CN108122963B - 一种电势控制快速横向绝缘栅双极型晶体管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电势控制快速横向绝缘栅双极型晶体管，包括SOI衬底、漂移区、阳极区、阴极区和栅极区，其特征在于：所述SOI衬底包括埋氧层、衬底层和顶硅层。所述埋氧层覆盖于衬底层之上。所述顶硅层位于埋氧层之上。一种电势控制快速横向绝缘栅双极晶体管的导电功能区在顶硅层中形成。所述漂移区贴附于埋氧层的上方，所述漂移区由N基区构成。所述阳极区和阴极区分别位于N基区的两侧。所述栅极区贴附于阴极区上方。
Description
技术领域
本发明涉及半导体电力电子器件技术领域中的电导调制型高压功率器件，具体是一种电势控制快速横向绝缘栅双极型晶体管。
背景技术
绝缘栅双极型晶体管(IGBT：Insulated Gate Bipolar Transistor)是现代电力电子装备中的一种主流元器件。IGBT结构和工作上的主要特征是MOS栅极控制和电导调制型双极载流子导电模式，因此它具有驱动简单和电流导通能力大的优点。
以绝缘体上硅(SOI：Silicon On Insulator)为衬底材料制作的IGBT通常为横向结构，简称SOI基LIGBT，尤其是薄硅层SOI基LIGBT，是SOI高压集成电路的一个关键组成部分，具有易于与其它功能器件集成的优点。电导调制效应使电流导通能力大幅度提高的同时，也为关断瞬态提供了额外的电子空穴对，使IGBT/LIGBT的关断态出现大的拖尾电流，显著的增加关断损耗。
提高IGBT/LIGBT器件关断速度从而减小开关损耗的一种有效方法是在阳极区提供非平衡载流子抽出通道。抽出通道在关断时迅速减少漂移区内非平衡载流子的总数，以提高器件的关断速度。但非平衡载流子抽出通道结构在器件正向开启过程中，由于载流子从LDMOS导通模式向LIGBT导通模式的转换，导通过程中容易出现负阻效应。
针对通过在阳极区提供非平衡载流子抽出通道来提高LIGBT器件关断速度的方法，如图1至图3所示，现有技术中比较典型的器件结构包括分段阳极短路结构、阳极辅助栅结构和分裂阳极结构。
现有技术中的一种分段阳极短路结构LIGBT如图1所示，该结构在常规LIGBT结构中将P+阳极的一部分用N+阳极替代。N+阳极在关断时提供一条非平衡载流子的抽出通道，但是它也大大降低阳极空穴注入效率，导致导通电阻增大。分段阳极短路结构存在的另一个问题是正向导通特性中容易出现负微分电阻区域(NDR)或者称为电流回扫现象(Snapback)，影响工作稳定性。
现有技术中的一种阳极辅助栅结构LIGBT如图2所示，该结构在常规LIGBT结构基础上，将阳极区设计为与阴极区对称的结构，在阳极区之上增加了阳极辅助栅。器件导通时阳极辅助栅下的阳极沟道不导通，以保证大的空穴注入效率。器件关断时，通过给阳极辅助栅加偏置电压使得阳极沟道导通，以提供非平衡载流子的抽出通道。这种结构的LIGBT有较好的关断速度和导通能力的折衷特性，但是需要额外电路专门对阳极辅助栅加偏置电压，且该偏置电压为浮动电压，因此，驱动复杂、实施制造困难。
现有技术中的一种分裂阳极结构LIGBT如图3所示，该结构的阳极区被部分隔离槽分裂为第一阳极区和第二阳极区。该结构一方面消除了阳极短路结构中在正向特性中引入的负微分电阻区域，另一方面避免了辅助阳极开关结构需外加辅助阳极控制电路的困难。但是该结构第二阳极区的电子抽出通道由部分N阳极缓冲区构成，为了有效抑制NDR，需要较大尺寸的抽出通道结构，这不利于关断时间和导通压降之间约束关系的进一步优化。
现有阳极抽出通道LIGBT结构中，通过一定的阳极结构设计，虽然关断速度得到了提高，但依然存在诸如NDR现象导致的工作可靠性问题、或者额外驱动需求问题、或者关断时间和导通压降之间约束关系难以进一步优化的问题等等。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中存在的问题，提供一种电势控制快速横向绝缘栅双极型晶体管。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种电势控制快速横向绝缘栅双极型晶体管，包括SOI衬底、漂移区、阳极区、阴极区和栅极区，其特征在于：所述SOI衬底包括埋氧层、衬底层和顶硅层。
所述埋氧层覆盖于衬底层之上。
所述顶硅层位于埋氧层之上。
一种电势控制快速横向绝缘栅双极晶体管的导电功能区在顶硅层中形成。
所述漂移区贴附于埋氧层的上方，所述漂移区由N基区构成。
所述阳极区和阴极区分别位于N基区的两侧。
所述栅极区贴附于阴极区上方。
进一步，所述阳极区包括：N阳极缓冲区、阳极、P+阳极区、N+阳极区、部分隔离槽和耗尽P电势控制区。
所述N阳极缓冲区和耗尽P电势控制区均贴附于埋氧层之上。所述N阳极缓冲区与N基区连接，所述耗尽P电势控制区与N基区不连接。
所述P+阳极区贴附于N阳极缓冲区之上，所述P+阳极区与N基区隔离。
所述N+阳极区贴附于耗尽P电势控制区之上的部分区域。
所述耗尽P电势控制区之上的部分区域由介质层或P+阳极区覆盖。
所述部分隔离槽使N阳极缓冲区与耗尽P电势控制区部分隔离并部分连通。所述部分隔离槽向下延伸到埋氧层。
所述阳极覆盖于P+阳极区和N+阳极区之上。
进一步，所述阴极区包括：阴极、P+阴极区、N+阴极区和P体区。
所述P体区贴附于埋氧层之上。
所述P+阴极区和N+阴极区并列贴附于P体区之上。所述P+阴极区和N+阴极区与N基区隔离。
所述阴极覆盖于P+阴极区和N+阴极区之上。
进一步，所述栅极区包括：栅极和栅介质层。所述栅介质层贴附于阴极区之上。所述栅极贴附于栅介质层之上，所述栅极与阴极区隔离。
本发明的技术效果是毋庸置疑的，本发明具有以下优点：
1)本发明能够有效抑制了阳极抽出通道LIGBT正向导通特性中的NDR现象，提高工作稳定性；
2)本发明具有更加优化的导通损耗与关断损耗之间的折衷关系，进一步优化了关断时间和导通压降之间的约束关系。
附图说明
图1是现有技术中分段阳极短路结构LIGBT的结构示意图；
图2是现有技术中阳极辅助栅结构LIGBT的结构示意图；
图3为现有技术中的分裂阳极结构LIGBT的结构示意图；
图4是本发明实施例1的结构示意图；
图5是本发明实施例2的关键结构示意图；
图6为本发明实施例2中的关键结构示意图。
图中：阴极1、P+阴极区2、N+阴极区3、P体区4、埋氧层5、衬底层6、栅极7、栅介质层8、N基区9、N阳极缓冲层10、阳极辅助栅11、阳极辅助栅介质层12、阳极13、P+阳极区14、N+阳极区15、P阳极区16、部分隔离槽17、耗尽P电势控制区18。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
如图4所示，一种电势控制快速横向绝缘栅双极型晶体管，包括SOI衬底、漂移区、阳极区、阴极区和栅极区，其特征在于：所述SOI衬底包括埋氧层5、衬底层6和顶硅层。
所述埋氧层5覆盖于衬底层6之上。
所述顶硅层位于埋氧层5之上。
一种电势控制快速横向绝缘栅双极晶体管的导电功能区在顶硅层中形成。
所述漂移区贴附于埋氧层5的上方，所述漂移区由N基区9构成。
所述阳极区和阴极区分别位于N基区9的两侧。
所述栅极区贴附于阴极区上方。
所述衬底层6由P型或者N型硅材料构成，其典型杂质浓度为14次方；
所述埋氧层5根据所设计器件的耐压要求确定，典型的厚度为0.5μm到5μm；
所述顶硅层或者N基区9的厚度定型的选择厚度为0.5μm到2μm，该取值范围对应于薄顶硅层SOI基或者超薄顶硅层SOI基LIGBT器件，这个范围对于耗尽P电势控制区18的形成是有益的；N基区9的杂质浓度选择需要满足SOI器件的Resurf原理；
所述阳极区包括：N阳极缓冲区10、阳极13、P+阳极区14、N+阳极区15、部分隔离槽17和耗尽P电势控制区18。
所述N阳极缓冲区10和耗尽P电势控制区18均贴附于埋氧层5之上。所述N阳极缓冲区10与N基区9连接，所述耗尽P电势控制区18与N基区9不连接。
所述耗尽P电势控制区18为杂质浓度极低的P型杂质区，其典型杂质浓度为11次方，在外部不加电压激励的条件下，所述P型杂质区能够被本征耗尽从而形成高阻耗尽区；
所述P+阳极区14贴附于N阳极缓冲区10之上，所述P+阳极区14与N基区9隔离；
所述N+阳极区15贴附于耗尽P电势控制区18之上的部分区域。
所述耗尽P电势控制区18之上的部分区域由P+阳极区14覆盖。
位于P+阳极区下方的耗尽P电势控制区为关键区域，对于所述快速横向绝缘栅双极型晶体管的优化其非常关键的作用；
所述部分隔离槽17使N阳极缓冲区10与耗尽P电势控制区18部分隔离并部分连通。所述部分隔离槽17向下延伸到埋氧层5。
所述阳极13覆盖于P+阳极区14和N+阳极区15之上。
所述阴极区包括：阴极1、P+阴极区2、N+阴极区3和P体区4。
所述P体区4贴附于埋氧层5之上。
所述P+阴极区2和N+阴极区3并列贴附于P体区4之上。所述P+阴极区2和N+阴极区3与N基区9隔离。
所述阴极1覆盖于P+阴极区2和N+阴极区3之上。
所述栅极区包括：栅极7和栅介质层8。所述栅介质层8贴附于阴极区之上。所述栅极7贴附于栅介质层8之上，所述栅极7与阴极区隔离。
实施例2：
一种电势控制快速横向绝缘栅双极型晶体管，包括SOI衬底、漂移区、阳极区、阴极区和栅极区，其特征在于：所述SOI衬底包括埋氧层5、衬底层6和顶硅层。
所述埋氧层5覆盖于衬底层6之上。
所述顶硅层位于埋氧层5之上。
一种电势控制快速横向绝缘栅双极晶体管的导电功能区在顶硅层中形成。
所述漂移区贴附于埋氧层5的上方，所述漂移区由N基区9构成。
所述阳极区和阴极区分别位于N基区9的两侧。
所述栅极区贴附于阴极区上方。
所述衬底层6由P型或者N型硅材料构成，其典型杂质浓度为14次方；
所述埋氧层5根据所设计器件的耐压要求确定，典型的厚度为0.5μm到5μm；
所述顶硅层或者N基区9的厚度定型的选择厚度为0.5μm到2μm，该取值范围对应于薄顶硅层SOI基或者超薄顶硅层SOI基LIGBT器件，这个范围对于耗尽P电势控制区18的形成是有益的；N基区9的杂质浓度选择需要满足SOI器件的Resurf原理；
所述阳极区包括：N阳极缓冲区10、阳极13、P+阳极区14、N+阳极区15、部分隔离槽17和耗尽P电势控制区18。
所述N阳极缓冲区10和耗尽P电势控制区18均贴附于埋氧层5之上。所述N阳极缓冲区10与N基区9连接，所述耗尽P电势控制区18与N基区9不连接。
所述耗尽P电势控制区18为杂质浓度极低的P型杂质区，其典型杂质浓度为11次方，在外部不加电压激励的条件下，所述P型杂质区能够被本征耗尽从而形成高阻耗尽区；
所述P+阳极区14贴附于N阳极缓冲区10之上，所述P+阳极区14与N基区9隔离。
所述N+阳极区15贴附于耗尽P电势控制区18之上的部分区域。
所述耗尽P电势控制区18之上的部分区域由介质层，这里选择二氧化硅覆盖，如图5所示。
位于二氧化硅下方的耗尽P电势控制区为关键区域，对于所述快速横向绝缘栅双极型晶体管的优化起关键作用；
所述位于耗尽P电势控制区之上的二氧化硅层可以通过硅氧化的方式形成，形成的过程也会消耗一定厚度的硅，因此通过该二氧化硅层的厚度控制也能控制耗尽P电势控制区的厚度，这对于器件设计是非常有益处的；
所述部分隔离槽17使N阳极缓冲区10与耗尽P电势控制区18部分隔离并部分连通。所述部分隔离槽17向下延伸到埋氧层5。
所述阳极13覆盖于P+阳极区14和N+阳极区15之上。
所述阴极区包括：阴极1、P+阴极区2、N+阴极区3和P体区4。
所述P体区4贴附于埋氧层5之上。
所述P+阴极区2和N+阴极区3并列贴附于P体区4之上。所述P+阴极区2和N+阴极区3与N基区9隔离。
所述阴极1覆盖于P+阴极区2和N+阴极区3之上。
所述栅极区包括：栅极7和栅介质层8。所述栅介质层8贴附于阴极区之上。所述栅极7贴附于栅介质层8之上，所述栅极7与阴极区隔离。
Claims (2)
1.一种电势控制快速横向绝缘栅双极型晶体管，包括SOI衬底、漂移区、阳极区、阴极区和栅极区，其特征在于：所述SOI衬底包括埋氧层(5)、衬底层(6)和顶硅层；
所述埋氧层(5)覆盖于衬底层(6)之上；
所述顶硅层位于埋氧层(5)之上；
一种电势控制快速横向绝缘栅双极晶体管的导电功能区在顶硅层中形成；
所述漂移区贴附于埋氧层(5)的上方，所述漂移区由N基区(9)构成；
所述阳极区和阴极区分别位于N基区(9)的两侧；
所述阳极区包括：N阳极缓冲区(10)、阳极(13)、P+阳极区(14)、N+阳极区(15)、部分隔离槽(17)和耗尽P电势控制区(18)；
所述N阳极缓冲区(10)和耗尽P电势控制区(18)均贴附于埋氧层(5)之上；所述N阳极缓冲区(10)与N基区(9)连接，所述耗尽P电势控制区(18)与N基区(9)不连接；
所述P+阳极区(14)贴附于N阳极缓冲区(10)之上，所述P+阳极区(14)与N基区(9)隔离；
所述N+阳极区(15)贴附于耗尽P电势控制区(18)之上的部分区域；
所述耗尽P电势控制区(18)之上的部分区域由介质层或P+阳极区(14)覆盖；
所述部分隔离槽(17)使N阳极缓冲区(10)与耗尽P电势控制区(18)部分隔离并部分连通；所述部分隔离槽(17)向下延伸到埋氧层(5)；
所述阳极(13)覆盖于P+阳极区(14)和N+阳极区(15)之上；
所述栅极区贴附于阴极区上方；
所述栅极区包括：栅极(7)和栅介质层(8)；所述栅介质层(8)贴附于阴极区之上；所述栅极(7)贴附于栅介质层(8)之上，所述栅极(7)与阴极区隔离。
2.根据权利要求1所述的一种电势控制快速横向绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，所述阴极区包括：阴极(1)、P+阴极区(2)、N+阴极区(3)和P体区(4)；
所述P体区(4)贴附于埋氧层(5)之上；
所述P+阴极区(2)和N+阴极区(3)并列贴附于P体区(4)之上；所述P+阴极区(2)和N+阴极区(3)与N基区(9)隔离；
所述阴极(1)覆盖于P+阴极区(2)和N+阴极区(3)之上。
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