CN106024876A - 用于消除回滞现象的逆导型横向绝缘栅双极型晶体管器件 - Google Patents
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Abstract
一种用于消除回滞现象的逆导型横向绝缘栅双极型晶体管器件，在提高传统结构关断速度的情况下，消除了回滞现象。该半导体具备：在P型衬底上设有埋氧，在埋氧上设有N型漂移区，其两侧设有N型缓冲区阵列和P型体区，在N型缓冲区列阵的各个N型缓冲区内设有重掺杂P型集电极区，在相邻的重掺杂P型集电极区之间设有第一N型重掺杂区，P型体区内设有P型阱区，P型阱区设有重掺杂P型发射极区，重掺杂P型发射极区周边设有重掺杂N型发射区，在N型漂移区内设有氧化层隔离沟槽，所述沟槽与器件边界共同形成一N型漂移区的局部封闭区，各第一N型重掺杂区分别被氧化层隔离沟槽包围且相邻的重掺杂P型集电极区与N型重掺杂区被氧化层隔离沟槽隔离。
Description
技术领域
本发明主要涉及功率半导体器件技术领域，是一种消除了回滞现象的逆导型横向绝缘栅双极型晶体管，特别适用于高压三相单芯片逆变器集成电路中，用来驱动直流无刷电机。
背景技术
绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)是一种复合型半导体功率器件，结构上相当于MOS栅器件和功率双极型晶体管的结合体，性能上兼具MOS栅器件开关速度快和功率双极型晶体管导通损耗低的优点，很大程度上缓解了高频、低功耗以及高压大电流应用需求，在家用电器、智能电网和交通传输领域应用广泛。
逆导型绝缘栅双极型晶体管(Reverse Conducting Insulated Gate BipolarTransistor，RC-IGBT)作为IGBT基于阳极短路技术发展的产物，将传统的IGBT元胞结构和快恢复二极管(Fast Reverse Diode，FRD)元胞结构集成在一起，除了开关速度快和导通压降低的优点，还具有驱动电路简单、耐高压、良好的SOA特性和器件成本低等优点。然而，逆导型IGBT在兼具众多优点的同时，也不可避免的带来了一些问题，最典型的问题便是回滞现象(Snap Back)的产生。回滞现象产生的原因在于逆导型IGBT的导通必须从LDMOS模式过渡到IGBT模式。
回滞现象的产生会导致器件在刚导通时具有较大的导通压降，增加了器件的导通损耗，使得功率模块的整体损耗增加；不仅如此，回滞现象引起的较大电压变化率还会引起器件稳定性的问题，使得器件容易发生失效。
新型消除了回滞现象的逆导型横向绝缘栅双极型晶体管是本专利提出的一种具有特殊结构的SOI-LIGBT，和逆导型IGBT的原理类似，是将LIGBT元胞结构和肖特基势垒二极管元胞结构集成在一起。本发明结构不仅具有良好的温度特性和SOA特性，器件成本和体积也大大降低，最关键的是，与传统RC-LIGBT结构相比，本发明结构在提高传统结构关断速度的情况下，消除了回滞现象。
发明内容
本发明针对上述问题，提出了一种用于消除回滞现象的逆导型横向绝缘栅双极型晶体管器件，该结构在提高传统结构关断速度的前提下，消除了回滞现象。
一种用于消除回滞现象的逆导型横向绝缘栅双极型晶体管器件，包括：P型衬底，在P型衬底上设有埋氧，在埋氧上设有N型漂移区，在N型漂移区的两侧分别设有N型缓冲区阵列和P型体区，在N型缓冲区阵列的各个N型缓冲区内有重掺杂的P型集电极区，在相邻重掺杂的P型集电极区之间设有第一N型重掺杂区，在P型体区内设有P型阱区，在P型阱区设有重掺杂的P型发射极区，在重掺杂的P型发射极区的周边设有重掺杂的N型发射区，其特征在于，在N型漂移区内设有氧化层隔离沟槽且氧化层隔离沟槽始于N型漂移区上表面并深及埋氧，所述氧化层隔离沟槽与所述器件的边界共同形成一N型漂移区的局部封闭区，各第一N型重掺杂区分别被氧化层隔离沟槽包围且相邻的重掺杂的P型集电极区与N型重掺杂区被氧化层隔离沟槽隔离。
所述的用于消除回滞现象的逆导型横向绝缘栅双极型晶体管器件，其特征在于，在相邻氧化层隔离沟槽之间设有第二N型重掺杂区，在第二N型重掺杂区上设有金属电极且所述金属电极与第二N型重掺杂区欧姆接触，在所述N型漂移区的局部封闭区上设有金属电极且所述金属电极与N型漂移区的局部封闭区形成肖特基接触，所述金属电极与金属电极连接。
所述的用于消除回滞现象的逆导型横向绝缘栅双极型晶体管器件，其特征在于，氧化层隔离沟槽深及埋氧。
所述的用于消除回滞现象的逆导型横向绝缘栅双极型晶体管器件，其特征在于，氧化层隔离沟槽的底部与埋氧之间的距离为0微米～10微米。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
对于传统结构而言，源极，N型漂移区以及P型重掺杂的集电极区构成了SOI-LIGBT结构；源极，N型漂移区以及N型重掺杂的集电极区构成了SOI-LDMOS结构；P型重掺杂的源极，N型漂移区以及N型重掺杂的集电极构成了反向快恢复二极管。对于本发明结构，位于N型漂移区中间的金属电极，N型漂移区以及重掺杂的N型集电极区构成了肖特基势垒二极管结构；源极，N型漂移区以及P型重掺杂的集电极区构成了SOI-LIGBT结构，SOI-LDMOS结构与反向快恢复二极管由于氧化层沟槽的隔离作用而无法形成，即在正向导通情况下载流子无法流入重掺杂的N型集电极区，使得LDMOS与反向快恢复二极管均无法工作。
在正向导通时，传统结构中来自源级的电子会先流入N型重掺杂的集电极区，通过金属电极流出器件，此时没有发生电导调制效应因而漂移区压降较大，当电流进一步增大时，N型缓冲区与P型重掺杂的集电极之间的PN结导通，电子流入P型重掺杂的集电极区，进而发生电导调制效应漂移区压降迅速降低，发生回滞现象；对于本发明结构，由于氧化层沟槽的隔离作用，N型漂移区表面的电子只能沿N型漂移区到达P型重掺杂集电极区而无法到达N型重掺杂集电极区，当阳极处P型重掺杂和N型缓冲区形成的PN结正向导通时，器件正向导通，器件处于LIGBT工作模式。所以本发明结构正向导通时，无需通过LDMOS工作模式的过渡，从根本上消除了回滞现象的产生。
对于本发明结构，肖特基势垒二极管的阳极金属与较低浓度的N漂移区直接接触，在界面处半导体的能带弯曲，从而形成肖特基势垒，其势垒高度要低于传统结构的pn结接触，因而当器件加上反向偏压发生载流子的抽取时，肖特基势垒二极管的导通电压相较于传统结构更低，漂移区中空穴更容易被抽走，器件从导通状态向关断状态的过渡更为迅速，从而提高了器件的开关速度。
综上所述，本发明结构不但通过结构的创新消除了回滞现象，降低了器件的导通损耗，规避了器件产生较大的电压变化率，而且由于肖特基势垒二极管的引入提高了器件的关断速度，从而使得器件的可靠性与稳定性进一步提高。
附图说明
图1所示为传统逆导型横向绝缘栅双极型晶体管的器件剖面结构图。
图2所示为本发明结构的俯视图。
图3所示为本发明结构的剖面结构图。
图4所示为本发明结构的剖面示意图。
图5所示为传统结构正向导通电流产生和构成机制剖面示意图。
图6所示为本发明结构正向导通电流产生和构成机制剖面示意图。
图7所示为传统结构电压反偏电流产生和构成机制剖面示意图。
图8所示为本发明结构电压反偏电流产生和构成机制剖面示意图。
图9所示为本发明结构与传统结构的耐压比较图。
图10所示为本发明结构与传统结构的I-V曲线对比图。
图11所示为本发明结构与传统结构的关断比较图。
具体实施方式
下面结合图2、图3，图4，对本发明做详细说明：
一种用于消除回滞现象的逆导型横向绝缘栅双极型晶体管器件，包括：P型衬底1，在P型衬底1上设有埋氧2，在埋氧2上设有N型漂移区3，在N型漂移区3的两侧分别设有N型缓冲区阵列和P型体区4，在N型缓冲区阵列的各个N型缓冲区12内有重掺杂的P型集电极区13，在相邻重掺杂的P型集电极区13之间设有第一N型重掺杂区14，在P型体区4内设有P型阱区5，在P型阱区5设有重掺杂的P型发射极区6，在重掺杂的P型发射极区6的周边设有重掺杂的N型发射区7，其特征在于，在N型漂移区3内设有氧化层隔离沟槽11且氧化层隔离沟槽11始于N型漂移区3上表面并深及埋氧2，所述氧化层隔离沟槽11与所述器件的边界共同形成一N型漂移区3的局部封闭区，各第一N型重掺杂区14分别被氧化层隔离沟槽11包围且相邻的重掺杂的P型集电极区13与N型重掺杂区14被氧化层隔离沟槽11隔离。
所述的用于消除回滞现象的逆导型横向绝缘栅双极型晶体管器件，其特征在于，在相邻氧化层隔离沟槽11之间设有第二N型重掺杂区8，在第二N型重掺杂区8上设有金属电极9且所述金属电极9与第二N型重掺杂区8欧姆接触，在所述N型漂移区3的局部封闭区上设有金属电极10且所述金属电极10与N型漂移区3的局部封闭区形成肖特基接触，所述金属电极9与金属电极10连接。
所述的用于消除回滞现象的逆导型横向绝缘栅双极型晶体管器件，其特征在于，氧化层隔离沟槽11深及埋氧2。
所述的用于消除回滞现象的逆导型横向绝缘栅双极型晶体管器件，其特征在于，氧化层隔离沟槽11的底部与埋氧2之间的距离为0微米～10微米。
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：
在传统RC-LIGBT结构中，当器件导通时，如图5，P型重掺杂的源极、N型漂移区和集电极N型重掺杂区构成了一个PIN二极管；源级，N型漂移区与P型重掺杂的集电极构成了一个SOI-LIGBT结构，上述LIGBT和PIN二极管反向并联。在传统的RC-LIGBT导通初期，栅极加正向偏压，P-body区和P-well区反型形成电子沟道，电子在电场作用下漂移至器件的阳极，如图中过程I所示，此时电子电流较小，部分电子在传统RC-LIGBT的N型缓冲区中靠近阳极P型重掺杂区的区域内形成积累，在器件阳极P型重掺杂区和N型缓冲区形成的PN结正向导通前，这部分电子横向流经阳极N型重掺杂区并流出，并且几乎没有载流子从阳极P型重掺杂区流出，这时传统RC-LIGBT结构相当于一个正向导通的LDMOS，上述LDMOS结构由源级，N型漂移区，N型重掺杂的集电极构成，因而没有电导调制效应发生，所以导通初期器件的正向压降较大。当器件阳极处的PN结正向导通时，如图中过程II所示，这时候大量载流子通过该PN结，传统的RC-LIGBT结构相当于正向导通的LIGBT，因此会有空穴注入至漂移区，即发生电导调制，所以器件导通压降大大降低。在传统的RC-LIGBT进入正向导通的LIGBT工作模式前，必须首先经历正向导通的LDMOS工作模式，而后传统的RC-LIGBT正向导通压降会经历一次突降，但电流仍然有所增加，即回滞现象。
本发明结构正向导通时，如图6，金属电极10，被氧化层隔离的N型漂移区以及重掺杂的N型集电极区构成了肖特基势垒二极管，当在栅电极上施加正电压，P-well区和P-body区表面发生反型，形成一个电子沟道，发射极电子通过此沟道从N型发射极区注入到N型漂移区中，一方面由于氧化层沟槽的隔离作用，N漂移区表面的电子无法流入肖特基势垒二极管区域，另一方面，由于此时肖特基势垒二极管反偏，几乎没有载流子经过肖特基二极管区域，以上两方面因素使得电子只能流入重掺杂的P型集电极区，而不能流入重掺杂的N型集电极区，因而由源级，N型漂移区与P型重掺杂的集电极组成的LIGBT处于正向导通状态，而由源级，N型漂移区与N型重掺杂的集电极组成的LDMOS则处于抑制状态，所以本器件在正向导通时直接进入LIGBT工作模式，从根本上消除了回滞现象的发生。
当给本发明结构加反向电压时，如图8，N型漂移区等离子体中的空穴和电子在电场作用下分别被阳极和阴极抽取，形成空穴电流和电子电流。特别的是，此时肖特基势垒二极管处于导通状态，由于肖特基势垒二极管的阳极通过一根金属电极和SOI-LIGBT漂移区上方N型重掺杂区实现相连，所以部分空穴可以通过该金属电极流经肖特基二极管区域流出器件，形成一部分空穴电流。而对于传统结构，如图7，空穴虽然也能通过阴极金属被抽去掉，然而是通过势垒较高的pn结抽取，对于本结构而言，由于肖特基势垒二极管势垒较低，因此载流子更加容易被抽取，所以本发明结构关断速度比传统器件更快。
和传统的RC-LIGBT结构相比，本发明结构在提高原有关断速度的情况下，消除了回滞现象的产生。
为验证本发明结构的优点，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9-图11。图9是本发明结构和传统结构的耐压比较图，由图可见，本发明的耐压略小于传统结构，这是因为牺牲了一部分漂移区来集成肖特基势垒二极管。图10是本发明结构和传统结构I-V曲线图，由图可见传统结构会产生明显的回滞现象，但是本发明结构则没有这种现象，曲线接近于理想的SOI-LIGBT的I-V曲线。图11是本发明和传统结构的关断对比，由图可见，本发明结构比传统结构关断速度更快，这意味着关断损耗也有所降低。
综上所述，本发明结构以牺牲部分耐压为代价，与传统RC-LIGBT结构相比，在提高原有关断速度的情况下，消除了回滞现象，除此以外，器件的集成度也大大提高，这意味着器件成本和体积会有所降低。
Claims (4)
1.一种用于消除回滞现象的逆导型横向绝缘栅双极型晶体管器件，包括：P型衬底(1)，在P型衬底(1)上设有埋氧(2)，在埋氧(2)上设有N型漂移区(3)，在N型漂移区(3)的两侧分别设有N型缓冲区阵列和P型体区(4)，在N型缓冲区阵列的各个N型缓冲区(12)内有重掺杂的P型集电极区(13)，在相邻重掺杂的P型集电极区(13)之间设有第一N型重掺杂区(14)，在P型体区(4)内设有P型阱区(5)，在P型阱区(5)设有重掺杂的P型发射极区(6)，在重掺杂的P型发射极区(6)的周边设有重掺杂的N型发射区(7)，其特征在于，在N型漂移区(3)内设有氧化层隔离沟槽(11)且氧化层隔离沟槽(11)始于N型漂移区(3)上表面并深及埋氧(2)，所述氧化层隔离沟槽(11)与所述器件的边界共同形成一N型漂移区(3)的局部封闭区，各第一N型重掺杂区(14)分别被氧化层隔离沟槽(11)包围且相邻的重掺杂的P型集电极区(13)与N型重掺杂区(14)被氧化层隔离沟槽(11)隔离。
2.根据权利要求1所述的用于消除回滞现象的逆导型横向绝缘栅双极型晶体管器件，其特征在于，在相邻氧化层隔离沟槽(11)之间设有第二N型重掺杂区(8)，在第二N型重掺杂区(8)上设有金属电极(9)且所述金属电极(9)与第二N型重掺杂区(8)欧姆接触，在所述N型漂移区(3)的局部封闭区上设有金属电极(10)且所述金属电极(10)与N型漂移区(3)的局部封闭区形成肖特基接触，所述金属电极(9)与金属电极(10)连接。
3.根据权利要求1所述的用于消除回滞现象的逆导型横向绝缘栅双极型晶体管器件，其特征在于，氧化层隔离沟槽(11)深及埋氧(2)。
4.根据权利要求1所述的用于消除回滞现象的逆导型横向绝缘栅双极型晶体管器件，其特征在于，氧化层隔离沟槽(11)的底部与埋氧(2)之间的距离为0微米～10微米。
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