CN112466935A - 一种具有集电极多晶硅电子通道的rc-igbt器件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有集电极多晶硅电子通道的RC‑IGBT器件，属于半导体技术领域。该器件具有以下三个特点：(1)将传统RC‑IGBT的P集电极区分割成高浓度的P+空穴区和低浓度的P型电子阻挡层两段。(2)N+集电极设置在高浓度的P+空穴区内。(3)集电极底部引入N型多晶硅层。正向导通时，通过调整多晶硅层和P型电子阻挡层的掺杂，可以改变集电极短路电阻RCS，从而完全消除snapback效应；关断时，多晶硅层可以快速提取电子，有效降低关断损耗；仿真结果表明：与TRC RC‑IGBT相比，该器件正向导通时完全消除了snapback效应，且在同样正向导通压降为2.8V时，其关断损耗Eoff降低了59％。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，涉及一种具有集电极多晶硅电子通道的RC-IGBT器件。
背景技术
绝缘栅双极型晶体管(InsulatedGateBipolarTransistor，IGBT)因具有高输入阻抗、低控制功率、驱动电路简单、开关速度快、导通压降低、通态电流大、损耗小的优点，已渐渐成为电力电子技术的核心器件之一，广泛应用于各类电力电子设备中。然而，在大部分IGBT应用电路中，都需要将IGBT和一个二极管反并联来续流。这是因为IGBT不像金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal Oxide SemiconductorFieldEffectTransistor,MOSFET)那样拥有体二极管，在反向工作时，它只能等效于一个不能导通的开基极PNP晶体管。为了降低制造成本且减小寄生电感，将二极管集成到IGBT器件里的想法被提了出来，由此发展出具有反向导通能力的IGBT器件，即RC-IGBT器件。
然而，N-collector的引入同时也导致了snapback现象，即晶体管在正向导通初期，电子会首先流向低势垒的N-collector，此时晶体管工作在单极性导电模式；随着集电极电压的增大，当P+空穴区和N-buffer形成的PN结之间的压降VPN大于0.7V时，PN结导通，P+空穴区向漂移区中注入空穴，发生电导调制效应，晶体管进入双极性导电模式。而从单极性导电模式转变为双极性导电模式的过程中，电压会出现一个明显的回跳现象，导致电流分布不均匀，严重影响器件工作的可靠性。
为了消除传统RC-IGBT的snapback效应，同时保证其关断能力，需要对RC-IGBT进行进一步改进。消除snapback效应思路主要有两种：(1)减小N型漂移区在发生电导调制前的固有电阻值；(2)增大与P型集电极并联的电阻值，提前获得足以开启P型集电极和N型缓冲层形成的PN结的压降。降低RC-IGBT的关断损耗主要有以下三种方法：(1)降低N型漂移区内非平衡载流子的寿命，增加复合速率以提高关断速度。通常降低漂移区内非平衡载流子寿命的同时，其非平衡载流子总数也会减小，因此这种方法将导致导通压降增大，所以这种方法存在关断速度与导通压降之间的折中问题；(2)控制从集电极到N型漂移区的少数载流子注入水平，以达到导通电阻和关断时间的折中；(3)在阳极区提供非平衡载流子抽出通道,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，降低器件的关断损耗，由于载流子从单极型导通模式向双极型导通模式的转换，导通过程中容易出现snapback效应。
基于以上方法对关断损耗和snapback效应的优化，已有许多研究人员进行了改进，其中纵向器件中的新颖设计以集电极区域为主，如图6为AB RC-IGBT器件的结构示意图，该器件缓冲层由P-buffer和N-buffer交替相邻，其中P-buffer起到了电子势垒的作用，有利于增大集电极短路电阻，从而抑制snapback效应。但AB RC-IGBT由于需要输运较多的载流子，关断时间较长，且工艺制造成本较高；如图7为FPL RC-IGBT器件的结构示意图，该器件在P-collector与N-collector之间引入氧化槽切断N-buffer形成的低阻电子抽取通道从而增大集电极短路电阻RCS以抑制snapback现象，然后在N-collector与N-drift之间引入了浮空的P型层来形成电子势垒，进一步增强抑制snapback效应的效果，同时减小原胞尺寸。但N-collector、P-collector以及沟道氧化物阻碍了电子的运动，使得关断时间很长。因此，本文提出了一种具有集电极多晶硅电子通道的RC-IGBT器件来优化上述问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种具有集电极多晶硅电子通道的RC-IGBT器件。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种具有集电极多晶硅电子通道的RC-IGBT器件，该器件从上至下分为顶层半导体区域和集电极区域，该器件包括发射极(1)、N+电子发射极(2)、栅极(3)、栅氧化层(4)、P+发射极(5)、P-body(6)、N型漂移区(7)、缓冲层(8)、P+空穴区(9)、金属集电极(10)、N-collector(11)、n型多晶硅(12)、P型电子阻挡层(13)。
1)顶层半导体区域：从左至右分别设置发射极(1)、栅极(3)、栅氧化层(4)、P+发射极(5)、N+电子发射极(2)、P-body(6)；所述栅极(3)的下表面由栅氧化层(4)覆盖；栅氧化层(4)的下表面从左至右依次与N+电子发射极(2)、P-body(6)、N型漂移区(7)相接触；P+发射极(5)的上表面和左侧面与P-body(6)的上表面和左侧面平齐，下表面与P-body(6)相接触，右侧面紧邻N+电子发射极(2)；N+电子发射极(2)的上表面与P-body(6)的上表面平齐，右侧面与下表面被P-body(6)完全覆盖。发射极(1)位于P+发射极(5)和N+电子发射极(2)左侧部分的正上方。
2)集电极区域：从左至右包括缓冲层(8)、P+空穴区(9)、N-collector(11)、P型电子阻挡层(13)、金属集电极(10)、n型多晶硅(12)；所述P+空穴区(9)的下表面和左侧面与缓冲层(8)的下表面和左侧面平齐，右侧部分与P型电子阻挡层(13)紧邻，其余部分被缓冲层(8)覆盖；所述N-collector(11)的下表面与P+空穴区(9)齐平，其余部分被P+空穴区(9)完全覆盖；P型电子阻挡层(13)左侧与P+空穴区(9)紧邻，下表面与缓冲层(8)平齐，其余部分被缓冲层(8)完全覆盖；所述金属集电极(10)的上表面左侧部分和右侧部分分别与P+空穴区(9)和N-collector(11)接触；所述n型多晶硅(12)的上表面从左至右分别与N-collector(11)、P+空穴区(9)、P型电子阻挡层(13)、缓冲层(8)接触。
可选的，所述N型漂移区(7)完全覆盖于缓冲层(8)的上表面；所述缓冲层(8)完全覆盖于P+空穴区(9)和P型电子阻挡层(13)的上表面。
可选的，所述栅极(3)和N+电子发射极(2)、P-body(6)、N型漂移区(7)之间由栅氧化层(4)隔离。
可选的，所述P型电子阻挡层(13)左侧与P+空穴区(9)相接触，右侧与器件边缘有一段间距L，起到电子势垒的作用。
可选的，所述N型漂移区(7)以P型硅为衬底。
可选的，所述栅极(3)的材料包括掺杂多晶硅或铝。
本发明的有益效果在于：
(1)在正向导通时，通过调节P型电子阻挡层的长度、掺杂浓度以及多晶硅层的掺杂浓度，可以有效控制集电极短路电阻，从而消除snapback效应。
(2)对于新结构RC-IGBT，多晶硅层形成一个低电阻路径，这有利于电子的通过。改变多晶硅层的掺杂可以很容易地调整电子路径的电阻。
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RC-IGBT的结构示意图；
图2为本发明提供的RC-IGBT器件的实施例1结构示意图；
图3为本发明提供的RC-IGBT器件的实施例2结构示意图；
图4为本发明提供的RC-IGBT器件的实施例3结构示意图；
图5为新结构RC-IGBT的等效电路图；
图6为AB RC-IGBT的结构示意图；
图7为FPL RC-IGBT的结构示意图；
图8为新结构RC-IGBT、传统RC-IGBT、AB RC-IGBT和FPL RC-IGBT的正向导通特性对比图；
图9为新结构RC-IGBT、传统RC-IGBT、AB RC-IGBT和FPL RC-IGBT的反向导通特性对比图；
图10为多晶硅层掺杂浓度Npoly分别为1×1017cm-3、1×1016cm-3、1×1015cm-3、1×1014cm-3时正向导通状态I-V特性曲线对比图；
图11为多晶硅层掺杂浓度Npoly对不同的P型电子阻挡层NP-下新结构RC-IGBT正反向压降的影响。
图12为新结构RC-IGBT、FPL RC-IGBT和AB RC-IGBT的关断特性；
图13为新结构RC-IGBT关断时刻的等效电路图；
图14为温度T和L对新结构RC-IGBT的ΔVSB和Eoff的影响；
图15为不同RC-IGBT的折中特性。
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。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
实施例1：
如图2所示，本发明实施例优选的一种具有集电极多晶硅电子通道的RC-IGBT器件，包括设置的顶层半导体区域：发射极1、N+电子发射极2、栅极3、栅氧化层4、P+发射极5、P-body 6、N型漂移区7；集电极区域从左至右包括：缓冲层8、P+空穴区9、金属集电极10、N-collector 11、n型多晶硅12、P型电子阻挡层13。
P型电子阻挡层13位于P+空穴区9的右侧，并与器件右侧边缘有一段距离L。n型多晶硅的上表面从左至右分别与N-collector 11、P+空穴区9、P型电子阻挡层13、缓冲层8接触。
P+空穴区9与N-collector 11的下表面平齐，N-collector 11的其余部分被P+空穴区9完全覆盖。P+空穴区9为长度为30μm的掺杂硅，厚度3μm，掺杂浓度为1×1019cm-3。N-collector11长度为15μm，厚度为1.5μm，掺杂浓度为1×1019cm-3。
缓冲层8的下表面分别与P+空穴区9和P型电子阻挡层13的下表面平齐，P+空穴区9的右侧与P型电子阻挡层13的左侧相接触，P+空穴区9和P型电子阻挡层13的其余部分被缓冲层8完全覆盖。P型电子阻挡层13的右侧与器件右侧边缘相距8μm。缓冲层8的下表面与n型多晶硅12的上表面平齐。缓冲层8长度为60μm，厚度为5μm，掺杂浓度为1×1016cm-3。P型电子阻挡层13长度为22μm，厚度为1.5μm，掺杂浓度为1×1017cm-3。n型多晶硅12长度为40μm，厚度为2μm，掺杂浓度为1×1016cm-3。
N型漂移区7的下表面与缓冲层8的上表面平齐，N型漂移区7长度为60μm，厚度为55μm，为满足高电压阻断能力，掺杂浓度设置为1×1014cm-3。
在正向导通时，晶体管的发射极接地，栅极施加15V的正电压，并在集电极施加逐渐增大的正电压。在集电极电压低于0.7V时，电子从N+电子发射极经沟道流向N型漂移区，器件以单极性模式工作。横向流过P型电子阻挡层的电子从P型电子阻挡层的间隙流向n型多晶硅，最后到达N-collector。通过调节多晶硅层和P型电子阻挡层的浓度，可以有效控制集电极短路电阻，从而消除传统RC-IGBT的snapback效应；关断时，多晶硅层可以形成一个低阻的电子通道，这有利于电子的通过，减少了晶体管的关断时间。
实施例2：
如图3所示，本发明实施例优选的一种具有集电极多晶硅电子通道的RC-IGBT器件，在实施例1的基础上，将P型电子阻挡层13往上移动，使得P型电子阻挡层13左侧与P+空穴区9紧邻，右侧与器件右侧边缘有一段距离，下表面与n型多晶硅12的上表面也有一段距离。P型电子阻挡层13长度为22μm，厚度为1.5μm，掺杂浓度为1×1017cm-3。
实施例3：
如图4所示，本发明实施例优选的一种具有集电极多晶硅电子通道的RC-IGBT器件，在实施例1的基础上，将漂移区用交替排列的P型、N型柱替代，形成超结结构，超结功率器件漂移区由相互堆叠、交叠的P型和N型掺杂柱组成，这些柱从漂移区延伸到阳极和阴极，这些柱的高度与漂移区域的厚度一致。P型电子阻挡层13长度为22μm，厚度为1.5μm，掺杂浓度为1×1017cm-3。
借助MEDICI仿真软件，对图1所示的传统RC-IGBT、图2所示的一种具有多晶硅电子通道的RC-IGBT、图6所示的AB RC-IGBT和图7所示的FPL RC-IGBT进行了仿真比较。在仿真过程中，四种晶体管的仿真参数均一致。其中N型漂移区厚度为60μm，长度为55μm；新结构RC-IGBT的P型电子阻挡层右侧到器件右侧边缘的距离为8μm。
图5为新结构RC-IGBT的等效电路图。RCS为R1、R2、R3的三个电阻之和。其中R1为电子横向流过P+空穴区时的电阻，R2为电子电流横向流过P型电子阻挡层时的电阻，R3为电子电流通过n型多晶硅层时的电阻。
图6为AB RC-IGBT的结构示意图。该器件缓冲层由P-buffer和N-buffer交替相邻，其中P-buffer起到了电子势垒的作用，有利于增大集电极短路电阻，从而抑制snapback效应。
图7为FPL RC-IGBT的结构示意图。该器件在P-collector与N-collector之间引入氧化槽切断N-buffer形成的低阻电子抽取通道从而增大集电极短路电阻RCS以抑制snapback现象，然后在N-collector与N-drift之间引入了浮空的P型层。该器件在P-collector与N-collector之间引入氧化槽切断N-buffer形成的低阻电子抽取通道从而增大集电极短路电阻RCS以抑制snapback现象，然后在N-collector与N-drift之间引入了浮空的P型层来形成电子势垒，进一步增强抑制snapback效应的效果，同时减小原胞尺寸。
图8为新结构RC-IGBT(proposed)、传统RC-IGBT、AB RC-IGBT和FPL RC-IGBT的正向导通特性对比图。正向导通时，发射极接地，栅极施加15V的正电压，集电极施加逐渐增加的正电压。在正向导通阶段，由于N-collector的短路效应，传统的RC-IGBT表现出了最明显的snapback效应。对于AB RC-IGBT和FPL RC-IGBT，它们仍然有微小的snapback效应，然而，AB RC-IGBT的正向压降最小。新结构RC-IGBT完全消除了多晶硅层和P型电子阻挡层形成的高电阻电子路径引起的snapback现象。
图9为新结构RC-IGBT(proposed)、传统RC-IGBT、AB RC-IGBT和FPL RC-IGBT的反向导通特性对比图。AB RC-IGBT具有优越的反向导通特性，而新结构RC-IGBT的反向导通性能略优于传统的RC-IGBT。
图10为本发明提供的新结构RC-IGBT器件在Npoly分别为1×1017cm-3、1×1016cm-3、1×1015cm-3、1×1014cm-3时正向导通状态I-V特性曲线对比图。在此四种情况，器件所表现的正向导通特性存在着差异。因为随着Npoly的减小，snapback效应的回跳电压VSB会减小，由于N型多晶硅层是低阻电子通道，减小Npoly会增加R3值，从而增大RCS。因此，根据公式2，增大RCS抑制了snapback效应。所以，可以通过调整Npoly来优化正向导通特性。
图11为多晶硅层掺杂浓度Npoly对不同的P型电子阻挡层浓度NP-下新结构RC-IGBT正反向压降的影响。在相同的NP-下，Npoly分别为1×1014cm-3、1×1015cm-3、1×1016cm-3、1×1017cm-3、1×1018cm-3，随着Npoly的增加，正向压降Von增大，反向压降减小。因为增加Npoly会降低P+空穴区的空穴注入效率，使得Von增大。在二极管模式下，较高的Npoly会产生较低电阻的电子通道，这有利于电子的通过。因此，得以实现较低的反向压降VR。在同一Npoly下，NP-分别为1×1016cm-3、5×1016cm-3、1×1017cm-3，Von随NP-的增加而减小，而VR随NP-的增加而增加。这说明增加NP-可以增加电子路径的电阻。
图12为新结构RC-IGBT(proposed)、FPL RC-IGBT和AB RC-IGBT的关断特性，控制Von不变，对所有的器件进行仿真。对于AB RC-IGBT，在正向导通时，得到了Von的最低值。然而，由于需要输运更多的载流子，总的关断时间Toff是三个器件中最长的。对于FPL RC-IGBT，N-collector、P+空穴区以及沟道氧化物阻碍了电子的运动，使得关断时间很长。对于新结构RC-IGBT，多晶硅层形成一个低电阻路径，这有利于电子的通过。改变多晶硅层的掺杂浓度可以很容易地调整电子路径的电阻。因此，Npoly是衡量关断特性的重要参数。
图13为新结构RC-IGBT关断时刻的等效电路图。
图14为温度T和L对所提出RC-IGBT的ΔVSB和Eoff的影响。设置Npoly为1×1015cm-3，在相同温度下，L分别为1μm、2μm、3μm、4μm、5μm，ΔVSB随L的增加而增加，同时Eoff减小。因为增加L会减少R2和R3，这不利于抑制snapback问题。此外，电子路径的电阻降低，从而降低了Eoff。在相同的L下，T分别为250K、300K、350K，较高的温度会导致较大的Eoff和较低的ΔVSB，这是由于迁移率较低。
图15为不同RC-IGBT的折中特性，新结构RC-IGBT(proposed)实现了最佳的折中特性。在2.8V的电压下，新结构RC-IGBT的Eoff最小为1.44mJ/cm2，AB RC-IGBT的Eoff为1.73mJ/cm2；FPL RC-IGBT的Eoff为1.97mJ/cm2；TRC RC-IGBT的Eoff为2.29mJ/cm2，与AB、FPL和TRCRC-IGBT相比分别降低了20％、37％和59％。当Eoff为2.3mJ/cm2时，RC-IGBT、AB和FPL的Von分别为1.69V、1.99V和2.42V。因此，新结构RC-IGBT不仅实现了无snapback效应，而且在Von和Eoff之间获得了更好的折中特性。
综上所述，本发明提出的一种具有集电极多晶硅电子通道的RC-IGBT器件，(1)在正向导通时，通过调节P型电子阻挡层的长度、掺杂浓度以及多晶硅层的掺杂浓度，可以有效控制集电极短路电阻，从而消除snapback效应。(2)对于新结构RC-IGBT，多晶硅层形成一个低电阻路径，这有利于电子的通过。通过改变多晶硅层的掺杂浓度可以很容易地调整电子路径的电阻。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种具有集电极多晶硅电子通道的RC-IGBT器件，其特征在于：该器件从上至下分为顶层半导体区域和集电极区域，该器件包括发射极(1)、N+电子发射极(2)、栅极(3)、栅氧化层(4)、P+发射极(5)、P-body(6)、N型漂移区(7)、缓冲层(8)、P+空穴区(9)、金属集电极(10)、N-collector(11)、n型多晶硅(12)、P型电子阻挡层(13)。
1)顶层半导体区域：从左至右分别设置发射极(1)、栅极(3)、栅氧化层(4)、P+发射极(5)、N+电子发射极(2)、P-body(6)；所述栅极(3)的下表面由栅氧化层(4)覆盖；栅氧化层(4)的下表面从左至右依次与N+电子发射极(2)、P-body(6)、N型漂移区(7)相接触；P+发射极(5)的上表面和左侧面与P-body(6)的上表面和左侧面平齐，下表面与P-body(6)相接触，右侧面紧邻N+电子发射极(2)；N+电子发射极(2)的上表面与P-body(6)的上表面平齐，右侧面与下表面被P-body(6)完全覆盖。发射极(1)位于P+发射极(5)和N+电子发射极(2)左侧部分的正上方。
2)集电极区域：从左至右包括缓冲层(8)、P+空穴区(9)、N-collector(11)、P型电子阻挡层(13)、金属集电极(10)、n型多晶硅(12)；所述P+空穴区(9)的下表面和左侧面与缓冲层(8)的下表面和左侧面平齐，右侧部分与P型电子阻挡层(13)紧邻，其余部分被缓冲层(8)覆盖；所述N-collector(11)的下表面与P+空穴区(9)齐平，其余部分被P+空穴区(9)完全覆盖；P型电子阻挡层(13)左侧与P+空穴区(9)紧邻，下表面与缓冲层(8)平齐，其余部分被缓冲层(8)完全覆盖；所述金属集电极(10)的上表面左侧部分和右侧部分分别与P+空穴区(9)和N-collector(11)接触；所述n型多晶硅(12)的上表面从左至右分别与N-collector(11)、P+空穴区(9)、P型电子阻挡层(13)、缓冲层(8)接触。
2.根据权利要求1所述的一种具有集电极多晶硅电子通道的RC-IGBT器件，其特征在于：所述N型漂移区(7)完全覆盖于缓冲层(8)的上表面；所述缓冲层(8)完全覆盖于P+空穴区(9)和P型电子阻挡层(13)的上表面。
3.根据权利要求1所述的一种具有集电极多晶硅电子通道的RC-IGBT器件，其特征在于：所述栅极(3)和N+电子发射极(2)、P-body(6)、N型漂移区(7)之间由栅氧化层(4)隔离。
4.根据权利要求1所述的一种具有集电极多晶硅电子通道的RC-IGBT器件，其特征在于：所述P型电子阻挡层(13)左侧与P+空穴区(9)相接触，右侧与器件边缘有一段间距L，起到电子势垒的作用。
5.根据权利要求1所述的一种具有集电极多晶硅电子通道的RC-IGBT器件，其特征在于：所述N型漂移区(7)以P型硅为衬底。
6.根据权利要求1所述的一种具有集电极多晶硅电子通道的RC-IGBT器件，其特征在于：所述栅极(3)的材料包括掺杂多晶硅或铝。
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