CN106847888A - 一种具有垂直场板结构的集电极igbt - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有垂直场板结构的集电极IGBT，属于半导体功率器件领域；在槽栅IGBT的基础上，采用垂直RESURF结构使器件耗尽层在漂移区向横向，纵向两个方向扩展，改善电场分布，最大限度发掘材料极限；采用双层外延结构来提高局部漂移区的掺杂浓度，使电流导通能力相同的情况下，降低背发射极注入效率，从而降低导通态下存储的过剩载流子，提高关断速度；发射极(阴极)与场板相连，将部分栅‑集电极电容转变成集电极‑发射极电容，从而降低器件开关过程中的Miller电容，进一步提高栅电容的充放电速度和开通速度，降低开关损耗；提高IGBT工作性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有垂直场板结构的集电极IGBT(绝缘栅双极型晶体管)，属于半导体功率器件领域。
背景技术
IGBT是一种电压控制型器件，它结合了双极型功率晶体管的低导通压降跟功率MOS栅压电压控制的优点，其开通与关断可以通过栅极电压来驱动。它的驱动功率较低，工作条件简单，不需要缓冲电路，还具有较强的抗短路能力，一般工作要求IGBT能够在一定时间内承受短路电流而不被烧毁，以便系统有足够的时间启动保护电路。因此与其他功率半导体器件相比，IGBT具有驱动电路简单、控制功率小、开关频率高、电压型驱动、饱和压降低、高电压承受力强、大电流等一系列优点，在各行各业上得到了广泛应用。现如今应用广泛的有槽栅IGBT，沟槽栅技术是在IGBT的Si片正面挖许多又浅又密的沟槽，把栅电极和栅氧化层做在沟槽侧壁上，能够适当减小IGBT的导通电阻。
IGBT工作原理如下：当集电极跟发射极加正向电压时，由IGBT通路中N-漂移区到P阱形成反偏PN结，根据PN结正向导通，反向截止的特性，此时器件呈阻断态。当在发射极跟栅极之间加一个超过MOS结构阈值电压的电压时，栅极下面的P阱产生反型层，形成N沟道，此时电子从N+源区通过N沟道进入N-漂移区，相当于形成PIN二极管；在集电极一侧的正向电压使P+区与N-漂移区组成的PN结产生正向压降，空穴从P+区进入N-漂移区,载流子浓度增加，降低了漂移区电阻浓度；同时电子与空穴的积累，产生电导调制效应，降低通态压降，从而使IGBT处于良好工作状态。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种具有垂直场板结构的集电极IGBT，是在槽栅IGBT的基础上，采用垂直RESURF结构使器件耗尽层在漂移区向横向，纵向两个方向扩展，改善电场分布，最大限度发掘材料极限；采用双层外延结构来提高局部漂移区的掺杂浓度，使电流导通能力相同的情况下，降低背发射极注入效率，从而降低导通态下存储的过剩载流子，提高关断速度；发射极(阴极)与场板相连，将部分栅-集电极电容转变成集电极-发射极电容，从而降低器件开关过程中的Miller电容，进一步提高栅电容的充放电速度和开通速度，降低开关损耗；提高IGBT工作性能。
本发明的技术方案如下：一种具有垂直场板结构的集电极IGBT，该集电极IGBT的元胞结构包括金属源发射极(1)、N+有源区(2)、P+基区(3)、P阱(4)、二氧化硅栅氧化层(5)、氧化层(6)、多晶硅栅极(7)、垂直场板(8)、N-漂移区1(9)、N-漂移区2(10)、N+缓冲层(11)、P外延集电区(12)、LCLC区(13)、背P(14)和金属化集电极(15)。
从底层往上层依次是金属化集电极(15)、背P(14)、LCLC区(13)、P外延集电区(12)、N+缓冲层(11)、N-漂移区2(10)；N-漂移区1(9)位于N-漂移区2(10)的上方，二氧化硅栅氧化层(5)内具有垂直场板(8)，多晶硅栅极(7)与垂直场板(8)和二氧化硅栅氧化层(5)相接触，元胞表面分别与P+基区(3)、氧化层(6)和N+有源区(2)相接触的是金属源发射极(1)，与二氧化硅栅氧化层(5)、多晶硅栅极(7)、垂直场板(8)和N+有源区(2)相接触的是氧化层(6)。垂直场板(8)、多晶硅栅极(7)与二氧化硅栅氧化层(5)组成槽栅结构。
所述槽栅采用垂直RESURF结构，纵向场板采用的是多级场板结构，垂直场板级数为2-4；外延层与垂直场板结构匹配，采用双层外延结构；同时发射极即阴极与场板相连，将部分栅-集电极电容转变成集电极-发射极电容；而且元胞设计匹配哑元胞，哑元胞与正常元胞个数的比例为3：1到5：1。
本发明提供的具有垂直场板结构的集电极IGBT，由于槽栅采用垂直RESURF结构，使器件耗尽层在漂移区向横向、纵向两个方向扩展，改变电场分布，最大限度发掘材料极限；发射极与场板相连，将栅-集电极电容转变成集电极-发射极电容，从而降低器件开关过程中的Miller电容，进一步提高栅电容的充放电速度，提高开通速度，降低开关损耗。以图2说明具有垂直场板结构的集电极IGBT的工作原理。
本发明提供的具有垂直场板结构的集电极IGBT，是在内透明集电极的基础上，利用电荷耦合思想，将垂直RESURF思想用在槽栅IGBT上，采用垂直RESURF结构使器件耗尽层在漂移区向横向，纵向两个方向扩展，改善电场分布，最大限度发掘材料极限。采用垂直场板结构，双层外延结构，利用垂直场板结构优化场效应，双层外延结构提高局部漂移区的掺杂浓度来综合提高IGBT关断速度。
如图1所示普通槽栅IGBT拥有较大的栅漏电容，当栅极加上交流开关脉冲信号时，栅极电容会进行充放电，减慢器件的开关速度。同时，槽栅IGBT器件导通时，集电极不断向漂移区注入空穴进行电导调制，导通时会注入大量的空穴，导致IGBT关断时，漂移区内未复合的过剩载流子需要从发射极和集电极流出，于是关断速度慢，产生拖尾电流。而本发明提供的具有垂直场板结构的新型集电极IGBT如图2所示，通过采用RESURF结构，使器件耗尽层在漂移区向横向，纵向两个方向扩展，改变电场分布，最大限度发掘材料极限，纵向场板采用的是多级场板结构，采用的垂直场板级数为2-4，以此来优化场效应；与垂直场板结构匹配，采用双层外延结构，提高局部漂移区的掺杂浓度，从而在较低背发射极注入效率下，获得与普通结构相同或相当的电流导通能力。较低的背发射极注入效率，可降低导通态下存储的过剩载流子，提高关断速度；同时发射极(阴极)与场板相连，将部分栅-集电极电容转变成集电极-发射极电容，从而降低器件开关过程中的Miller电容，对改善开关速度、有进一步降低开关损耗的作用；为减小器件短路电流，提高器件坚固性，元胞设计匹配哑元胞，哑元胞与正常元胞个数的比例为3：1到5：1，以此形成等效宽槽结构。通过以上几个方面的综合设计，改善IGBT性能。
综上所述，本发明提供的具有垂直场板结构的集电极IGBT，能够有效降低器件开关过程中的Miller电容，降低背发射极注入效率，进一步改善开关速度，降低开关损耗，使IGBT获得更好的开关损耗与通态压降的折中曲线。
附图说明
图1为传统槽栅IGBT基本结构示意图。
图2为本发明提供的具有垂直场板结构的新型集电极IGBT结构示意图。
图中：1是金属源发射极，2是N+有源区，3是P+基区，4是P阱，5是二氧化硅栅氧化层，6是氧化层，7是多晶硅栅极，8是垂直场板，9是N-漂移区1，10是N-漂移区2，11是N+缓冲层，12是P外延集电区，13是LCLC区，14是背P，15是金属化集电极。
+符号代表空穴，-符号代表电子。
具体实施方式
一种具有垂直场板结构的集电极IGBT，其元胞结构包括金属源发射极(1)、N+有源区(2)、P+基区(3)、P阱(4)、二氧化硅栅氧化层(5)、氧化层(6)、多晶硅栅极(7)、垂直场板(8)、N-漂移区1(9)、N-漂移区2(10)、N+缓冲层(11)、P外延集电区(12)、LCLC区(13)、背P(14)、金属化集电极(15)；
器件从底层往上依次是金属化集电极(15)、背P(14)、LCLC区(13)、P外延集电区(12)、N+缓冲层(11)、N-漂移区2(10)；N-漂移区1(9)位于N-漂移区2(10)上方，二氧化硅栅氧化层(5)内具有垂直场板(8)，多晶硅栅极(7)与垂直场板(8)和二氧化硅栅氧化层(5)相接触，元胞表面分别与P+基区(3)、氧化层(6)和N+有源区(2)相接触的是金属源发射极(1)，与二氧化硅栅氧化层(5)、多晶硅栅极(7)、垂直场板(8)和N+有源区(2)相接触的是氧化层(6)。垂直场板(8)，多晶硅栅极(7)与二氧化硅栅氧化层(5)组成槽栅结构。
需要进一步说明的是，所述槽栅采用垂直RESURF结构，纵向场板采用的是多级场板结构，采用的垂直场板级数为2-4；外延层与垂直场板结构匹配，采用双层外延结构；同时发射极(阴极)与场板相连，将部分栅-集电极电容转变成集电极-发射极电容；而且元胞设计匹配哑元胞，哑元胞与正常元胞个数的比例为3：1到5：1。
一种具有垂直场板结构的集电极IGBT，其具体实现方法如下，衬底选择：N型(100)单晶硅，初始氧化，淀积氮化硅，光刻，干氧生长氧化层，刻蚀氧化层，栅氧化，淀积多晶硅，多晶硅刻蚀，P阱注入(B+)，光刻(打开P-body注入窗口)，P-body注入(B+)，硼结推进，光刻(打开N+注入窗口)，As-注入形成N+区，淀积二氧化硅(栅阴隔离)，背面减薄后，阳极注入形成N+缓冲层，缓冲层推进，阳极注入形成P+集电区，光刻(接触孔光刻)，孔刻蚀，铝淀积，反刻铝，经过合金化、钝化后进行背面金属化。
Claims (5)
1.一种具有垂直场板结构的集电极IGBT，其特征在于：该集电极IGBT的元胞结构包括金属源发射极(1)、N+有源区(2)、P+基区(3)、P阱(4)、二氧化硅栅氧化层(5)、氧化层(6)、多晶硅栅极(7)、垂直场板(8)、N-漂移区1(9)、N-漂移区2(10)、N+缓冲层(11)、P外延集电区(12)、LCLC区(13)、背P(14)和金属化集电极(15)；
从底层往上层依次是金属化集电极(15)、背P(14)、LCLC区(13)、P外延集电区(12)、N+缓冲层(11)、N-漂移区2(10)；N-漂移区1(9)位于N-漂移区2(10)的上方，二氧化硅栅氧化层(5)内具有垂直场板(8)，多晶硅栅极(7)与垂直场板(8)和二氧化硅栅氧化层(5)相接触，元胞表面分别与P+基区(3)、氧化层(6)和N+有源区(2)相接触的是金属源发射极(1)，与二氧化硅栅氧化层(5)、多晶硅栅极(7)、垂直场板(8)和N+有源区(2)相接触的是氧化层(6)；垂直场板(8)、多晶硅栅极(7)与二氧化硅栅氧化层(5)组成槽栅结构。
2.根据权利要求1所述的一种具有垂直场板结构的集电极IGBT，其特征在于：所述槽栅采用垂直RESURF结构，纵向场板采用的是多级场板结构，垂直场板级数为2-4；外延层与垂直场板结构匹配，采用双层外延结构；同时发射极即阴极与场板相连，将部分栅-集电极电容转变成集电极-发射极电容；而且元胞设计匹配哑元胞，哑元胞与正常元胞个数的比例为3：1到5：1。
3.根据权利要求1所述的一种具有垂直场板结构的集电极IGBT，其特征在于：由于槽栅采用垂直RESURF结构，使器件耗尽层在漂移区向横向、纵向两个方向扩展，改变电场分布，最大限度发掘材料极限；发射极与场板相连，将栅-集电极电容转变成集电极-发射极电容，从而降低器件开关过程中的Miller电容，进一步提高栅电容的充放电速度，提高开通速度，降低开关损耗。
4.根据权利要求1所述的一种具有垂直场板结构的集电极IGBT，其特征在于：具有垂直场板结构的集电极IGBT，是在内透明集电极的基础上，利用电荷耦合思想，将垂直RESURF思想用在槽栅IGBT上，采用垂直RESURF结构使器件耗尽层在漂移区向横向，纵向两个方向扩展，改善电场分布，最大限度发掘材料极限；采用垂直场板结构，双层外延结构，利用垂直场板结构优化场效应，双层外延结构提高局部漂移区的掺杂浓度来综合提高IGBT关断速度。
5.根据权利要求1所述的一种具有垂直场板结构的集电极IGBT，其特征在于：当栅极加上交流开关脉冲信号时，栅极电容会进行充放电，减慢器件的开关速度；同时，槽栅IGBT器件导通时，集电极不断向漂移区注入空穴进行电导调制，导通时会注入大量的空穴，导致IGBT关断时，漂移区内未复合的过剩载流子需要从发射极和集电极流出，于是关断速度慢，产生拖尾电流；通过采用RESURF结构，使器件耗尽层在漂移区向横向，纵向两个方向扩展，改变电场分布，最大限度发掘材料极限，纵向场板采用的是多级场板结构，采用的垂直场板级数为2-4，以此来优化场效应；与垂直场板结构匹配，采用双层外延结构，提高局部漂移区的掺杂浓度，从而在较低背发射极注入效率下，获得与普通结构相同或相当的电流导通能力；较低的背发射极注入效率，可降低导通态下存储的过剩载流子，提高关断速度；同时发射极与场板相连，将部分栅-集电极电容转变成集电极-发射极电容，从而降低器件开关过程中的Miller电容，对改善开关速度、有进一步降低开关损耗的作用；为减小器件短路电流，提高器件坚固性，元胞设计匹配哑元胞，哑元胞与正常元胞个数的比例为3：1到5：1，以此形成等效宽槽结构；通过以上几个方面的综合设计，改善IGBT性能。
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