一種能消除負阻效應的rc-igbt的製作方法

2023-09-12 16:56:40 1

一種能消除負阻效應的rc-igbt的製作方法
【專利摘要】一種能消除負阻效應的RC-IGBT，屬於半導體功率器件領域。本發明在傳統RC-IGBT基礎上，通過版圖設計將IGBT區域設計在有源區，二極體區域設計在IGBT的四周形成過渡區。通過這樣的版圖設計，使得器件工作在IGBT模式下，IGBT區域將不會到受二極體的影響；二極體模式下時，二極體的性質也不會受到IGBT的影響。同時，在二極體工作模式時，採用P型過渡區作為二極體的陽極，N型集電極作為二極體的陰極，會提高二極體的導通性能。仿真驗證在正嚮導通的時候，本發明沒有Snapback現象且不論正嚮導通和反嚮導通的時候電流都很均勻，實現了靜態導通壓降和動態關斷損耗之間的良好折中，提高了RC-IGBT綜合性能。
【專利說明】—種能消除負阻效應的RC-1GBT
【技術領域】
[0001]本發明屬於半導體功率器件領域，涉及絕緣柵雙極型電晶體(InsulateGate Bipolar Transistor,簡稱IGBT),具體涉及能夠反嚮導通的IGBT,即RC-1GBT(reverse-conducting insulated-gate bipolar transistor)。
【背景技術】
[0002]IGBT (Insulate Gate Bipolar Transistor,絕緣柵雙極型電晶體)既有 MOSFET的輸入阻抗高、控制功率小、驅動電路簡單、開關速度高的優點，又具有雙極型功率電晶體的電流密度大、飽和壓降低、電流處理能力強的優點，所以被廣泛應用於電磁爐、UPS不間斷電源、汽車電子點火器、三相電動機變頻器、電焊機開關電源等產品中作為功率開關管或功率輸出管，市場前景非常廣闊。IGBT產品是電力電子領域非常理想的開關器件，它集合了高頻、高壓、大電流三大技術優勢，同時又能夠實現節能減排，具有很好的環境保護效益。
[0003]但是IGBT只是一個單向導通器件，在應用的時候需要一個反並聯的二極體來承受反向電壓，這就增加了 IGBT的製造成本，以及帶來封裝,焊接等難題。2002年E.Napoli等人提出了一種能夠反嚮導通的 IGBT 稱為 RC-1GBT (reverse-conducting insulated-gatebipolar transistor,反嚮導通絕緣柵雙極型電晶體),這種RC-1GBT通過在P型集電極中引入N型集電極的方法來實現IGBT和二極體的集成，其結構如圖1所示，集電極是由P型集電區和N型集電區組成，且P型集電區和N型集電區在器件有源區底層呈均勻間隔分布狀。這樣在反嚮導通時IGBT的P型基區作為二極體的陽極，N型集電極作為二極體的陰極，實現了二極體的集成；但是在正嚮導通時候，N型集電區的引入會使得這種傳統RC-1GBT的電流電壓輸出曲線出現一個負阻效應(snapback)，並且由於很多的P型集電區之間存在尺寸大小和工藝的影響會導致其電流不均勻，最終造成溫度局域過高而存在可靠性方面的問題。

【發明內容】

[0004]本發明提供一種能消除負阻效應的RC-1GBT，該RC-1GBT在傳統RC-1GBT器件結構基礎上，通過版圖設計，改變IGBT區域和二極體區域的分布，使得器件的IGBT部分和二極體部分分離開來。通過這樣的版圖設計，使得RC-1GBT工作在IGBT模式下的時候，IGBT區域不受二極體的影響，工作在二極體模式下時，二極體的性質也不會受到IGBT的影響，實現了在正嚮導通的時候IGBT的獨立工作能力，很好的抑制了 Snapback現象。同時,在反嚮導通二極體工作模式時，通過版圖設計用P型過渡區作為二極體的陽極，N型集電區作為二極體的陰極，會提高二極體的導通性能。經驗證在正嚮導通的時候，這種RC-1GBT沒有Snapback現象且不論正嚮導通和反嚮導通的時候電流都很均勻。由於電流分布均勻在關斷的時候關斷時間較短，最終實現了靜態導通壓降和動態關斷損耗之間的良好折中，提高了 RC-1GBT綜合性能。
[0005]本發明的技術方案如下:[0006]一種能消除負阻效應的RC-1GBT，其結構如圖2所示，包括器件有源區、器件過渡區和器件終端區；所述器件有源區包括P型集電區10、N-漂移區6、位於P型集電區10和N-漂移區6之間的N型緩衝層8，所述N-漂移區6表面具有多個均勻分布的P型體區5，所述P型體區5中具有與發射極金屬相連的N+源區I ;所述器件有源區還包括器件柵極結構，所述柵極結構由柵氧化層3和多晶矽柵電極2構成，其中柵氧化層3位於多晶矽柵電極2與P型體區5和N-漂移區6之間；所述器件過渡區包括N型集電區9、N-漂移區6、位於N型集電區9和N-漂移區6之間的N型緩衝層8，過渡區的N-漂移區6表面具有與發射極金屬相連的P型過渡區；所述器件終端區包括P型集電區10、N-漂移區6、位於P型集電區10和N-漂移區6之間的N型緩衝層8 ;所述器件過渡區在器件橫向方向上位於器件有源區和器件終端區之間。
[0007]進一步地，上述技術方案中，所述器件過渡區環繞器件有源區(如圖2所示)或所述器件過渡區與有源區各佔一邊(如圖5所示);所述器件柵極結構可以是平面柵結構，其中柵氧化層3位於部分P型體區5和N-漂移區6表面，多晶矽柵電極2位於柵氧化層3表面；所述器件柵極結構也可以是溝槽柵結構，其中多晶矽柵電極2向下穿過P型體區5並延伸入N-漂移區6 ;所述N-漂移區6內部還可以具有均勻分布且平行於器件縱向方向的P型柱區7，形成超結漂移區結構。
[0008]本發明提供的能消除負阻效應的RC-1GBT器件是在傳統RC-1GBT的基礎上，通過版圖設計，使得傳統的RC-1GBT的IGBT部分和二極體部分分離開來(IGBT部分和二極體部分各佔一邊或二極體部分環繞IGBT部分)。通過這樣的版圖設計，IGBT部分就不受二極體部分的影響，從而把這個器件分割成了 IGBT部分和二極體部分。這樣在正嚮導通的時候IGBT能夠獨立工作，很好的抑制了 Snapback現象，並且在反嚮導通二極體工作模式時，通過版圖設計採用P型過渡區作為二極體的陽極，N型集電區作為二極體的陰極，會提高二極體的導通性能。基於這種以過渡區作為二極體陽極的思想，可以把這種RC-1GBT稱為T-RC-1GBT0需要進一步說明的是，這種能消除負阻效應的RC-1GBT還可用於槽柵trench結構的RC-1GBT (如圖3)和超結super junction RC-1GBT (如圖4)中，在版圖設計時，還可以使得IGBT分布在一邊，二極體區域分布在一邊，這樣二者也能獨立工作，互不影響，如圖5所示。
[0009]綜上所述，本發明提出的一種能消除負阻效應的RC-1GBT，在基本不影響器件其他參數的情況下，能消除正嚮導通IGBT工作模式下的Snapback現象，同時保證電流分布均勻性，且用過渡區作為二極體的陽極能，相對於傳統RC-1GBT的P型體區作為二極體的陽極，能大大提高反向偏壓時的二極體的導通性能，從而提高了 RC-1GBT的綜合性能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是傳統RC-1GBT結構示意圖。
[0011]圖2是本發明提出的一種能消除負阻效應的RC-1GBT的結構示意圖。
[0012]圖3是本發明提供的能消除負阻效應的trench結構的RC-1GBT結構示意圖。
[0013]圖4是本發明提供的能消除負阻效應的超結漂移區結構的RC-1GBT結構示意圖。
[0014]圖5是本發明提供的能消除負阻效應的RC-1GBT的另一種結構示意圖。
[0015]圖1至圖5中:1是N+有源區，2是多晶矽柵電極，3是柵氧化層，4是金屬發射極，5是P型體區，6是N-漂移區，7是P型柱區，8是N型緩衝層，9是N型集電區，10是P型集電區。
[0016]圖6是傳統RC-1GBT和本發明提供的T-RC-1GBT的正嚮導通和反嚮導通性能的比較圖其中Conventional RC-1GBT是傳統逆導絕緣柵雙極性電晶體，T-RC-1GBT是本發明提供的能消除負阻效應的逆導絕緣柵雙極性電晶體。
[0017]圖7是在電流密度為ΙΟΟΑ/cm2時傳統RC-1GBT和新型T-RC-1GBT分別工作在IGBT模式和二極體模式下的電流線分布
[0018]其中A點對應於圖6中的A點為傳統RC-1GBT在IGBT導通下的電流分布圖，B點對應於圖6中的B點為新型RC-1GBT在IGBT導通下的電流分布圖，C點對應於圖6中的C點為傳統RC-1GBT在二極體導通下的電流分布圖，D點對應於圖6中的D點為新型RC-1GBT在二極體導通下的電流分布圖
[0019]圖8是傳統RC-1GBT和新型RC-1GBT在正嚮導通壓降和關斷能耗的折中關係比較圖。
[0020]其中Conventional RC-1GBT是傳統逆導絕緣柵雙極性電晶體，T-RC-1GBT是本發明提供的一種能消除負阻效應的逆導絕緣柵雙極性電晶體。
[0021]圖9是相同電流密度下傳統RC-1GBT和新型RC-1GBT的關斷特性比較示意圖。
[0022]其中Conventional RC-1GBT是傳統逆導絕緣柵雙極性電晶體，T-RC-1GBT是本發明提供的一種能消除負阻效應的逆導絕緣柵雙極性電晶體。
【具體實施方式】
[0023]一種能消除負阻效應的RC-1GBT，其結構如圖2所示，包括器件有源區、器件過渡區和器件終端區；所述器件有源區包括P型集電區10、N-漂移區6、位於P型集電區10和N-漂移區6之間的N型緩衝層8，所述N-漂移區6表面具有多個均勻分布的P型體區5，所述P型體區5中具有與發射極金屬相連的N+源區I ;所述器件有源區還包括器件柵極結構，所述柵極結構由柵氧化層3和多晶矽柵電極2構成，其中柵氧化層3位於多晶矽柵電極2與P型體區5和N-漂移區6之間；所述器件過渡區包括N型集電區9、N-漂移區6、位於N型集電區9和N-漂移區6之間的N型緩衝層8，過渡區的N-漂移區6表面具有與發射極金屬相連的P型過渡區；所述器件終端區包括P型集電區10、N-漂移區6、位於P型集電區10和N-漂移區6之間的N型緩衝層8 ;所述器件過渡區在器件橫向方向上位於器件有源區和器件終端區之間。
[0024]進一步地，上述技術方案中，所述器件過渡區環繞器件有源區(如圖2所示)或所述器件過渡區與有源區各佔一邊(如圖5所示);所述器件柵極結構可以是平面柵結構，其中柵氧化層3位於部分P型體區5和N-漂移區6表面，多晶矽柵電極2位於柵氧化層3表面；所述器件柵極結構也可以是溝槽柵結構，其中多晶矽柵電極2向下穿過P型體區5並延伸入N-漂移區6 ;所述N-漂移區6內部還可以具有均勻分布且平行於器件縱向方向的P型柱區7，形成超結漂移區結構。
[0025]藉助MEDICI仿真軟體可得，對所提供的如圖1所示的傳統RC-1GBT，如圖2所示的一種新布局的RC-1GBT進行了仿真比較，仿真模擬薄片工藝製造的600V RC-1GBT，傳統RC-1GBT和新設計的RC-1GBT的所用材料和工藝完全一致，仿真參數為N-漂移區厚度為60um，摻雜濃度為7 X1013cnT3，載流子壽命為10us，環境溫度為300K，總長度為700um，傳統RC-1GBT和新設計的RC-1GBT不同之處在於他們的布局不一樣，這樣集成的IGBT和二極體的分布就不一樣，而且傳統RC-1GBT的二極體採用P型體區5作為陽極，N型集電區9作為陰極；而新設計的RC-1GBT，採用P型過渡區作為二極體的陽極，N型集電區作為陰極。就是這種新的版圖設計，使得本發明所提供的新型T-RC-1GBT比傳統RC-1GBT的性能得到大幅度的提高。圖6是傳統RC-1GBT和新型T-RC-1GBT的正嚮導通和反嚮導通性能的比較圖，可以看出，傳統RC-1GBT具有很明顯的負阻現象，新型T-RC-1GBT由於IGBT的性能不再受到N型集電區9的影響從而可以消除負阻效應；正嚮導通時候，可以通過調整過渡區的長度來改變IGBT和二極體的面積，當過渡區L越小，IGBT的導通能力越強，正導通壓降越低，L越大，二極體的導通能力越強，方向導通壓降越低，故我們可以通過自身需要來設計IGBT與二極體的面積比值，從而調整IGBT和二極體的導通能力，使得設計靈活性更強。圖7是傳統RC-1GBT和新型T-RC-1GBT在IGBT和二極體模式下的電流線分布比較圖，從圖中可以看出，新型T-RC-1GBT的電流線分布不論在IGBT模式和二極體模式下分布都比較均勻，沒有出現傳統RC-1GBT在正嚮導通時候有一部分P型集電區沒有導通的情況，如圖7中的A點電流分布。圖8是傳統RC-1GBT和新型T-RC-1GBT在IGBT在正嚮導通壓降和關斷時能耗的折中關係比較圖，從圖中我們可以看到新型T-RC-1GBT能得到更好的這種曲線；圖9是正向壓降相同，電流密度都為ΙΟΟΑ/cm2下傳統RC-1GBT，新型T-RC-1GBT的關斷特性比較示意圖，關斷時間的定義為IGBT關斷時，集電極電流從90%降到10%所需要的時間，可以看出新型T-RC-1GBT的電流變化斜率更大，即電流抽取速度更快，且過渡區L長度越大，即相應的N型集電區9的寬度就越寬，在電流抽取時，這種N型集電區的短路抽取能力就越強，雖然傳統RC-1GBT也具有N型集電區的短路抽取，但是由於電流不均與大部分的電流主要集中在局域P型集電區上，所以抽取速度會更慢.[0026]綜上所述，本發明提出的一種能消除負阻效應的RC-1GBT，在不添加其他工藝的條件下，通過版圖設計，使得IGBT部分和二極體部分獨立開來。經過仿真驗證，在基本不影響器件其他參數的情況下，能消除正嚮導通IGBT工作模式下的Snapback現象，同時保證電流分布均勻性，且用過渡區作為二極體的陽極能，相對於傳統RC-1GBT的P-body作為二極體的陽極，能大大提高反向偏壓時的二極體的導通性能，從而提高了 RC-1GBT的綜合性能。
【權利要求】
1.一種能消除負阻效應的RC-1GBT，其結構包括器件有源區、器件過渡區和器件終端區； 所述器件有源區包括P型集電區(10)、N-漂移區(6)、位於P型集電區(10)和N-漂移區(6)之間的N型緩衝層(8)，所述N-漂移區(6)表面具有多個均勻分布的P型體區(5)，所述P型體區(5)中具有與發射極金屬相連的N+源區(I);所述器件有源區還包括器件柵極結構，所述柵極結構由柵氧化層(3)和多晶矽柵電極(2)構成，其中柵氧化層(3)位於多晶矽柵電極(2)與P型體區(5)和N-漂移區(6)之間； 所述器件過渡區包括N型集電區(9)、N-漂移區(6)、位於N型集電區(9)和N-漂移區(6)之間的N型緩衝層(8)，過渡區的N-漂移區(6)表面具有與發射極金屬相連的P型過渡區； 所述器件終端區包括P型集電區(10)、N-漂移區(6)、位於P型集電區(10)和N-漂移區(6)之間的N型緩衝層(8); 所述器件過渡區在器件橫向方向上位於器件有源區和器件終端區之間。
2.根據權利要求1所述的能消除負阻效應的RC-1GBT，其特徵在於，所述器件過渡區環繞器件有源區。
3.根據權利要求1或2所述的能消除負阻效應的RC-1GBT，其特徵在於，所述器件柵極結構為平面柵結構，其中柵氧化層(3)位於部分P型體區(5)和N-漂移區(6)表面，多晶矽柵電極(2 )位於柵氧化層(3 )表面。
4.根據權利要求1或2所述的能消除負阻效應的RC-1GBT，其特徵在於，所述器件柵極結構為溝槽柵結構，其中多晶矽柵電極(2)向下穿過P型體區(5)並延伸入N-漂移區(6)。
5.根據權利要求1或2所述的能消除負阻效應的RC-1GBT，其特徵在於，所述N-漂移區(6)內部具有均勻分布且平行於器件縱向方向的P型柱區(7)，形成超結漂移區結構。
【文檔編號】H01L29/06GK103489908SQ201310421639
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年9月16日 優先權日:2013年9月16日
【發明者】李澤宏, 陳偉中, 劉永, 廖鵬飛, 張波 申請人:電子科技大學