CN110571264A - 一种具有多通道电流栓的sa-ligbt器件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有多通道电流栓的SA‑LIGBT器件，属于功率半导体器件领域。本发明的多通道电流栓的SA‑LIGBT器件主要是在器件的集电极区域设置n个横向P柱，形成多个电子通道，构成电流栓结构，具有以下作用：(1)正向导通时，电流栓相对于对电子电流呈关闭状态，使得晶体管的集电极短路电阻增大，从而完全消除传统SA‑LIGBT的snapback效应；(2)正向导通时降低压降Von；(3)关断时，P柱之间形成的三条电子通道可有效提高电子的抽取效率，减少关断时间。
Description
技术领域
本发明属于功率半导体器件领域，具体涉及一种具有多通道电流栓的SA-LIGBT器件。
背景技术
L IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极性晶体管)是一种MOSFET和BJT管相结合的双极性半导体功率器件，具有导通压降低、驱动功耗低和工作频率高等优点，被广泛应用于通信技术、新能源设备和各类消费电子领域，是电子电力系统的核心器件。其中LIGBT(Lateral Insulated Gate Bipolar Transistor，横向绝缘栅双极性晶体管)易于集成在Si基上，通常应用在SOI基的功率智能系统中，是双极性半导体器件的典型代表。
传统的LIGBT在导通时时有电子和空穴两种载流子参与导电。在关断时，储存在漂移区中的大量载流子会使晶体管产生较大的关断损耗，导致晶体管的关断速度减慢。SA-LIGBT(Shorted Anode Insulated Gate Bipolar Transistor，阳极短路型绝缘栅双极性晶体管)在传统LIGBT的基础上，引入了阳极短路结构N-collector。漂移区中的电子可通过N-collector被快速抽取，有效较低了晶体管的关断损耗，加快了晶体管的关断时间。然而，N-collector的引入也会导致晶体管在导通时产生一个从单极性导电模式到双极性模式的转换，使晶体管产生一个电压回跳现象，即snapback效应。Snapback效应会使晶体管电流分布不均，严重影响器件工作的可靠性。
为了更好的促进SA-LIGBT的应用，需要对SA-LIGBT进行进一步改进，改进其结构，以避免snapback效应，提高器件的可靠性。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种具有多通道电流栓的SA-LIGBT器件。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种具有多通道电流栓的SA-LIGBT器件，所述器件的集电极区域中含有n个横向P柱，所述n为正整数，所述n个横向P柱的纵向宽度相等，相邻P柱之间形成的纵向间隔相等，所述P柱中靠近所述器件中p-body的一端纵向对齐，所述P柱中最底层P柱的另一端与所述器件的侧边界相连，所述最底层P柱具有最大的横向长度，其余P柱的横向长度相等。
优选的，所述n为大于等于2的整数。
优选的，所述P柱均被N-buffer 7包围。
优选的，所述P柱中最顶层P柱上方横向并列设置有P-collector 8和N-collector10，所述P-collector与所述N-collector的纵向宽度相等，所述最顶层P柱与P-collector形成的纵向间隔与相邻P柱之间的纵向间隔相等，所述N-collector的一端与所述P-collector相连，所述N-collector的另一端与所述器件的侧边界相连。
优选的，所述P-collector和N-collector的横向长度之和等于所述最底层P柱的横向长度。
优选的，所述集电极区域还包括设置在所述P-collector和N-collector正上方的集电极9。
优选的，所述P柱为重掺杂的P型半导体。
优选的，所述器件还包括从下至上依次设置的P型衬底15、SiO2介质隔离层14、N型漂移区6。
优选的，所述器件还包括P-body 5，所述P-body与所述集电极区域被所述N型漂移区隔离后分别位于所述器件的两端，所述P-body上部还设置有N+电子发射区2，所述N+电子发射区上部从左到右依次设置有发射极1、栅极3、栅氧化层4，所述栅氧化层位于所述栅极正下方。
优选的，所述n为3时，所述器件的集电极区域中含有从上到下依次设置的纵向宽度相等的P柱I11、P柱Ⅱ12、P柱Ⅲ13。
优选的，所述P柱I与P柱Ⅱ之间形成的纵向间隔与P柱Ⅱ和P柱Ⅲ之间形成的纵向间隔相等，所述P柱I和P柱Ⅱ的横向长度相等且小于所述P柱Ⅲ的横向长度，所述P柱I、P柱Ⅱ和P柱Ⅲ中靠近所述器件中p-body的一端纵向对齐，所述P柱Ⅲ的另一端与所述器件的边界相接触。
本发明的有益效果在于：发明公开的一种具有多通道电流栓的SA-LIGBT器件具有以下优点，(1)在正向导通时，n个横向P柱构成的电流栓结构可以与将P柱包围的N-buffer形成PN结，对流向N-collector的电子产生排斥作用，此时由P柱形成的电流栓结构对电子电流相当于关闭状态，致使集电极短路电阻增大，从而消除传统SA-LIGBT带来的snapback效应；(2)在关断时，横向P柱之间形成的电子通道可以使电子被N-collector迅速抽取，有效减少了器件的关断时间。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为传统LIGBT的结构示意图；
图2为传统SA-LIGBT的结构示意图；
图3为本发明的一种具有多通道电流栓的SA-LIGBT(新结构SA-LIGBT)的结构示意图，其中n＝3；
图4为新结构SA-LIGBT的等效电路示意图；
图5为正向导通模式下，传统SA-LIGBT和横向P柱浓度分别为1×1017cm-3、1×1018cm-3和1×1019cm-3时的新结构SA-LIGBT电流电压曲线对比图；
图6为在正向导通模式下，横向P柱浓度分别为1×1017cm-3、1×1018cm-3和1×1019cm-3时的新结构SA-LIGBT在坐标Y＝2μm，14μm≤X≤17μm范围内电子浓度的横向分布图(其中X为器件的横向长度，Y为器件的纵向长度)；
图7为新结构SA-LIGBT集电极区域的具体坐标示意图；
图8为新结构SA-LIGBT在电子通道间距d分别为0.5μm、0.6μm和0.7μm时的正向导通示意图；
图9为新结构SA-LIGBT在单极性导电模式和双极性导电模式下的电流流向示意图，其中a为单极性导电模式，b为双极性导电模式；
图10新结构SA-LIGBT分别在单极性导电模式下和双极性导电模式下在坐标X＝16μm，0≤Y≤4μm范围内电子浓度的纵向分布图，其中a为单极性导电模式，b为双极性导电模式(其中X为器件的横向长度，Y为器件的纵向长度)；
图11为新结构SA-LIGBT在电子通道数量为1、2和3时的关断仿真示意图；
图12为测试晶体管关断时间所用的测试电路示意图；
图13为新结构SA-LIGBT和传统LIGBT在t1～t4时刻，在Y＝4μm处器件内的电子浓度变化对比图(Y为器件的纵向长度)；
图14为制造新结构SA-LIGBT的工艺步骤示意图；
其中，1-发射极，2-N+电子发射区，3-栅极，4-栅氧化层，5-P-body，6-N型漂移区，7-N-buffer，8-P-collector，9-集电极，10-N-collector，11-P柱I，12-P柱Ⅱ，13-P柱Ⅲ，14-SiO2介质隔离层，15-P型衬底。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例
一种具有多通道电流栓的SA-LIGBT器件，包括发射极1，N+电子发射区2，栅极3，栅氧化层4，P-body 5，N型漂移区6，N-buffer 7，P-collector 8，集电极9，N-collector 10，n条横向P柱，SiO2介质隔离层14，P型衬底15。
其中P型衬底位于最底层，上面依次设置SiO2介质隔离层和N型漂移区，P-body和集电极区域被N型漂移区隔离后分别位于器件的两端。
P-body上部还设置有N+电子发射区，而在N+电子发射区上部从左到右依次设置有发射极、栅极和栅氧化层，栅极位于栅氧化层正上方。
在集电极区域中，从上到下依次设置有集电极、P-collector、N-collector和N-buffer，其中位于P-collector下方设置有被N-buffer包围的n个横向P柱，其中P柱的数量可以根据需要自行确定，n为大于等于1的整数，P柱均为重掺杂的P型半导体，要求n个横向P柱之间有一定的纵向间隔，且相邻P柱之间形成的纵向间隔相等，n个横向P柱的纵向宽度相等，n个横向P柱中最底层P柱具有最大的横向长度，其余P柱的横向长度相等，最底层P柱的横向长度等于P-collector和N-collector的横向长度之和，n个横向P柱靠近器件中P-body的一端纵向对齐，而最底层P柱的另一端与器件的侧边界相连，P-collector和N-collector横向并列设置并具有相同的纵向宽度，N-collector的一端与P-collector相连而另一端与器件的侧边界相相连，P-collector和P柱中最顶层的P柱之间形成的纵向间隔与相邻P柱之间形成的纵向间隔相等。
当n＝3时，器件含有三个P柱(P柱I、P柱Ⅱ和P柱Ⅲ)，P柱I、P柱Ⅱ和P柱Ⅲ纵向并列设置，P-collector与P柱I之间、P柱I与P柱Ⅱ之间、Ⅱ和P柱Ⅲ之间形成的纵向间隔相等，即形成三条等宽的电子通，且三个P柱(P柱I、P柱Ⅱ和P柱Ⅲ)均被N-buffer7包围，P柱I、P柱Ⅱ和P柱Ⅲ构成三个电流栓结构，与在P-collector与P柱I之间、P柱I与P柱Ⅱ之间、P柱Ⅱ与P柱Ⅲ之间形成的三条电子通道共同构成多通道电流栓结构。
图3为n＝3时的一种具有多通道电流栓的SA-LIGBT器件的新结构，其中SA-LIGBT各部分的结构参数如下表所示：
表1一种具有多通道电流栓的SA-LIGBT器件的结构参数
本发明提出的一种具有多通道电流栓的SA-LIGBT的工作原理为：和传统SA-LIGBT相比较，本发明在P-collector的正下方引入了三条横向P柱，形成三个电流栓结构，其作用为：(1)在正向导通模式下，三根横向P柱可以与N-buffer形成PN结，PN结之间形成方向从N-buffer指向P柱的PN结内建电场，该电场相当于一个电子势垒，可以对流过电子通道的电子产生排斥作用，即此时电流栓对电子电流来说相当于关闭状态，导致该区域的电阻增大，从而消除了传统SA-LIGBT带来的snapback效应；(2)在关断模式下，P柱之间的三条电子通道可以使电子被N-collector迅速抽取，有效减少了器件的关断时间。
借助MEDICI仿真软件，对图1所示的传统SA-LIGBT、图2所示的传统LIGBT和图3所示的本发明的具有多通道电流栓的SA-LIGBT器件(新结构SA-LIGBT)进行仿真比较。仿真过程中，三种晶体管的仿真参数均一致。其中设置N型漂移区的长度和厚度分别为17μm和25μm，掺杂浓度为1.5×1014cm-3，N-buffer掺杂浓度为5×1015cm-3，载流子寿命为10μs，环境温度为300K。新结构SA-LIGBT的三条横向P柱的初始浓度均为1×1019cm-3，P柱之间的间隔为0.5μm(即三条电子通道的宽度均为0.5μm)，P柱Ⅰ11和P柱Ⅱ12的横向长度均为1.5μm，纵向宽度均为0.6μm，P柱Ⅲ13的横向长度为2μm，纵向宽度为0.6μm。且仿真过程中三条横向P柱的掺杂浓度均相等。其他部分的详细结构参数如表1所示。
图4为新结构SA-LIGBT的等效电路图，晶体管的左侧等效为一个栅控MOS管和N+电子发射极/P-body/N-drift构成的NPN三极管的并联结构，P-body/N-drift/P-collector又构成了如图中所示的PNP三极管结构，这部分和常规的LIGBT器件相同。在集电极区域，P-collector与P柱I之间、P柱I和P柱Ⅱ之间和P柱Ⅱ与P柱Ⅲ之间形成的三条电子通道可等效为三个并联的集电极短路电阻RSA1、RSA2和RSA3，其阻值大小均可用ρL/S(ρ为集电极短路电阻的电阻率，L为电阻长度，S为电阻的横截面面积)表示，且随着横向P柱浓度的增大而增大，随着电子通道宽度d(即横向P柱之间的间距)的增大而减小。
图5展示了在正向导通模式下，传统SA-LIGBT和横向P柱浓度分别为1×1017cm-3、1×1018cm-3和1×1019cm-3时的新结构SA-LIGBT电流电压曲线对比图。正向导通状态即Vg＝15V，VEmitter＝0V，VCollector＝(+V)。从图5中可以看出，传统SA-LIGBT发生snapback现象时的折回电压VSB最大，snapback现象最明显；对于新结构SA-LIGBT，可以看到随着横向P柱掺杂浓度的增大，snapback现象逐渐减弱，在横向P柱掺杂浓度为1×1019cm-3时，snapback现象基本已经消失，且此时在集电极电流为100A/cm2下的导通压降为1.02V，比传统SA-LIGBT的1.14V下降10.5％。其原因在于，横向P柱的浓度越高，P柱对电子的排斥作用增强，电流栓对电子的阻挡能力也会随之增大，使得集电极短路电阻增大，从而抑制了snapback效应。
图6展示了在正向导通模式下，横向P柱浓度分别为1×1017cm-3、1×1018cm-3和1×1019cm-3时的新结构SA-LIGBT在坐标Y＝2μm，14μm≤X≤17μm范围内电子浓度的横向分布图(其中X为器件的横向长度，Y为器件的纵向长度)。其中，上述范围在器件中的具体位置如图7中的虚线AB所示。从图中可以看出，三条曲线的变化趋势大致相同：在X≥15之后，电子浓度随着横坐标的增加呈明显的下降趋势，说明该范围内的集电极短路电阻有明显增大的趋势，这种现象是P-collector和横向P柱对电子的排斥作用导致的；此外，随着横向P柱掺杂浓度的增加，同一坐标下的电子浓度也呈明显的上升趋势。这是由于增加横向P柱的掺杂浓度可以提高PN结所形成的电子势垒的高度，增大对电子的排斥作用，导致被阻挡在该处的电子数量增加。
图8为新结构SA-LIGBT在电子通道的宽度d(即P柱之间的间距)分别为0.5μm、0.6μm和0.7μm时的正向导通示意图。从图中可以看出，当间距d为0.7μm时，新结构SA-LIGBT发生snapback现象的折回电压最大，snapback现象最明显；随着间距d的逐渐减小，snapback现象呈逐渐减弱的趋势。当间距d为0.5μm时，snapback现象基本消失。这是由于P柱之间的电子通道越宽，流过电子通道的电子数目也会随之增多，相当于电流栓对电子电流的阻挡能力减弱，导致集电极短路电阻减小。
图9展示了新结构SA-LIGBT在单极性导电模式和双极性导电模式下的电流流向示意图，其中，图中的曲线表示电流的路径。当集电极电压极低时(施加的集电极电压为0.6V)，器件工作在单极性导电模式如图9中a所示，此时只有少部分电流通过横向P柱之间的电子通道流向N-collector，器件中只有电子参与导电，电流极小，电流栓对电子电流呈关闭状态。当集电极电压较高时，器件进入双极性双极性导电模式，如图9中b所示。从图中可以看出除了通过电子通道流向N-collector的电子电流之外，还有大部分电流流过P-collector和三条横向P柱，说明在该模式下，P-collector和N-buffer、三根横向P柱和N-buffer之间形成的PN结均发生了导通，此时N型漂移区内发生较强的电导调制效应，由电子和空穴同时参与导电。
图10展示了新结构SA-LIGBT分别在单极性导电模式下和双极性导电模式下在坐标X＝16μm，0μm≤Y≤4μm范围内电子浓度的纵向分布图(其中X为器件的横向长度，Y为器件的纵向长度)。其中，上述坐标范围在器件中的具体位置如图7中的虚线CD所示。图10中a为单极性导电模式下的电子浓度分布图，图10中b为双极性导电模式下的电子浓度分布图。从图10(a)中可以看出，电子浓度的分布呈现高低起伏的趋势。三条横向P柱之间电子通道的纵向电子浓度明显高于P-collector8和三条P柱的电子浓度，且此时P柱中的电子浓度极低。分布图中有三个明显的峰值，具体是在Y≈0.9μm，Y≈2μm和Y≈3μm的时候，它们正好分别大约是三条电子通道纵向宽度上的中心位置。说明此时主要是流过电子通道的电子参与导电，P-collector/N-buffer和P柱/N-buffer之间的PN结还未导通，流过电子通道的电子会受到上下P-collector或P柱的排斥作用，使得在累积在电子通道中心的电子数量最多。从
图10(b)可以看出，电子浓度的分布依然是高低起伏的趋势，电子通道内的电子浓度依然高于P-collector和P柱，但是各部分的电子浓度已经远高于图10(a)，尤其是P-collector和P柱中的电子浓度，最高已经超过3×1016cm-3。说明此时已经发生了电导调制效应，P-collector/N-buffer和P柱/N-buffer形成的PN结已经导通，器件内部存在较大的电流。
图11仿真了集电极区域电子通道数量(电子通道数目与横向P柱数目相等)对新结构SA-LIGBT关断特性的影响，并同时加入了传统LIGBT作为对比。仿真器件关断特性的测试电路如图12所示。其中，关断时间指测试时集电极电流从原始电流的90％下降到10％所用的时间。从图中可以看出，传统LIGBT的关断时间最长，约为830ns，这是由于传统LIGBT无电子抽取通道，P-collector8形成的电子势垒迫使漂移区中的载流子只能通过复合消失。对于新结构SA-LIGBT，可以看到随着电子通道数量的增加的增加，晶体管的关断时间呈逐渐减小的趋势，当电子通道数量为3时，关断时间最短，约为60ns，相比较传统LIGBT，关断时间下降93％。这是由于关断时，电子主要通过P柱之间的间隔形成的电子通道被N-collector抽取，而电子通道的数量决定了电子抽取路径的数量，P柱数量越多，形成的电子通道也越多，电子被抽取的路径也会更多，器件的关断速度也就更快。
图13为新结构SA-LIGBT和传统LIGBT在t1～t4时刻，在Y＝4μm处器件内的电子浓度变化对比图。其中，t1～t4的具体时刻已经在图11中标出。从图中可以看出，t1时刻，新结构SA-LIGBT和传统LIGBT的内部均存在大量载流子，且传统LIGBT内部的电子浓度高于传统SA-LIGBT。从t2～t4时刻，器件开始进入关断模式，传统LIGBT和新结构SA-LIGBT内部的电子浓度均呈下降趋势，且新结构SA-LIGBT内部的电子浓度始终远小于传统LIGBT。且在t4时刻，新结构SA-LIGBT内部的电子浓度已经趋近于0，说明新结构SA-LIGBT在t4时刻已经完成关断，而传统LIGBT内部仍存在大量载流子，说明新结构SA-LIGBT的关断速度远快于传统LIGBT。
图14为制造新结构SA-LIGBT器件的主要工艺步骤示意图，主要步骤如下：
(1)在集电极区域通过离子注入工艺形成P柱Ⅲ13，如图14中(1)所示；
(2)在整个硅片表面再外延一层硅，再通过离子注入工艺形成P柱Ⅱ12，如图14中(2)所示；
(3)再次在硅片表面外延一层硅材料，通过离子注入工艺形成P柱I11，如图14中(3)所示；
(4)继续在整个硅片表面外延一层硅材料，通过两次离子注入工艺形成P-collector8和N-collector10，如图14中(4)所示；
(5)通过扩散工艺形成P-body，如图14中(5)所示；
(6)通过离子注入工艺形成N+电子发射区，如图14中(6)所示；
(7)最后制作栅氧化层3并放置金属电极，如图14中(7)所示，即可得到具有3个P柱的新结构SA-LIGBT器件。
综上所述，本发明提出的一种具有多通道电流栓的SA-LIGBT，经仿真验证：(1)在正向导通模式下，可以通过调节n个横向P柱的掺杂浓度和电子通道的纵向宽度(即P柱之间的距离)来消除snapback效应，且新结构SA-LIGBT正向导通压降Von相比较传统的SA-LIGBT提高10.5％；(2)在关断时，横向P柱之间形成的电子通道可使漂移区中的电子被N-collector迅速抽取，相比于传统IGBT，新结构SA-LIGBT的关断时间减少93％，关断速度明显更快。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (10)
1.一种具有多通道电流栓的SA-LIGBT器件，其特征在于，所述器件的集电极区域中含有n个横向P柱，所述n为正整数，所述n个横向P柱的纵向宽度相等，相邻P柱之间形成的纵向间隔相等，所示P柱中靠近所述器件中p-body(5)的一端纵向对齐，所述P柱中最底层P柱的另一端与所述器件的侧边界相连，所述最底层P柱具有最大的横向长度，其余P柱的横向长度相等。
2.根据权利要求1所述一种具有多通道电流栓的SA-LIGBT器件，其特征在于，所述P柱均被N-buffer(7)包围。
3.根据权利要求2所述一种具有多通道电流栓的SA-LIGBT器件，其特征在于，所述P柱中最顶层P柱上方横向并列设置有P-collector(8)和N-collector(10)，所述P-collector与所述N-collector的纵向宽度相等，所述最顶层P柱与P-collector形成的纵向间隔与相邻P柱之间的纵向间隔相等，所述N-collector的一端与所述P-collector相连，所述N-collector的另一端与所述器件的侧边界相连。
4.根据权利要求3所述一种具有多通道电流栓的SA-LIGBT器件，其特征在于，所述P P-collector和N-collector的横向长度之和等于所述最底层P柱的横向长度。
5.根据权利要求4所述一种具有多通道电流栓的SA-LIGBT器件，其特征在于，所述集电极区域还包括设置在所述P-collector和N-collector正上方的集电极(9)。
6.根据权利要求5所述一种具有多通道电流栓的SA-LIGBT器件，其特征在于，所述P柱为重掺杂的P型半导体。
7.根据权利要求1～6任一项所述一种具有多通道电流栓的SA-LIGBT器件，其特征在于，所述器件还包括从下至上依次设置的P型衬底(15)、SiO2介质隔离层(14)、N型漂移区(6)。
8.根据权利要求7所述一种具有多通道电流栓的SA-LIGBT器件，其特征在于，所述器件还包括P-body(5)，所述P-body与所述集电极区域被所述N型漂移区隔离后分别位于所述器件的两端，所述P-body上部还设置有N+电子发射区(2)，所述N+电子发射区上部从左到右依次设置有发射极(1)、栅极(3)、栅氧化层(4)，所述栅氧化层位于所述栅极正下方。
9.根据权利要求8所述一种具有多通道电流栓的SA-LIGBT器件，其特征在于，所述n为3时，所述器件的集电极区域中含有从上到下依次设置的纵向宽度相等的P柱I(11)、P柱Ⅱ(12)、P柱Ⅲ(13)。
10.根据权利要求9所述一种具有多通道电流栓的SA-LIGBT器件，其特征在于，所述P柱I与P柱Ⅱ之间形成的纵向间隔与P柱Ⅱ和P柱Ⅲ之间形成的纵向间隔相等，所述P柱I和P柱Ⅱ的横向长度相等且小于所述P柱Ⅲ的横向长度，所述P柱I、P柱Ⅱ和P柱Ⅲ中靠近所述器件中p-body的一端纵向对齐，所述P柱Ⅲ的另一端与所述器件的侧边界相接触。
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