CN112687681A - 一种具有集成nmos管的ligbt器件 - Google Patents

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Abstract

本发明属于功率半导体技术领域，涉及一种具有集成NMOS管的LIGBT器件。本发明主要特征在于：在P+集电区附近引入一个N+集电区，并在集电区上方集成了NMOS管，该MOS管通过一层绝缘介质与下方的集电区隔离开，一端与集电极P+短接，另一端通过导电材料与集电极N+短接。新器件在反向导通时，集成NMOS管为电流提供了通路，新器件具有更好的反向恢复特性。在正向导通时，本发明通过提高集成NMOS管中P型沟道区的浓度提高阈值电压并防止该MOS管的穿通，即可有效抑制snapback效应。在器件关断时，集成NMOS管为电子抽取提供了路径，使新器件具有更小的关断时间和更低的关断损耗。本发明的有益效果为，相比于传统LIGBT，本发明可实现反向导通的功能且关断损耗更低。

Description

一种具有集成NMOS管的LIGBT器件
技术领域
本发明属于功率半导体技术领域，具体的说是涉及一种具有集成NMOS管的LIGBT器件。
背景技术
在功率集成电路系统中，LIGBT(Lateral Insulated Gate Bipolar Transistor，横向绝缘栅双极型晶体管)器件常常会反并联一个续流二极管以实现反向导通的功能。然而，额外增加的续流二极管会使得芯片面积大大增加，同时，续流二极管额外的金属布线也增加了芯片内部的寄生效应，从而使得器件功耗增加。为了使得LIGBT具有反向续流能力的同时避免上述存在的问题，研究者们将LIGBT和续流二极管集成在一起，这种器件被称为逆导型(Reverse Conducting,RC)LIGBT。传统的RC-LIGBT在阳极P+区旁引入N+区，并将其短接到阳极电极，从而使器件具有反向导通的能力。同时在器件关断时，引入的N+区为电子提供了低势垒的抽取通路，因而改善了常规LIGBT关断时的拖尾电流现象，减少了关断时间，降低了关断损耗。然而，引入的N+阳极区一方面降低了阳极P+空穴注入效率，使导通电阻增加，另一方面，在器件正向导通状态下，N+阳极区引起器件单双极导电模式转换，从而导致负阻现象，即电压折回(snapback)现象，限制了其在并联电路中的应用。因而，如何在快速关断器件的同时消除snapback效应，是RC-LIGBT的重要研究方向之一。
为此，文献Juti-Hoon Chum，Dae-Seok Byeon，Jae-Keun Oh.，Min-Koo Han andYsaln-lk Choi，【A Fast-Switching SOI SA-LIGBT without NDRregion】提出了分离式短路阳极(SSA，Separated Shorted Anode)LIGBT。如图1所示，该结构通过增加阳极P+区和N+区之间的距离来增加阳极P+区和N+区之间的电阻，使得导通时阳极P+/N-buffer结能够尽早开启，从而抑制snapback效应，但该结构需要较长的阳极P+区和N+区之间距离才能有效抑制snapback效应，该结构大大增加了芯片面积。文献Xiaorong Luo，Zheyan Zhao，LinhuaHuang，Gaoqiang Deng，Jie Wei，Tao Sun，Bo Zhang，Zhaoji Li，【A Snapback-Free Fast-Switching SOI LIGBT with an Embedded Self-Biased n-MOS】在文献中提出自偏置MOS管(SBM，Self-Biased n-MOS)LIGBT，如图2所示。该结构在在阳极区域引入了自偏置n-MOS，其包含N+阳极、p体区、N截止区(N-buffer)以及阳极槽栅，该阳极槽栅嵌入在N截止区中，用于分离P+阳极和N+阳极。在器件正向导通时，可以利用自偏置n-MOS来调节阳极电流分布，以此有效控制器件导电模式的变换，从而消除snapback现象。但是该结构中的自偏置n-MOS使得阳极P+的注入效率降低，器件的导通压降增加。
发明内容
本发明针对上述问题，提出一种具有集成NMOS管的LIGBT器件。
本发明的技术方案是：
一种具有集成NMOS管的LIGBT器件，自下而上包括：P型衬底1、绝缘介质埋层2和顶部半导体层；所述的顶部半导体层包括发射极结构、栅极结构、N漂移区3和集电极结构；所述的发射极结构位于N漂移区3上层一端，发射极结构包括P阱区4、P+体接触区5和N+发射区6，P+体接触区5和N+发射区6并列设置并位于P阱区4上部，N+发射区6在靠近N漂移区3的一侧，P+体接触区5和N+发射区6表面共同引出发射极；所述栅极结构包括栅氧化层7和覆盖在栅氧化层7上的栅电极8，栅极结构位于P阱区4上表面且两端分别与N+发射区6和N漂移区3有部分交叠；所述的集电极结构位于N漂移区3上层另一端，其特征在于，集电极结构包括N缓冲区9、P+集电区10、N+集电区11以及位于N缓冲区9之上的集成NMOS管，所述P+集电区10位于N缓冲区9上部，其与N+集电区11有间距且位于靠近发射极结构一端，；所述的集成NMOS管包括位于P+集电区10与N+集电区11之间的上表面的绝缘层12，以及位于绝缘层12上表面沿P+集电区10到N+集电区11方向依次并列设置的N+源区13、P-沟道区14以及N+漏区15，绝缘层12两端与部分P+集电区10和N+集电区11上表面接触，N+漏区15通过导电材料16与N+集电区11电气连接，N+源区13和P+集电区10的共同引出端为集电极。
进一步的，所述N+集电区11位于N缓冲区9上部远离发射极结构一端，或者位于N缓冲区9之外远离发射极结构一端的N漂移区3上部。
进一步的，所述P+集电区10沿绝缘层12的下表面延伸至P-沟道区14的正下方。
本发明的有益效果为，相比于传统LIGBT，本发明可实现反向导通的功能且关断损耗更低；相比于传统的短路阳极LIGBT，本发明具有更好的关断特性以及反向恢复性能，并且采用在集电区上引入集成NMOS管来抑制snapback效应，不占用器件面积，工艺简单易行。
附图说明
图1为SSA-LIGBT结构示意图。
图2为SBM-LIGBT结构示意图。
图3为本发明提出的实施例1结构示意图。
图4为本发明提出的实施例2结构示意图。
图5为本发明提出的实施例3结构示意图。
图6为本发明提出的实施例4结构示意图。
图7为本发明结构与传统SSA LIGBT、具有反并联二极管的传统LIGBT反向恢复特性对比。
图8为本发明结构与传统SSA LIGBT、具有反并联二极管的传统LIGBT关断曲线对比。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，详细描述本发明的技术方案：
实施例1
如图3所示，本例包括自下而上的P衬底1、绝缘介质埋层2和顶部半导体层；所述的顶部半导体层包括发射极结构、栅极结构、N漂移区3和集电极结构；所述的发射极结构包括P阱区4、P+体接触区5和N+发射区6，P+体接触区5和N+发射区6位于P阱区4上表面，且N+发射区6位于靠近N漂移区3一侧，由P+体接触区5和N+发射区6表面共同引出发射极；所述的栅极结构包括栅氧化层7和覆盖在栅氧化层7上的栅多晶硅8，栅氧化层7位于P阱区4之上且两端分别与N+发射区6和N漂移区3有部分交叠，栅多晶硅8的引出端为栅电极；所述的集电极结构包括N缓冲区9、位于N缓冲区9上表面的P+集电区10和N+集电区11、位于顶部半导体层之上的集成NMOS管区，N+集电区11位于远离发射极结构一侧；所述的集成NMOS管区包括位于P+集电区10与N+集电区11之间的N缓冲区9上表面的绝缘层12、以及位于绝缘层12上表面的N+源区13、P型沟道区14以及N+漏区15，绝缘层12两端与部分P+集电区10和N+集电区11上表面接触，仅N+源区13与P+集电区10交叠，N+漏区15通过导电材料16与N+集电区11电气连接，另一侧和P+集电区10的共同引出端为集电极。
本例的工作原理为：
新器件正向导通时，集成NMOS中较高浓度的P型沟道区防止了集成NMOS管的开启和穿通，因而电流无法从N+集电区流过，新器件不存在snapback效应。器件反向导通时，集成NMOS的P型沟道区形成反型层，提供了电子电流的通路，当反向电压进一步增加时，集成NMOS中的寄生NPN管开启，从而进一步增强了器件反向导通电流。因而器件在反向恢复时，集成NMOS管为电子电流提供了通路，使器件具有更小的反向恢复电荷，如图7所示。在器件关断时，集成NMOS管为电子抽取提供了通路，新器件具有更小的关断时间和更低的关断损耗，如图8所示。
实施例2
如图4所示，与实施例1相比，本例中N+集电区11位于N漂移区3表面。N+集电区11位于N漂移区3表面可有效缓解集成NMOS区抑制Snapback效应压力，因而可以在更低的P-沟道区浓度下有效抑制snapback效应，进一步地加快对存储在漂移区内电子的抽取，减小关断时间和关断损耗。
实施例3
如图5所示，与实施例1相比，本例中P+集电极10与N+源区13以及P型沟道区14均交叠。P+集电极10对其上方P-沟道区14无耗尽作用，因而可以在更低的P-沟道区的掺杂浓度下抑制snapback现象，进一步地加快对存储在漂移区内电子的抽取，减小关断时间和关断损耗。
实施例4
如图6所示，与实施例3相比，本例中N+集电区11位于N漂移区3表面。N+集电区11位于N漂移区3表面可有效缓解集成NMOS区抑制Snapback效应压力，因而可以在更低的P-沟道区浓度下有效抑制snapback效应，进一步地加快对存储在漂移区内电子的抽取，减小关断时间和关断损耗。

Claims (3)

1.一种具有集成NMOS管的LIGBT器件，自下而上包括：P型衬底(1)、绝缘介质埋层(2)和顶部半导体层；所述的顶部半导体层包括发射极结构、栅极结构、N漂移区(3)和集电极结构；所述的发射极结构位于N漂移区(3)上层一端，发射极结构包括P阱区(4)、P+体接触区(5)和N+发射区(6)，P+体接触区(5)和N+发射区(6)并列设置并位于P阱区(4)上部，N+发射区(6)在靠近N漂移区(3)的一侧，P+体接触区(5)和N+发射区(6)表面共同引出发射极；所述栅极结构包括栅氧化层(7)和覆盖在栅氧化层(7)上的栅电极(8)，栅极结构位于P阱区(4)上表面且两端分别与N+发射区(6)和N漂移区(3)有部分交叠；所述的集电极结构位于N漂移区(3)上层另一端，其特征在于，集电极结构包括N缓冲区(9)、P+集电区(10)、N+集电区(11)以及位于N缓冲区(9)之上的集成NMOS管，所述P+集电区(10)位于N缓冲区(9)上部，其与N+集电区(11)有间距且位于靠近发射极结构一端，；所述的集成NMOS管包括位于P+集电区(10)与N+集电区(11)之间的上表面的绝缘层(12)，以及位于绝缘层(12)上表面沿P+集电区(10)到N+集电区(11)方向依次并列设置的N+源区(13)、P-沟道区(14)以及N+漏区(15)，绝缘层(12)两端与部分P+集电区(10)和N+集电区(11)上表面接触，N+漏区(15)通过导电材料(16)与N+集电区(11)电气连接，N+源区(13)和P+集电区(10)的共同引出端为集电极。
2.根据权利要求1所述的一种具有集成NMOS管的LIGBT器件，N+集电区(11)位于N缓冲区(9)上部远离发射极结构一端，或者位于N缓冲区(9)之外远离发射极结构一端的N漂移区(3)上部。
3.根据权利要求1和2所述的一种具有集成NMOS管的LIGBT器件，其特征在于，所述P+集电区(10)沿绝缘层(12)的下表面延伸至P-沟道区(14)的正下方。
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