT的芯片上，即IGBT和反向续流二极管共用同一个硅片，正向加电压时作为IGBT使用，反向加电压时作为续流二极管使用。这种反向导通IGBT设计，一般称为ReverseConductingInsulatedGateBipolarTransistor(反向导通绝缘栅双极型晶体管)，简写为RC-IGBT，能减小约50％的芯片面积，提高集成度，节省封装费用，降低整体功耗，符合环保和节约资源的要求，因此在被提出之后，迅速成为业界讨论的新结构热点。

传统的RC-IGBT器件结构，其电流电压曲线存在一个电压-电流迅速转向(Snapback)的转折现象(也称为电压回跳效应)，也就是器件在从单载流子到双载流子工作转换时，由于电导调制现象而引起的负阻现象。这个负阻现象在器件低温工作时会对器件的开启带来不利于工作和稳定的影响，因此需要进一步地优化器件结构缓解或根本解决该问题。

发明内容

基于此，有必要提供一种能够抑制Snapback的新结构反向导通绝缘栅双极型晶体管。

一种新结构反向导通绝缘栅双极型晶体管，包括衬底，衬底内的n型漂移区，衬底正面的栅极和发射极，以及衬底背面的集电极，所述栅极与发射极在衬底表面相间排布，所述栅极的底面设有绝缘层，所述衬底正面设有与所述n型漂移区相连的n型载流子存储层，所述载流子存储层的掺杂浓度大于所述n型漂移区的掺杂浓度，所述载流子存储层内设有p阱区，所述p阱区内设有n型掺杂区，所述发射极位于所述p阱区的正上方，所述n型掺杂区延伸到相邻的所述栅极和所述绝缘层的底部。

在其中一个实施例中，所述集电极包括相互分离的第一集电极和第二集电极，所述第一集电极与衬底内的n型集电区相连，所述第二集电极与衬底内的p型集电区相连；所述p型集电区与所述n型漂移区之间设有将所述p型集电区包围的n型缓冲区；所述n型集电区与所述n型漂移区之间设有将所述n型集电区半包围的p型浮层区，使得所述n型集电区仅部分与所述n型漂移区相连。

在其中一个实施例中，所述p型浮层区将所述n型集电区半包围的一侧与所述n型缓冲区相连，所述p型浮层区的上部与所述n型漂移区相连。

在其中一个实施例中，所述载流子存储层与n型漂移区的掺杂浓度差距小于10倍。

在其中一个实施例中，所述n型漂移区的掺杂浓度为1*10¹³～5*10¹⁵cm^-3。

在其中一个实施例中，所述n型漂移区的掺杂浓度为7*10¹³cm^-3±40％，所述p型浮层区的掺杂浓度为5*10¹⁵cm^-3±40％，所述n型缓冲区的掺杂浓度为2*10¹⁵cm^-3±40％，所述n型集电区的掺杂浓度为1*10¹⁹cm^-3±40％，所述p型集电区的掺杂浓度为4*10¹⁷cm^-3±40％，所述载流子存储层的掺杂浓度为5*10¹⁴cm^-3±40％。

在其中一个实施例中，区的长度为30微米±40％，厚度为3.75微米±40％，所述n型集电区的长度为8微米±40％，厚度为2微米±40％，所述p型集电区的的长度为28微米±40％，厚度为1微米±40％，所述载流子存储层的厚度为1微米±40％。

在其中一个实施例中，所述n型漂移区为n-漂移区，所述p型浮层区为p-浮层区，所述n型缓冲区为n-缓冲区，所述n型集电区为n+集电区，所述p型集电区为p+集电区，所述p阱区为p-阱区，所述n型掺杂区为n+掺杂区。

上述新结构反向导通绝缘栅双极型晶体管，在器件顶部p阱区下方引入了载流子存储层，缓解了RC-IGBT器件导通时由单极载流子引起的电导调制不充分的问题，从而能够抑制Snapback现象，并且能够降低器件的导通电阻。

附图说明

通过附图中所示的本发明的优选实施例的更具体说明，本发明的上述及其它目的、特征和优势将变得更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分，且并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1是一实施例中新结构反向导通绝缘栅双极型晶体管的截面示意图；

图2(a)是一种常见的IGBT等效电路，图2(b)是三种器件的载流子浓度曲线示意图；

图3是图1所示实施例中阳极反向导通结构的示意图；

图4是一实施例中新结构反向导通绝缘栅双极型晶体管Ics-Vg特性随载流子存储层掺杂浓度变化的曲线图；

图5是一实施例中新结构反向导通绝缘栅双极型晶体管Ics-Vgs特性随温度变化的曲线图；

图6是一实施例中新结构反向导通绝缘栅双极型晶体管Ics-Vcs随载流子存储层厚度和掺杂浓度变化的曲线图；

图7是一实施例中新结构反向导通绝缘栅双极型晶体管Snapback峰值电压受p型浮层区长度影响的曲线图；

图8是一实施例中新结构反向导通绝缘栅双极型晶体管的击穿电压随载流子存储层掺杂浓度变化的曲线图；

图9是一实施例中新结构反向导通绝缘栅双极型晶体管击穿时的电场分布曲线；

图10是一实施例中新结构反向导通绝缘栅双极型晶体管反向工作时的Ics-Vcs曲线图；

图11是一实施例中新结构反向导通绝缘栅双极型晶体管和对比例的FP-RC-IGBT关断曲线和器件的折中曲线比较；

图12是一实施例中新结构反向导通绝缘栅双极型晶体管反向工作时的快速恢复曲线。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“竖直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

图1是一实施例中新结构反向导通绝缘栅双极型晶体管的截面示意图，包括衬底10，衬底10内的n型漂移区19，衬底10正面的栅极22和发射极24，以及衬底背面的集电极。在本实施例中，集电极包括相互分离的第一集电极21和第二集电极23。新结构反向导通绝缘栅双极型晶体管还包括衬底正面的n型载流子存储层11，载流子存储层11内的p阱区13，p阱区13内的n型掺杂区15，衬底背面的n型集电区12，p型集电区16，p型浮层区14以及n型缓冲区18。栅极22与发射极24在衬底10表面相间排布，栅极22的底面设有绝缘层26，载流子存储层11的掺杂浓度大于n型漂移区19的掺杂浓度，发射极24位于p阱区13的正上方，n型掺杂区15延伸到相邻的栅极22和绝缘层26的底部。

上述新结构反向导通绝缘栅双极型晶体管，在器件顶部p阱区13下方引入了载流子存储层11，缓解了RC-IGBT器件导通时由单极载流子引起的电导调制不充分的问题，从而能够抑制Snapback现象，并且能够降低器件的导通电阻。

第一集电极21与衬底10内的n型集电区12相连，第二集电极23与衬底10内的p型集电区16相连。p型集电区16与n型漂移区19之间设有将p型集电区16包围的n型缓冲区18。由于p型集电区16和n型缓冲区18均自衬底10表面(背面)开始延伸，因此本说明书和权利要求书中的“A包围B”不包括衬底10表面，即是说A不会在衬底10表面也包围B。n型集电区12与n型漂移区19之间设有将n型集电区12半包围的p型浮层区14，使得n型集电区12仅部分与n型漂移区19相连。在本实施例中，是n型集电区12远离第二集电极23的一侧有部分结构未被p型浮层区14包围从而直接与n型漂移区19相连。第一集电极21与第二集电极23分离的设置，可以使得半包围n型集电区12的p型浮层区14有效发挥作用。

在图1所示实施例中，n型漂移区19为n-漂移区，p型浮层区14为p-浮层区，n型缓冲区18为n-缓冲区，n型集电区12为n+集电区，p型集电区16为p+集电区，p阱区13为p-阱区，n型掺杂区15为n+掺杂区。

在图1所示的实施例中，RC-IGBT主要的器件参数和浓度参数如下：MOS单元的长度为20微米，硅片厚度120微米，n型漂移区19的掺杂浓度为7*10¹³cm^-3；n型缓冲区18的厚度为3.75微米，长度30微米，掺杂浓度2*10¹⁵cm^-3；集电极长度为40微米；p型集电区16厚度为1微米，长度28微米，掺杂浓度4*10¹⁷cm^-3；n型集电区12厚度为2微米，长度8微米，掺杂浓度1*10¹⁹cm^-3；p型浮层区14长度为7微米，厚度2.5微米，掺杂浓度5*10¹⁵cm^-3；载流子存储层11厚度为1微米，掺杂浓度5*10¹⁴cm^-3。

在其他实施例中，根据设计的IGBT器件击穿电压BV和导通电阻Ron要求，硅片厚度可以在120-200微米，n型漂移区19的掺杂浓度可以在1*10¹³cm^-3到5*10¹⁵cm^-3的范围内变化，其余的参数数值可以在前述实施例给出的优化数值上变化最多±40％。

上述的新结构RC-IGBT器件改进了阳极RC结构，从而抑制了Snapback现象。增加了载流子存储层(CarrierStoreLayer)11，这样就降低了器件的导通电阻，克服了因注入空穴浓度低而引起的导通电阻增大的缺点。新结构RC-IGBT器件在正向导通时的工作原理与普通的IGBT正向导通工作原理一样，在阳极和发射极24上加正电压，在栅极22上加正的开启电压，底部PN结导通，阳极向漂移区注入电子形成电导调制效应，大幅减小器件的导通电阻，表层的金属－氧化物－半导体(MOS)器件的开启和关断控制整个器件的开启和关断。但是新器件的结构特点又决定了它可以抑制传统RC-IGBT的Snapback现象，同时大幅降低器件的导通电阻和关断速度，以下进行具体说明。

一，抑制Snapback现象

RC-IGBT器件的Snapback现象是在栅极电压足够大的情况下，随着器件阳极和发射极之间的电流逐渐增大过程当中，器件阳极和发射极之间的电压有一个逐步增大到急剧减小再到缓慢增大的过程。这个现象在器件用于开关电路当中时可能引起开关的误触发，因此需要尽量抑制V_snapback的电压峰值。

有人提出了一种FloatingP-regionRC-IGBT(简称FP-RC-IGBT)，能够一定程度上抑制Snapback。要抑制Snapback现象，就要尽量防止器件左侧N集电极在低电压时的大电流导通，而只要图1中的n型集电区12在p型集电区16对n型漂移区19产生大注入空穴形成大电流之前的导通电流处在一个较小的水平，就可以很大程度上抑制Snapback现象。Snapback电压的计算公式如下：

$V_{\mathrm{SB}}=(1+\frac{R_{\mathrm{drift}}+R_{\mathrm{ch}}}{R_{\mathrm{cs}}})V_{\mathrm{cr}}$

式中V_SB是Snapback的峰值电压，V_cr是右侧空穴大注入临界电压，R_CS是n型集电区12形成电流的沟道电阻，R_drift是n型漂移区19的电阻，R_ch是沟道区电阻。

为了让V_SB足够小(当V_SB等于V_cr时，Snapback现象消失)，右侧的分式值就要足够小，因此在n型集电区12上方设置一个p型浮层区(FloatingPRegion)14可以有效的增大R_CS的值，而衬底10正面的载流子存储层11也可以一定程度减小R_drift和R_ch，因此本发明的RC-IGBT可以很好地抑制RC-IGBT存在的Snapback现象，提高器件的开关性能而不容易引发器件开启时的误触发。

二，降低器件的导通电阻

对RC-IGBT来说，由于N集电极的预先导通会影响右侧P集电极对漂移区的空穴注入，因此导通电阻相比一般的IGBT电阻要大，故寻求进一步降低器件的导通电阻以减小器件的导通功耗就显得很有必要了。把IGBT器件等效成一个PIN二极管和一个MOS管的串联是一种常见的器件等效方式，如图2(a)中所示。

由于理想的PIN二极管具有最小的导通电阻，因此我们希望IGBT器件中的等效PIN二极管的载流子浓度曲线可以尽量逼近理想PIN二极管的载流子浓度曲线。在p阱区13和n型漂移区19之间加一层浓度相对较高的n型载流子存储层11正好可以实现这个效果，如图2(b)的三种器件的载流子浓度曲线所示。增加了载流子存储层11的新结构反向导通绝缘栅双极型晶体管的导通电阻的确大大减小，如图6所示。

三，增加器件的关断速度

漂移区的载流子浓度会影响器件的导通电阻和关断速度，漂移区浓度越高，器件的导通电阻会越小，但是关断速度也会变慢，反之则相反。总之，漂移区的载流子浓度从两个不同的方向影响器件的性能，因此以前的设计者需要根据需求进行相关的取舍。本发明的RC-IGBT中p阱区13下的载流子存储层11有效地提高了n型漂移区19顶部的载流子浓度，降低了导通电阻，因此对关断时载流子抽取能力的要求有所提高。

图4所示是本发明新结构反向导通绝缘栅双极型晶体管的阳极反向导通结构示意图。器件底部n型集电区12附近的器件结构正好通过两个三极管通道大大地加速了器件关断时的载流子抽取能力。当器件处在关断状态时，n-p-n_drift三极管和n-p-n_buffer三极管可以为漂移区的载流子提供两条抽取通道，从而大大增加了器件的关断速度。

下面结合实验测得的数据说明本发明新结构反向导通绝缘栅双极型晶体管的电学特性参数特征。

一，静态电学特性参数

Ics-Vgs即器件的V_th特性：

对IGBT的静态特性参数的讨论主要从阈值电压V_th，导通电阻Ron和击穿电压BV等几个参数来讨论，由于是针对RC-IGBT器件，因此本说明书还将讨论器件对Snapback现象的抑制情况和反向工作时二极管的电压V_F。

如图4和图5，从Ics-Vgs曲线图中可以看出，新结构RC-IGBT器件的V_th在4V左右，主要是由p阱区13的载流子浓度决定的，p阱区13载流子浓度越高，V_th就越大。因为p阱区13浓度越高，MOS沟道反型形成导电沟道就越困难。而载流子存储层11的载流子浓度对V_th的影响有限。注意Ics是第一集电极21和第二集电极23的电流之和。

另外V_th受温度影响较大，图5是新结构RC-IGBT器件在300K和425K时的Ics-Vgs曲线图，温度越高，V_th越小。

Ics-Vcs即器件的Ron特性：

图6是本发明新结构反向导通绝缘栅双极型晶体管的Ics-Vcs曲线随载流子存储层11的厚度和浓度变化的曲线。RC-IGBT由于n型集电区12的作用，在导通时，通过p型集电区16注入进n型漂移区19的空穴浓度相比普通IGBT有大幅度地减小，导致器件的导通电阻偏大。图6中最右侧曲线是作为对比例的FP-RC-IGBT的曲线。从图中我们可以看出：载流子存储层11的厚度对Ron的影响是非常有限的。当载流子存储层11的厚度增加到一定的数值之后，继续增加厚度对Ron的影响不大。而载流子存储层11的浓度对Ron的影响显著，适当增大载流子存储层11的载流子浓度可以有效较低器件的Ron，但是过大的载流子浓度也会影响器件的其他特征值，如击穿电压BV等。但是在器件内部增加载流子存储层11仍然是减小器件导通电阻的有效方法之一。

抑制Snapback现象：

图7所示是本发明新结构反向导通绝缘栅双极型晶体管的snapback峰值电压受p型浮层区14的长度影响变化曲线。前文讨论过，要抑制RC-IGBT中的snapback现象，就要能有效的预防器件在低电压时通过n型集电区12提前导通，因此增加n型集电区12上p型浮层区14的长度，有效地减小了n型集电区12在低电压时的导通面积，使得低电压时的导通电流处在漏电流的数量级水平，有效地抑制了器件的snapback现象。

击穿电压BV：

从图8可以看出，新结构RC-IGBT器件的击穿电压会受到载流子存储层11的载流子浓度的影响。在载流子存储层11的载流子浓度超过一定的数值之后，器件的击穿电压会随着浓度的升高有一个急剧的下降，从而降低器件的耐压上限值。但是，当载流子存储层11的载流子浓度只是在一个低于1*10¹⁵cm^-3的浓度范围内波动时，器件的击穿电压不会受到明显的影响，而在这个浓度下，器件导通电阻已经有一个幅度很明显的减小。

而从图9则知道，新结构RC-IGBT器件在击穿时的电场分布图不是穿通IGBT的三角形，而是一个更大面积的梯形。梯形的击穿电场可以保证器件获得较高的击穿电压而不会要求使用非常厚的耐压漂移层，因此新器件很好地吸收了穿通器件导通电阻小，承压能力强的优点。

反向工作时二极管的正向电压V_F的讨论：

从器件反向工作时的Ics-Vcs特性图10所示曲线可以知道：载流子存储层11的掺杂浓度Ncs对器件反向工作的压降电压V_F影响有限，器件的V_F只有轻微的变化，而且反向电压V_F的峰值也比较理想，约为0.7V。

二，动态电学特性参数

衡量一个IGBT器件性能的指标除了静态参数的表征之外，要了解IGBT的开关特性可以从关断时间Toff和反向恢复时间Trr等参数入手。而器件的开启时间一般在讨论时会被忽略，因为IGBT器件的开启时间约等于顶部MOS管的开启时间，这个时间相对于关断时间很短，要低几个数量级，因此通常只需要讨论关断时间就够了。此外，由于在IGBT器件工艺参数设计时，一个参数的选择往往对器件会产生正反两方面的影响，因此折中曲线经常被用来衡量一个新结构IGBT是否具有显著的优点。

相对于先前提出的FP-RC-IGBT器件来说，本发明所设计的新结构RC-IGBT器件在关断时间上没有明显的变慢，而从图11中的特性折中曲线图可以看到，本发明新结构反向导通绝缘栅双极型晶体管由于在Ron上有明显的改善，因此对器件折中曲线的改善很明显：在相同的关断功耗下，新器件的通态电压要比FP-RC-IGBT有一个大幅度的降低。图12所示是本发明新结构反向导通绝缘栅双极型晶体管反向工作时的快速恢复曲线，可以看出基本与FP-RC-IGBT相当。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种新结构反向导通绝缘栅双极型晶体管，包括衬底，衬底内的n型漂移区，衬底正面的栅极和发射极，以及衬底背面的集电极，所述栅极与发射极在衬底表面相间排布，所述栅极的底面设有绝缘层，其特征在于，所述衬底正面设有与所述n型漂移区相连的n型载流子存储层，所述载流子存储层的掺杂浓度大于所述n型漂移区的掺杂浓度，所述载流子存储层内设有p阱区，所述p阱区内设有n型掺杂区，所述发射极位于所述p阱区的正上方，所述n型掺杂区延伸到相邻的所述栅极和所述绝缘层的底部。

2.根据权利要求1所述的新结构反向导通绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，所述集电极包括相互分离的第一集电极和第二集电极，所述第一集电极与衬底内的n型集电区相连，所述第二集电极与衬底内的p型集电区相连；所述p型集电区与所述n型漂移区之间设有将所述p型集电区包围的n型缓冲区；所述n型集电区与所述n型漂移区之间设有将所述n型集电区半包围的p型浮层区，使得所述n型集电区仅部分与所述n型漂移区相连。

3.根据权利要求2所述的新结构反向导通绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，所述p型浮层区将所述n型集电区半包围的一侧与所述n型缓冲区相连，所述p型浮层区的上部与所述n型漂移区相连。

4.根据权利要求1所述的新结构反向导通绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，所述载流子存储层与n型漂移区的掺杂浓度差距小于10倍。

5.根据权利要求4所述的新结构反向导通绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，所述n型漂移区的掺杂浓度为1*10¹³～5*10¹⁵cm^-3。

6.根据权利要求4所述的新结构反向导通绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，所述n型漂移区的掺杂浓度为7*10¹³cm^-3±40％，所述p型浮层区的掺杂浓度为5*10¹⁵cm^-3±40％，所述n型缓冲区的掺杂浓度为2*10¹⁵cm^-3±40％，所述n型集电区的掺杂浓度为1*10¹⁹cm^-3±40％，所述p型集电区的掺杂浓度为4*10¹⁷cm^-3±40％，所述载流子存储层的掺杂浓度为5*10¹⁴cm^-3±40％。

7.根据权利要求2所述的新结构反向导通绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，所述p型浮层区的长度为7微米±40％，厚度为2.5微米±40％，所述n型缓冲区的长度为30微米±40％，厚度为3.75微米±40％，所述n型集电区的长度为8微米±40％，厚度为2微米±40％，所述p型集电区的的长度为28微米±40％，厚度为1微米±40％，所述载流子存储层的厚度为1微米±40％。

8.根据权利要求2所述的新结构反向导通绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，所述n型漂移区为n-漂移区，所述p型浮层区为p-浮层区，所述n型缓冲区为n-缓冲区，所述n型集电区为n+集电区，所述p型集电区为p+集电区，所述p阱区为p-阱区，所述n型掺杂区为n+掺杂区。