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CN111276537A - 一种具有多晶硅耐压层的逆导型rc-ligbt器件 - Google Patents

一种具有多晶硅耐压层的逆导型rc-ligbt器件 Download PDF

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CN111276537A
CN111276537A CN202010092684.8A CN202010092684A CN111276537A CN 111276537 A CN111276537 A CN 111276537A CN 202010092684 A CN202010092684 A CN 202010092684A CN 111276537 A CN111276537 A CN 111276537A
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CN
China
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polysilicon
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heavily doped
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CN202010092684.8A
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黄东
易波
孔谋夫
程骏骥
黄海猛
赵青
杨瑞丰
蔺佳
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University of Electronic Science and Technology of China
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University of Electronic Science and Technology of China
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    • H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
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    • H10D12/411—Insulated-gate bipolar transistors [IGBT]
    • H10D12/441—Vertical IGBTs
    • H10D12/461—Vertical IGBTs having non-planar surfaces, e.g. having trenches, recesses or pillars in the surfaces of the emitter, base or collector regions
    • H10D12/481—Vertical IGBTs having non-planar surfaces, e.g. having trenches, recesses or pillars in the surfaces of the emitter, base or collector regions having gate structures on slanted surfaces, on vertical surfaces, or in grooves, e.g. trench gate IGBTs
    • H—ELECTRICITY
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    • H10D84/80—Integrated devices formed in or on semiconductor substrates that comprise only semiconducting layers, e.g. on Si wafers or on GaAs-on-Si wafers characterised by the integration of at least one component covered by groups H10D12/00 or H10D30/00, e.g. integration of IGFETs
    • H10D84/811—Combinations of field-effect devices and one or more diodes, capacitors or resistors

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Abstract

本发明属于半导体功率器件领域，提供一种具有多晶硅耐压层的RC‑LIGBT器件；在传统RC‑IGBT器件基础上，在表面耐压区和氧化层上方引入多晶硅耐压层构成一个反并联二极管；在器件反向工作状态时，形成电流流通路径，使得器件具有反向导电能力；在器件正向工作时，优化了RC‑LIGBT导通压降和关断损耗的矛盾关系；更重要的是，在器件正向导通时，多晶硅耐压层构成的二极管反偏，因此本发明结构不会出现电压回折现象，提高了器件电学性能。

Description

一种具有多晶硅耐压层的逆导型RC-LIGBT器件
技术领域
本发明属于半导体功率器件领域，涉及横向耐压结构；具体提供一种具有低导通压降，开关速度快，同时消除电压折回现象的RC-LIGBT(Reverse-Conducting LateralInsulated-Gate Bipolar Transistor)器件。
背景技术
电力电子系统的小型化，集成化是功率半导体器件的一个重要研究方向。具有横向耐压结构的半导体功率器件，如LDMOS(Lateral Double-Diffused MOSFET)、LIGBT(Lateral Insulated Gate Bipolar Transistor)等，由于易集成、易驱动、高耐压和低功耗等特点，在功率集成芯片上得到了广泛应用。基于SOI技术的LIGBT更是由于其优良的隔离特性而被广泛应用，作为双极型功率器件，LIGBT同时具有MOSFET高输入阻抗和BJT电流密度大的特点，在导通时漂移区中聚集的大量非平衡电子空穴对，增强了器件的电导调制效应，使得LI GBT器件具有更低的导通压降；然而，大量的非平衡载流子的存在使得器件在关断过程中，增加了载流子抽取时间和关断损耗；所以，优化器件的关断损耗(Turn-offloss：Eoff)和导通压降(On-state voltage drop：Von)之间的折中关系，是设计LIGBT的关键问题之一。
RC-IGBT(Reverse-Conducting IGBT)器件，是一种将二极管和IGBT通过工艺集成在一起的新型IGBT器件，通过集成的续流二极管，使得器件具有反向导通的能力，对提升IGBT的性能具有很大帮助。但是，如图1所示，传统的RC-LIGBT器件在正向导通时，当阳极正向电压较小时，阳极的PN结未导通，器件工作在MOS模式；随着阳极电压持续增大，阳极PN结导通，空穴注入使得器件工作模式从MOS转换为IGBT模式，便会发生电压折回现象，严重影响器件工作的可靠性，所以，如何消除电压折回现象，也是RC-LIGBT器件研究的一个方向。
为了进一步降低横向功率器件的导通电阻Ron，L.Vestling等人在《A novel high-freque ncy high-voltage LDMOS transistor using an extended gate RESURFtechnology》一文中提出了一种“扩展栅(Extended Gate RESURF Technology)”技术，如图2所示的Extended Gate LDMOS结构；通过在横向功率器件漂移区表面覆盖一层P型多晶硅，之间通过一层薄氧化层隔离；耐压时，N型漂移区和P型多晶硅层将耗尽，耗尽之后N型漂移区的电离施主和P型多晶硅层的电离受主存在电荷补偿，因此N型漂移区和P型多晶硅层的杂质浓度可以一定程度提高而不影响耐压，导通电阻Ron因此实现了降低。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有RC-IGBT(Reverse-Conducting IGBT)器件存在的问题，提供一种具有多晶硅耐压层的RC-LIGBT器件；本发明RC-LIGBT器件既能消除电压折回现象，又兼具低导通压降、低关断损耗等优点，进而使得器件具有更优的关断损耗和导通压降的折中关系。
为实现上述目的，本发明采用技术方案如下：
一种具有多晶硅耐压层的RC-LIGBT器件，其元胞结构包括：
半导体衬底层1，位于衬底层1上的埋氧层2，位于埋氧层上的半导体层，位于半导体层上的多晶硅耐压层；
所述半导体层包括：位于半导体层一侧的P型半导体基区6、位于半导体层另一侧的N型半导体缓冲区14、位于P型半导体基区6和N型半导体缓冲层14之间的表面耐压区3、以及覆盖于表面耐压区3上方的氧化层17；所述P型半导体基区6由两个槽栅分割为三个子区，每个子区内分别设置有与槽栅相接触的重掺杂N型半导体区4、及与重掺杂N型半导体区4邻接的重掺杂P型半导体区5，所述重掺杂P型半导体区5与重掺杂N型半导体区4上均覆盖有发射极金属10，所述两个槽栅由重掺杂的N型多晶硅区7和外层氧化层8组成，所述重掺杂的N型多晶硅区7上均覆盖有栅电极金属9；所述N型半导体缓冲区14内设置有P型集电极区15，所述P型集电极15上覆盖有集电极金属16；
所述多晶硅耐压层由重掺杂的P型多晶硅区11、P型多晶硅区12和重掺杂N型多晶硅区13组成，并位于氧化层17上方；所述重掺杂P型多晶硅区11上方覆盖有发射极金属10，所述重掺杂N型多晶硅区13上方覆盖有集电极金属16。
本发明的有益效果在于：
本发明提出了一种具有消除电压回折效应、降低导通压降和关断损耗的RC-LIGBT；在传统RC-IGBT器件基础上，在表面耐压区和氧化层上方引入多晶硅耐压层构成一个反并联二极管；在器件反向工作状态时，形成电流流通路径，使得器件具有反向导电能力；在器件正向工作时，由于N型半导体缓冲层14和P型集电极区15没有短路，所以不会发生传统器件中LDMOS到LIGBT工作方式的转变，彻底消除了电压回折现象，提高了器件电学性能。
附图说明
图1为传统RC-LIGBT器件结构示意图。
图2为扩展栅LDMOS结构示意图。
图3为本发明实施例提供的一种具有多晶硅耐压层的RC-LIGBT器件结构示意图；
图中，1为P型衬底，2为埋氧层区，3为表面耐压区，4为重掺杂N型半导体区，5为重掺杂P型半导体区，6为P型半导体基区，7为多晶硅栅，8为栅介质层，9为栅电极金属，10为发射极金属，11为重掺杂P型多晶硅区、12为P型多晶硅区、13为重掺杂N型多晶硅区、14为N型半导体缓冲层、15为P型集电极区、16为集电极金属、17为氧化层。
图4为本发明实施例和传统RC-LIGBT仿真得到的I-V关系对比图。
图5为本发明实施例和传统RC-LIGBT仿真得到的导通压降Von和关断损耗Eoff关系对比图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例
本实施例提供一种具有多晶硅耐压层的RC-LIGBT器件，其元胞结构如图3所示，包括：
半导体衬底层1，位于衬底层1上的埋氧层2，位于埋氧层上的半导体层，位于半导体层上的多晶硅耐压层；
所述半导体层包括：位于半导体层左侧的P型半导体基区6、位于右侧的N型半导体缓冲区14、位于P型半导体基区6和N型半导体缓冲层14之间的表面耐压区3、以及氧化层17，所述表面耐压区3由N型半导体层形成；
所述P型半导体基区6由两个深入表面耐压区3的槽栅分割为三个子区，从左相依依次为第一子区、第二子区、第三子区，所述第一子区内设置有相邻接的重掺杂P型半导体区5和重掺杂N型半导体区4，所述第二子区内设置有依次相邻接的重掺杂N型半导体区4、重掺杂P型半导体区5和重掺杂N型半导体区4，所述第三子区内设置有相邻接的重掺杂N型半导体区4和重掺杂P型半导体区5，上述所有重掺杂P型半导体区5与重掺杂N型半导体区4上均覆盖有发射极金属10，所有重掺杂N型半导体区4均作为LIGBT沟道基区的源极区、且与槽栅的栅介质层相接触；所述槽栅由栅介质层8、填充于栅介质层中的多晶硅栅7及覆盖于多晶硅栅上的栅电极9组成；所述重掺杂N型半导体区4、重掺杂P型半导体区5、槽栅、P型半导体基区6和部分表面耐压区3共同形成LIGBT的沟道n-MOS结构，即第一有源区；
所述N型半导体缓冲区14内设置有P型集电极区15，所述P型集电极15上覆盖有集电极金属16，所述N型半导体缓冲层14、P型集电极区15和集电极金属16共同形成第二有源区；
所述氧化层17覆盖部分P型半导体基区6第三子区、第三子区中的部分重掺杂P型半导体区5、表面耐压区3、部分N型半导体缓冲层14及部分P型集电极区15；
所述多晶硅耐压层由重掺杂的P型多晶硅区11、P型多晶硅区12和重掺杂N型多晶硅区13组成，并位于氧化层17上方；所述重掺杂P型多晶硅区11上方覆盖有发射极金属10，所述重掺杂N型多晶硅区13上方覆盖有集电极金属16。
基于以上实施例，下面结合说明书附图对本发明的工作原理进行详细说明：
与传统RC-LIGBT相比，本发明主要在氧化层上方引入多晶硅耐压层；结合实施例，当器件工作在反向状态时，发射极相对于集电极是正向电压；重掺杂P型多晶硅11、P型多晶硅12和重掺杂N型多晶硅13形成的二极管导通，形成电流流通路径，使得本发明具有反向导通能力；
当器件工作在正向导通状态时，电子从n-MOS沟道流入漂移区中到达P型集电极15，引入的多晶硅二极管处于反向偏置状态；与此同时，由于N型半导体缓冲层14和P型集电极区15没有直接短路，所以不会发生传统器件中LDMOS到LIGBT工作方式的转变，彻底消除了电压回折现象，优化了导通压降和关断损耗之间的折中关系。
如图4所示为本发明实施例对传统RC-LIGBT仿真得到的I-V关系对比图，从图中可以看出，在正向导通时，本实施例能消除电压回折现象，同时在相同的集电极掺杂浓度下，导通压降从传统结构的1.35V下降到本发明实施例1.09V，大幅度降低了器件的导通压降；在反向导通时，本发明实施例的反向导通压降也略优于传统结构。
如图5所示为本发明实施例对传统RC-LIGBT仿真得到的Von-Eoff折中关系对比图，从图中可以看出，在相同的导通压降1.48V时，器件的关断损耗Eoff从传统结构的3.64mJ/cm2下降到本发明实例的1.89mJ/cm2，器件的关断损耗得到了优化。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (1)

1.一种具有多晶硅耐压层的逆导型RC-LIGBT器件，其元胞结构包括：
半导体衬底层1，位于衬底层1上的埋氧层2，位于埋氧层上的半导体层，位于半导体层上的多晶硅耐压层；
所述半导体层包括：位于半导体层一侧的P型半导体基区6、位于半导体层另一侧的N型半导体缓冲区14、位于P型半导体基区6和N型半导体缓冲层14之间的表面耐压区3、以及覆盖于表面耐压区3上方的氧化层17；所述P型半导体基区6由两个槽栅分割为三个子区，每个子区内分别设置有与槽栅相接触的重掺杂N型半导体区4、及与重掺杂N型半导体区4邻接的重掺杂P型半导体区5，所述重掺杂P型半导体区5与重掺杂N型半导体区4上均覆盖有发射极金属10，所述两个槽栅由重掺杂的N型多晶硅区7和外层氧化层8组成，所述重掺杂的N型多晶硅区7上均覆盖有栅电极金属9；所述N型半导体缓冲区14内设置有P型集电极区15，所述P型集电极15上覆盖有集电极金属16；
所述多晶硅耐压层由重掺杂的P型多晶硅区11、P型多晶硅区12和重掺杂N型多晶硅区13组成，并位于氧化层17上方；所述重掺杂P型多晶硅区11上方覆盖有发射极金属10，所述重掺杂N型多晶硅区13上方覆盖有集电极金属16。
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