CN115719763B - 一种SiC逆导型IGBT器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种SiC逆导型IGBT器件。本发明中，IGBT元胞区的栅极导电材料层用于控制IGBT元胞区的导通和截止。二极管元胞区的阳极导电材料层作为二极管元胞区的阳极，阴极区作为二极管元胞区的阴极，阳极导电材料层连接到发射极，在IGBT元胞区截止并开始反向续流时，二极管元胞区会导通，从而实现快速续流。本发明通过单极导电模式的异质结或肖特基二极管元胞区来输运反向恢复电流，能提高反向恢复的开关速度和功耗，改善反向恢复特性，同时还能改善器件的电容特性、栅电荷特性和短路性能。

Description

一种SiC逆导型IGBT器件

技术领域

本发明涉及一种半导体集成电路，特别是涉及一种SiC逆导型(ReverseConducting，RC)绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)器件。

背景技术

在逆变电路中，功率器件常常需要反并联续流二极管进行使用，才能进行换流操作。然而，反并联二极管会额外增加整个电路系统的寄生电感及电容，因此，将二极管与开关器件进行集成，是目前应用最为广泛的解决方案。对于SiC IGBT器件来说，由于背面是掺杂类型为P型的集电区，因此无法实现反向导通，而SiC逆导型IGBT的出现则很好地解决了这个问题，通过在器件背面设置N型集电区，可以为反向续流提供电流通路。然而，SiC逆导型IGBT在反向工作时，电流仍然流经寄生体二极管，这就会导致以下几个问题：1、由于SiC材料为宽禁带材料，因此体二极管的开启电压高达2.7V，这会大幅度增加器件的导通损耗；2、寄生体二极管为双极器件，开关速度慢，会大幅度增加器件的开关损耗；3、寄生体二极管导通会发生双极退化效应，这会严重威胁器件长期工作的可靠性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种SiC逆导型IGBT器件，能够提高反向恢复的开关速度和功耗，改善反向恢复特性，同时能够提高器件的开关特性及短路能力。

为解决上述技术问题，本发明提供的一种SiC逆导型IGBT器件，包括IGBT元胞区和二极管元胞区，其中，IGBT元胞区和二极管元胞区相互并联而成；

并且，每一所述IGBT元胞区由一个或多个IGBT单元并联而成；并且，每一所述二极管元胞区由一个或多个二极管单元并联而成；

其器件结构包括：第一导电类型掺杂的漂移区50；

在所述漂移区50的背面形成有第一导电类型掺杂的缓冲层40，所述缓冲层40的掺杂浓度大于所述漂移区50的掺杂浓度；

在所述缓冲层40的背面形成有第二导电类型重掺杂的集电区20；所述集电区20和背面金属层10组成的所述IGBT单元的集电极接触；

所述缓冲层的背面还形成有第一导电类型重掺杂的阴极区30；所述阴极区30和背面金属层10组成所述二极管单元的集电极接触；

在所述漂移区50的表面形成有第二导电类型掺杂的基区70；在所述基区70和所述漂移区50之间还形成有第一导电类型掺杂的载流子存储层60，所述载流子存储层60的掺杂浓度大于所述漂移区50的掺杂浓度；

每一IGBT单元的沟槽包括栅极沟槽，所述栅极沟槽穿过所述基区70及所述载流子存储层60；所述栅极沟槽包括依次叠加的栅介质层120和栅极导电材料层101；在所述栅极导电材料层101侧面覆盖的所述基区70的表面用于形成导电沟道；

并且，所述IGBT单元中，在所述基区70表面形成有第二导电类型重掺杂的第一基区引出区，所述第一基区引出区位于所述基区70的外侧；在所述基区70表面形成有第一导电类型重掺杂的发射区80，所述发射区80位于所述第一基区引出区的内侧；并且，在所述漂移区50的上表面形成第一介质氧化物130，所述第一介质氧化物130与部分发射区80、栅介质层120、栅极导电材料层101的上表面接触；所述第一基区引出区和所述发射区80的顶部均通过对应的接触孔连接到由所述正面金属层140组成的发射极；所述第一基区引出区和所述发射区80的顶部均与正面金属层140形成欧姆接触；并且，所述栅极导电材料层101的顶部通过对应的接触孔连接到由正面金属层140组成的栅电极。

每一二极管单元沟槽包括阳极沟槽，所述阳极沟槽穿过所述基区70及所述载流子存储层60；其中，阳极沟槽包括叠加的阳极导电材料层102；在所述阳极导电材料层102与所述漂移区50的接触面用于形成导电沟道；

并且，所述二极管单元中，在所述基区70表面形成有第二导电类型重掺杂的第二基区引出区，所述第二基区引出区位于所述基区70的外侧；在所述漂移区50的上表面形成第二介质氧化物131，所述第二介质氧化物131与部分基区70、部分阳极导电材料层102的上表面接触；所述第二基区引出区、所述基区70及所述阳极导电材料层102的顶部都通过对应的接触孔连接到由所述正面金属层140组成的发射极；所述第二基区引出区、所述基区70及所述阳极导电材料层102的顶部均与正面金属层140形成欧姆接触。

进一步地，由所述发射区80通过所述栅极导电材料层101控制的所述基区70、所述载流子存储层60、所述漂移区50、所述缓冲层40和所述集电区20组成IGBT单元；并且，由所述阳极导电材料层102通过所述漂移区50、所述缓冲层40和所述阴极区30组成二极管单元。

进一步地，所述栅极沟槽的下表面、所述阳极沟槽的下表面还分别形成有第二导电类型重掺杂的电场屏蔽层110，所述电场屏蔽层110用于分别对应屏蔽栅极沟槽底部的电场和屏蔽阳极沟槽底部的电场。

进一步地，所述栅介质层、第一介质氧化物、第二介质氧化物的材料为氧化硅或者为低介电常数绝缘材料或高介电常数绝缘材料。

进一步地，所述栅极导电材料层的材料为多晶硅或者金属。

进一步地，所述阳极导电材料层的材料为多晶硅或者金属。

进一步地，所述栅极导电材料层和所述阳极导电材料层的多晶硅采用N型掺杂，掺杂杂质包括磷或砷，掺杂浓度为1E19cm^-3～1E20cm^-3。

进一步地，第一导电类型为N型，第二导电类型为P型；或者，第一导电类型为P型，第二导电类型为N型。

本发明中，IGBT元胞区的栅极导电材料层用于控制IGBT元胞区的导通和截止。二极管元胞区的阳极导电材料层作为二极管的阳极，阴极区作为二极管元胞区的阴极，阳极导电材料层会连接到发射极，在IGBT元胞区截止并开始反向续流时，二极管元胞区会导通，从而实现快速续流。和现有技术中反向恢复电流通过寄生体二极管输运不同，本发明的反向恢复电流是通过异质结或肖特基二极管导通，由于异质结或肖特基二极管具有极低的开启电压(1V左右)，能使得器件一直处于单极导电模式，从而避免进入寄生体二极管导通的双极导电模式，因此能大幅度降低功率损耗，改善器件的反向恢复特性。

此外，由于栅极导电材料层和所述漂移区的耦合面积减少，由此减弱了器件电极间的耦合作用，使得SiC逆导型IGBT器件的电容特性、栅电荷特性得到了极大改善。同时，沟道密度的降低，可以有效降低器件的饱和电流，进而大幅度改善器件的短路性能。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是本发明的剖面结构示意图；

图2是本发明中IGBT元胞区结构和二极管元胞区的剖面结构示意图；

图3是本发明中IGBT单元的剖面结构示意图；

图4是本发明中二极管单元的剖面结构示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种SiC逆导型IGBT器件，其具体结构如图1所示，其的结构包括：IGBT元胞区A和二极管元胞区B。

本发明实施例中一种SiC逆导型IGBT器件由所述IGBT元胞区A和所述二极管元胞区B并联而成，其中，所述IGBT元胞区A和所述二极管元胞区B采用相互间隔并联而成，即所述IGBT元胞区A的两侧分别并联有所述二极管元胞区B，所述二极管元胞区B的两侧分别并联有所述IGBT元胞区A，并且，并联的所述IGBT元胞区A和所述二极管元胞区B数量可以根据实际应用场景设定，此处不做限定，如图2所示。

所述IGBT元胞区A的结构包括：

IGBT单元A0，如图3所示。

所述IGBT元胞区A由一个或多个IGBT单元A0并联而成，其中，IGBT单元A0的并联数量也可以根据应用场景设定，本实施采用并联的两个IGBT单元A0的作为示例。

所述IGBT单元A0的结构包括：

第一导电类型掺杂的漂移区50。

在所述漂移区50的背面形成有第一导电类型掺杂的缓冲层40，所述缓冲层40的掺杂浓度大于所述漂移区50的掺杂浓度。缓冲层40通常作为电场终止层，电场会在缓冲层40中快速下降。

在所述缓冲层40的背面形成有第二导电类型重掺杂的集电区20。

所述集电区20和由背面金属层10组成的集电极接触。

在所述漂移区50的表面形成有第二导电类型掺杂的基区70。

在所述基区70和所述漂移区50之间还形成有第一导电类型掺杂的载流子存储层60，所述载流子存储层60的掺杂浓度大于所述漂移区50的掺杂浓度。载流子存储层60能阻挡空穴进入到基区70中，从而能增加所述漂移区50中的空穴浓度，所以，载流子存储层60也称为空穴阻挡层。空穴阻挡层的设置主要是抑制发射极对于空穴的抽取作用，增强电导调制效应，降低器件的饱和压降。

沟槽包括栅极沟槽，所述栅极沟槽穿过所述基区70及所述载流子存储层60。

沟槽上包括依次叠加的栅介质层120和栅极导电材料层101。

在所述栅极导电材料层101侧面覆盖的所述基区70的表面用于形成导电沟道。

在所述基区70表面形成有第一导电类型重掺杂的发射区80，所述发射区80的第一侧面和所述栅极沟槽的侧面对准。

在所述基区70表面还形成有第二导电类型重掺杂的基区引出区90，所述基区引出区90位于所述发射区80的第二侧面外的所述基区70表面上。

所述栅极沟槽的下表面形成有第二导电类型重掺杂的电场屏蔽层110，所述电场屏蔽层110用于屏蔽栅极沟槽底部的电场，增强器件可靠性。

在所述漂移区50的上表面形成第一介质氧化物130，第一介质氧化物130与部分发射区80、栅介质层120、栅极导电材料层101的上表面接触。

所述基区引出区90和所述发射区80的顶部都通过对应的接触孔连接到由所述正面金属层140组成的发射极。所述基区引出区90和所述发射区80的顶部均与正面金属层140形成欧姆接触。

所述栅极导电材料层101的顶部通过对应的接触孔连接到由正面金属层140组成的栅电极(图3的剖面图中未显示)。

由所述发射区80通过所述栅极导电材料层101控制的所述基区70、所述载流子存储层60、所述漂移区50、所述缓冲层40和所述集电区20组成IGBT单元，如图3所示。

所述二极管元胞区B的结构包括：二极管单元B0，如图4所示。

所述二极管元胞区B由一个或多个二极管单元B0并联而成，其中，二极管单元B0并联数量也可以根据应用场景设定，本实施采用并联的两个二极管单元B0的作为示例。

所述二极管单元B0的结构包括：

第一导电类型掺杂的漂移区50。

在所述漂移区50的背面形成有第一导电类型掺杂的缓冲层40，所述缓冲层40的掺杂浓度大于所述漂移区50的掺杂浓度。缓冲层40通常作为电场终止层，电场会在缓冲层40中快速下降。

在所述缓冲层40的背面形成有第一导电类型重掺杂的阴极区30。

所述阴极区30和由背面金属层10组成的集电极接触。

在所述漂移区50的表面形成有第二导电类型掺杂的基区70。

在所述基区70和所述漂移区50之间还形成有第一导电类型掺杂的载流子存储层60，所述载流子存储层60的掺杂浓度大于所述漂移区50的掺杂浓度。

沟槽包括阳极沟槽，所述阳极沟槽穿过所述基区70及所述载流子存储层60。

沟槽上包括叠加的阳极导电材料层102。

在所述阳极导电材料层102与所述漂移区50的接触面用于形成导电沟道。

在所述基区70表面形成有第二导电类型重掺杂的基区引出区90，所述基区引出区90位于所述基区70的外侧。

所述阳极沟槽的下表面形成有第二导电类型重掺杂的电场屏蔽层110，所述电场屏蔽层110用于屏蔽阳极沟槽底部的电场，增强器件可靠性。

在所述漂移区50的上表面形成第二介质氧化物131，第二介质氧化物131与部分基区70、部分阳极导电材料层102的上表面接触。

所述基区引出区90、所述基区70及所述阳极导电材料层102的顶部都通过对应的接触孔连接到由所述正面金属层140组成的发射极。所述基区引出区90、所述基区70及所述阳极导电材料层102的顶部均与正面金属层140形成欧姆接触。

由所述阳极导电材料层102通过所述漂移区50、所述缓冲层40和所述阴极区30组成二极管单元，实现反向电流的输运，如图4所示。

本发明实施例中，所述栅介质层120、第一介质氧化物130、第二介质氧化物131的材料为氧化硅，如二氧化硅。在其他实施例中，也能为：所述栅介质层120、第一介质氧化物130、第二介质氧化物131的材料为低介电常数绝缘材料或高介电常数绝缘材料。

本发明实施例中，所述栅极导电材料层101的材料为多晶硅即采用多晶硅栅。在其他实施例中也能为：所述栅极导电材料层101的材料为金属即采用金属栅。

本发明实施例中，所述阳极导电材料层102的材料为多晶硅即采用多晶硅阳极，所述阳极导电材料层102与所述漂移区50形成异质结结构，此时二极管单元即为异质结二极管。在其他实施例中也能为：所述阳极导电材料层102的材料为金属即采用金属阳极，所述阳极导电材料层102与所述漂移区50形成肖特基结构，此时二极管单元即为肖特基二极管。

所述栅极导电材料层101和所述阳极导电材料层102的多晶硅采用N型掺杂，掺杂杂质包括磷或砷，掺杂浓度为1E19cm^-3～1E20cm^-3。

本发明实施例中，第一导电类型为N型，第二导电类型为P型，这时沟道导电类型为N型。IGBT元胞区导通时，所述集电区20会向所述漂移区50中注入空穴，发射区80会通过所述栅极导电材料层101控制的所述基区70向所述漂移区50中注入电子。

本发明实施例中，由于所述阳极导电材料层102与所述漂移区50之间的异质结或肖特基势垒较低，因此当SiC逆导型IGBT器件工作在反向续流模式下，二极管元胞区会快于寄生体二极管提前导通。此时，阴极区30的电子，通过所述缓冲层40、所述漂移区50进入到所述阳极导电材料层102，进而进入到发射极，形成由发射极指向集电极的反向电流。二极管元胞区工作在单极导电模式，而非工作在寄生体二极管的双极导电模式，故采用二极管元胞区进行反向续流后，能大幅度降低功率损耗，改善器件的反向恢复特性。

本发明实施例中，当SiC逆导型IGBT器件处于阻断工作模式时，所述基区70及所述电场屏蔽层110之间形成的势垒可以有效屏蔽所述阳极导电材料层102内的电场，减少漏电通路，因此器件阻断态下拥有较低的漏电。

本发明实施例中，SiC逆导型IGBT器件内对应的所述栅极导电材料层101和所述漂移区50的耦合面积减少，由此减弱了器件电极间的耦合作用，使得SiC逆导型IGBT器件的电容特性、栅电荷特性得到了极大改善。此外，沟道密度的降低，可以有效降低器件的饱和电流，进而大幅度改善器件的短路性能。

在其他实施例中，将第一导电类型改变为P型以及将第二导电类型改变为N型，则器件变为P型器件，沟道导电类型为P型。

以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种SiC逆导型IGBT器件，其特征在于， 包括IGBT元胞区和二极管元胞区，其中，IGBT元胞区和二极管元胞区相互并联而成；

并且，每一所述IGBT元胞区由一个或多个IGBT单元并联而成；每一所述二极管元胞区由一个或多个二极管单元并联而成；

其器件结构包括：第一导电类型掺杂的漂移区（50）；

在所述漂移区（50）的背面形成有第一导电类型掺杂的缓冲层（40），所述缓冲层（40）的掺杂浓度大于所述漂移区（50）的掺杂浓度；

在所述缓冲层（40）的背面形成有第二导电类型重掺杂的集电区（20）；所述集电区（20）和背面金属层（10）组成的所述IGBT单元的集电极接触；

所述缓冲层的背面还形成有第一导电类型重掺杂的阴极区（30）；所述阴极区（30）和背面金属层（10）组成所述二极管单元的集电极接触；

在所述漂移区（50）的表面形成有第二导电类型掺杂的基区（70）；在所述基区（70）和所述漂移区（50）之间还形成有第一导电类型掺杂的载流子存储层（60），所述载流子存储层（60）的掺杂浓度大于所述漂移区（50）的掺杂浓度；

每一IGBT单元的沟槽包括栅极沟槽，所述栅极沟槽穿过所述基区（70）及所述载流子存储层（60）；所述栅极沟槽包括依次叠加的栅介质层（120）和栅极导电材料层（101）；在所述栅极导电材料层（101）侧面覆盖的所述基区（70）的表面用于形成导电沟道；

并且，所述IGBT单元中，在所述基区（70）表面形成有第二导电类型重掺杂的第一基区引出区，所述第一基区引出区位于所述基区（70）的外侧；在所述基区（70）表面形成有第一导电类型重掺杂的发射区（80），所述发射区（80）位于所述第一基区引出区的内侧；并且，在所述漂移区（50）的上表面形成第一介质氧化物（130），所述第一介质氧化物（130）与部分发射区（80）、栅介质层（120）、栅极导电材料层（101）的上表面接触；所述第一基区引出区和所述发射区（80）的顶部均通过对应的接触孔连接到由正面金属层（140）组成的发射极；所述第一基区引出区和所述发射区（80）的顶部均与正面金属层（140）形成欧姆接触；并且，所述栅极导电材料层（101）的顶部通过对应的接触孔连接到由正面金属层（140）组成的栅电极；

每一二极管单元沟槽包括阳极沟槽，所述阳极沟槽穿过所述基区（70）及所述载流子存储层（60）；其中，阳极沟槽包括叠加的阳极导电材料层（102）；在所述阳极导电材料层（102）与所述漂移区（50）的接触面用于形成导电沟道；

并且，所述二极管单元中，在所述基区（70）表面形成有第二导电类型重掺杂的第二基区引出区，所述第二基区引出区位于所述基区（70）的外侧；在所述漂移区（50）的上表面形成第二介质氧化物（131），所述第二介质氧化物（131）与部分基区（70）、部分阳极导电材料层（102）的上表面接触；所述第二基区引出区、所述基区（70）及所述阳极导电材料层（102）的顶部都通过对应的接触孔连接到由所述正面金属层（140）组成的发射极；所述第二基区引出区、所述基区（70）及所述阳极导电材料层（102）的顶部均与正面金属层（140）形成欧姆接触。

2.如权利要求1所述的SiC逆导型IGBT器件，其特征在于：由所述发射区（80）通过所述栅极导电材料层（101）控制的所述基区（70）、所述载流子存储层（60）、所述漂移区（50）、所述缓冲层（40）和所述集电区（20）组成IGBT单元；并且，由所述阳极导电材料层（102）通过所述漂移区（50）、所述缓冲层（40）和所述阴极区（30）组成二极管单元。

3.如权利要求2所述的SiC逆导型IGBT器件，其特征在于：所述栅极沟槽的下表面、所述阳极沟槽的下表面还分别形成有第二导电类型重掺杂的电场屏蔽层（110），所述电场屏蔽层（110）用于分别对应屏蔽栅极沟槽底部的电场和屏蔽阳极沟槽底部的电场。

4.如权利要求3所述的SiC逆导型IGBT器件，其特征在于：所述栅介质层（120）、第一介质氧化物（130）和第二介质氧化物（131）的材料为低介电常数绝缘材料或高介电常数绝缘材料。

5.如权利要求3所述的SiC逆导型IGBT器件，其特征在于：所述栅极导电材料层（101）的材料为多晶硅或者金属。

6.如权利要求1所述的SiC逆导型IGBT器件，其特征在于：所述阳极导电材料层（102）的材料为多晶硅或者金属。

7.如权利要求1所述的SiC逆导型IGBT器件，其特征在于：所述栅极导电材料层（101）和所述阳极导电材料层（102）的多晶硅采用N型掺杂，掺杂杂质包括磷或砷，掺杂浓度为1E19cm^-3～1E20cm^-3。

8.如权利要求1所述的SiC逆导型IGBT器件，其特征在于：第一导电类型为N型，第二导电类型为P型；或者，第一导电类型为P型，第二导电类型为N型。

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