一種能消除負阻效應的rc-igbt的制作方法
【專利摘要】一種能消除負阻效應的RC-IGBT，屬于半導體功率器件領域。本發(fā)明在傳統(tǒng)RC-IGBT基礎上，通過版圖設計將IGBT區(qū)域設計在有源區(qū)，二極管區(qū)域設計在IGBT的四周形成過渡區(qū)。通過這樣的版圖設計，使得器件工作在IGBT模式下，IGBT區(qū)域將不會到受二極管的影響；二極管模式下時，二極管的性質也不會受到IGBT的影響。同時，在二極管工作模式時，采用P型過渡區(qū)作為二極管的陽極，N型集電極作為二極管的陰極，會提高二極管的導通性能。仿真驗證在正向導通的時候，本發(fā)明沒有Snapback現象且不論正向導通和反向導通的時候電流都很均勻，實現了靜態(tài)導通壓降和動態(tài)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(fā)明屬于半導體功率器件領域，涉及絕緣柵雙極型晶體管(InsulateGate Bipolar Transistor,簡稱IGBT),具體涉及能夠反向導通的IGBT,即RC-1GBT(reverse-conducting insulated-gate bipolar transistor)。
【背景技術】
[0002]IGBT (Insulate Gate Bipolar Transistor,絕緣柵雙極型晶體管)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(yōu)點，又具有雙極型功率晶體管的電流密度大、飽和壓降低、電流處理能力強的優(yōu)點，所以被廣泛應用于電磁爐、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(yōu)勢，同時又能夠實現節(jié)能減排，具有很好的環(huán)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并聯的二極管來承受反向電壓，這就增加了 IGBT的制造成本，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向導通的 IGBT 稱為 RC-1GBT (reverse-conducting insulated-gatebipolar transistor,反向導通絕緣柵雙極型晶體管),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和二極管的集成，其結構如圖1所示，集電極是由P型集電區(qū)和N型集電區(qū)組成，且P型集電區(qū)和N型集電區(qū)在器件有源區(qū)底層呈均勻間隔分布狀。這樣在反向導通時IGBT的P型基區(qū)作為二極管的陽極，N型集電極作為二極管的陰極，實現了二極管的集成；但是在正向導通時候，N型集電區(qū)的引入會使得這種傳統(tǒng)RC-1GBT的電流電壓輸出曲線出現一個負阻效應(snapback)，并且由于很多的P型集電區(qū)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(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明提供一種能消除負阻效應的RC-1GBT，該RC-1GBT在傳統(tǒng)RC-1GBT器件結構基礎上，通過版圖設計，改變IGBT區(qū)域和二極管區(qū)域的分布，使得器件的IGBT部分和二極管部分分離開來。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(qū)域不受二極管的影響，工作在二極管模式下時，二極管的性質也不會受到IGBT的影響，實現了在正向導通的時候IGBT的獨立工作能力，很好的抑制了 Snapback現象。同時,在反向導通二極管工作模式時，通過版圖設計用P型過渡區(qū)作為二極管的陽極，N型集電區(qū)作為二極管的陰極，會提高二極管的導通性能。經驗證在正向導通的時候，這種RC-1GBT沒有Snapback現象且不論正向導通和反向導通的時候電流都很均勻。由于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(tài)導通壓降和動態(tài)關斷損耗之間的良好折中，提高了 RC-1GBT綜合性能。
[0005]本發(fā)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(qū)、器件過渡區(qū)和器件終端區(qū)；所述器件有源區(qū)包括P型集電區(qū)10、N-漂移區(qū)6、位于P型集電區(qū)10和N-漂移區(qū)6之間的N型緩沖層8，所述N-漂移區(qū)6表面具有多個均勻分布的P型體區(qū)5，所述P型體區(qū)5中具有與發(fā)射極金屬相連的N+源區(qū)I ;所述器件有源區(qū)還包括器件柵極結構，所述柵極結構由柵氧化層3和多晶硅柵電極2構成，其中柵氧化層3位于多晶硅柵電極2與P型體區(qū)5和N-漂移區(qū)6之間；所述器件過渡區(qū)包括N型集電區(qū)9、N-漂移區(qū)6、位于N型集電區(qū)9和N-漂移區(qū)6之間的N型緩沖層8，過渡區(qū)的N-漂移區(qū)6表面具有與發(fā)射極金屬相連的P型過渡區(qū)；所述器件終端區(qū)包括P型集電區(qū)10、N-漂移區(qū)6、位于P型集電區(qū)10和N-漂移區(qū)6之間的N型緩沖層8 ;所述器件過渡區(qū)在器件橫向方向上位于器件有源區(qū)和器件終端區(qū)之間。
[0007]進一步地，上述技術方案中，所述器件過渡區(qū)環(huán)繞器件有源區(qū)(如圖2所示)或所述器件過渡區(qū)與有源區(qū)各占一邊(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位于部分P型體區(qū)5和N-漂移區(qū)6表面，多晶硅柵電極2位于柵氧化層3表面；所述器件柵極結構也可以是溝槽柵結構，其中多晶硅柵電極2向下穿過P型體區(qū)5并延伸入N-漂移區(qū)6 ;所述N-漂移區(qū)6內部還可以具有均勻分布且平行于器件縱向方向的P型柱區(qū)7，形成超結漂移區(qū)結構。
[0008]本發(fā)明提供的能消除負阻效應的RC-1GBT器件是在傳統(tǒng)RC-1GBT的基礎上，通過版圖設計，使得傳統(tǒng)的RC-1GBT的IGBT部分和二極管部分分離開來(IGBT部分和二極管部分各占一邊或二極管部分環(huán)繞IGBT部分)。通過這樣的版圖設計，IGBT部分就不受二極管部分的影響，從而把這個器件分割成了 IGBT部分和二極管部分。這樣在正向導通的時候IGBT能夠獨立工作，很好的抑制了 Snapback現象，并且在反向導通二極管工作模式時，通過版圖設計采用P型過渡區(qū)作為二極管的陽極，N型集電區(qū)作為二極管的陰極，會提高二極管的導通性能?；谶@種以過渡區(qū)作為二極管陽極的思想，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還可用于槽柵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，二極管區(qū)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(fā)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，能消除正向導通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(qū)作為二極管的陽極能，相對于傳統(tǒng)RC-1GBT的P型體區(qū)作為二極管的陽極，能大大提高反向偏壓時的二極管的導通性能，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(tǒng)RC-1GBT結構示意圖。
[0011]圖2是本發(fā)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(fā)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(fā)明提供的能消除負阻效應的超結漂移區(qū)結構的RC-1GBT結構示意圖。
[0014]圖5是本發(fā)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(qū)，2是多晶硅柵電極，3是柵氧化層，4是金屬發(fā)射極，5是P型體區(qū)，6是N-漂移區(qū)，7是P型柱區(qū)，8是N型緩沖層，9是N型集電區(qū)，10是P型集電區(qū)。
[0016]圖6是傳統(tǒng)RC-1GBT和本發(fā)明提供的T-RC-1GBT的正向導通和反向導通性能的比較圖其中Conventional RC-1GBT是傳統(tǒng)逆導絕緣柵雙極性晶體管，T-RC-1GBT是本發(fā)明提供的能消除負阻效應的逆導絕緣柵雙極性晶體管。
[0017]圖7是在電流密度為ΙΟΟΑ/cm2時傳統(tǒng)RC-1GBT和新型T-RC-1GBT分別工作在IGBT模式和二極管模式下的電流線分布
[0018]其中A點對應于圖6中的A點為傳統(tǒng)RC-1GBT在IGBT導通下的電流分布圖，B點對應于圖6中的B點為新型RC-1GBT在IGBT導通下的電流分布圖，C點對應于圖6中的C點為傳統(tǒng)RC-1GBT在二極管導通下的電流分布圖，D點對應于圖6中的D點為新型RC-1GBT在二極管導通下的電流分布圖
[0019]圖8是傳統(tǒng)RC-1GBT和新型RC-1GBT在正向導通壓降和關斷能耗的折中關系比較圖。
[0020]其中Conventional RC-1GBT是傳統(tǒng)逆導絕緣柵雙極性晶體管，T-RC-1GBT是本發(fā)明提供的一種能消除負阻效應的逆導絕緣柵雙極性晶體管。
[0021]圖9是相同電流密度下傳統(tǒng)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(tǒng)逆導絕緣柵雙極性晶體管，T-RC-1GBT是本發(fā)明提供的一種能消除負阻效應的逆導絕緣柵雙極性晶體管。
【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(qū)、器件過渡區(qū)和器件終端區(qū)；所述器件有源區(qū)包括P型集電區(qū)10、N-漂移區(qū)6、位于P型集電區(qū)10和N-漂移區(qū)6之間的N型緩沖層8，所述N-漂移區(qū)6表面具有多個均勻分布的P型體區(qū)5，所述P型體區(qū)5中具有與發(fā)射極金屬相連的N+源區(qū)I ;所述器件有源區(qū)還包括器件柵極結構，所述柵極結構由柵氧化層3和多晶硅柵電極2構成，其中柵氧化層3位于多晶硅柵電極2與P型體區(qū)5和N-漂移區(qū)6之間；所述器件過渡區(qū)包括N型集電區(qū)9、N-漂移區(qū)6、位于N型集電區(qū)9和N-漂移區(qū)6之間的N型緩沖層8，過渡區(qū)的N-漂移區(qū)6表面具有與發(fā)射極金屬相連的P型過渡區(qū)；所述器件終端區(qū)包括P型集電區(qū)10、N-漂移區(qū)6、位于P型集電區(qū)10和N-漂移區(qū)6之間的N型緩沖層8 ;所述器件過渡區(qū)在器件橫向方向上位于器件有源區(qū)和器件終端區(qū)之間。
[0024]進一步地，上述技術方案中，所述器件過渡區(qū)環(huán)繞器件有源區(qū)(如圖2所示)或所述器件過渡區(qū)與有源區(qū)各占一邊(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位于部分P型體區(qū)5和N-漂移區(qū)6表面，多晶硅柵電極2位于柵氧化層3表面；所述器件柵極結構也可以是溝槽柵結構，其中多晶硅柵電極2向下穿過P型體區(qū)5并延伸入N-漂移區(qū)6 ;所述N-漂移區(qū)6內部還可以具有均勻分布且平行于器件縱向方向的P型柱區(qū)7，形成超結漂移區(qū)結構。
[0025]借助MEDICI仿真軟件可得，對所提供的如圖1所示的傳統(tǒng)RC-1GBT，如圖2所示的一種新布局的RC-1GBT進行了仿真比較，仿真模擬薄片工藝制造的600V RC-1GBT，傳統(tǒng)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(qū)厚度為60um，摻雜濃度為7 X1013cnT3，載流子壽命為10us，環(huán)境溫度為300K，總長度為700um，傳統(tǒng)RC-1GBT和新設計的RC-1GBT不同之處在于他們的布局不一樣，這樣集成的IGBT和二極管的分布就不一樣，而且傳統(tǒng)RC-1GBT的二極管采用P型體區(qū)5作為陽極，N型集電區(qū)9作為陰極；而新設計的RC-1GBT，采用P型過渡區(qū)作為二極管的陽極，N型集電區(qū)作為陰極。就是這種新的版圖設計，使得本發(fā)明所提供的新型T-RC-1GBT比傳統(tǒng)RC-1GBT的性能得到大幅度的提高。圖6是傳統(tǒng)RC-1GBT和新型T-RC-1GBT的正向導通和反向導通性能的比較圖，可以看出，傳統(tǒng)RC-1GBT具有很明顯的負阻現象，新型T-RC-1GBT由于IGBT的性能不再受到N型集電區(qū)9的影響從而可以消除負阻效應；正向導通時候，可以通過調整過渡區(qū)的長度來改變IGBT和二極管的面積，當過渡區(qū)L越小，IGBT的導通能力越強，正導通壓降越低，L越大，二極管的導通能力越強，方向導通壓降越低，故我們可以通過自身需要來設計IGBT與二極管的面積比值，從而調整IGBT和二極管的導通能力，使得設計靈活性更強。圖7是傳統(tǒng)RC-1GBT和新型T-RC-1GBT在IGBT和二極管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模式和二極管模式下分布都比較均勻，沒有出現傳統(tǒng)RC-1GBT在正向導通時候有一部分P型集電區(qū)沒有導通的情況，如圖7中的A點電流分布。圖8是傳統(tǒng)RC-1GBT和新型T-RC-1GBT在IGBT在正向導通壓降和關斷時能耗的折中關系比較圖，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(tǒng)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(qū)L長度越大，即相應的N型集電區(qū)9的寬度就越寬，在電流抽取時，這種N型集電區(qū)的短路抽取能力就越強，雖然傳統(tǒng)RC-1GBT也具有N型集電區(qū)的短路抽取，但是由于電流不均與大部分的電流主要集中在局域P型集電區(qū)上，所以抽取速度會更慢.[0026]綜上所述，本發(fā)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部分和二極管部分獨立開來。經過仿真驗證，在基本不影響器件其他參數的情況下，能消除正向導通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(qū)作為二極管的陽極能，相對于傳統(tǒng)RC-1GBT的P-body作為二極管的陽極，能大大提高反向偏壓時的二極管的導通性能，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(qū)、器件過渡區(qū)和器件終端區(qū)； 所述器件有源區(qū)包括P型集電區(qū)(10)、N-漂移區(qū)(6)、位于P型集電區(qū)(10)和N-漂移區(qū)(6)之間的N型緩沖層(8)，所述N-漂移區(qū)(6)表面具有多個均勻分布的P型體區(qū)(5)，所述P型體區(qū)(5)中具有與發(fā)射極金屬相連的N+源區(qū)(I);所述器件有源區(qū)還包括器件柵極結構，所述柵極結構由柵氧化層(3)和多晶硅柵電極(2)構成，其中柵氧化層(3)位于多晶硅柵電極(2)與P型體區(qū)(5)和N-漂移區(qū)(6)之間； 所述器件過渡區(qū)包括N型集電區(qū)(9)、N-漂移區(qū)(6)、位于N型集電區(qū)(9)和N-漂移區(qū)(6)之間的N型緩沖層(8)，過渡區(qū)的N-漂移區(qū)(6)表面具有與發(fā)射極金屬相連的P型過渡區(qū)； 所述器件終端區(qū)包括P型集電區(qū)(10)、N-漂移區(qū)(6)、位于P型集電區(qū)(10)和N-漂移區(qū)(6)之間的N型緩沖層(8); 所述器件過渡區(qū)在器件橫向方向上位于器件有源區(qū)和器件終端區(qū)之間。
2.根據權利要求1所述的能消除負阻效應的RC-1GBT，其特征在于，所述器件過渡區(qū)環(huán)繞器件有源區(qū)。
3.根據權利要求1或2所述的能消除負阻效應的RC-1GBT，其特征在于，所述器件柵極結構為平面柵結構，其中柵氧化層(3)位于部分P型體區(qū)(5)和N-漂移區(qū)(6)表面，多晶硅柵電極(2 )位于柵氧化層(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，其特征在于，所述器件柵極結構為溝槽柵結構，其中多晶硅柵電極(2)向下穿過P型體區(qū)(5)并延伸入N-漂移區(qū)(6)。
5.根據權利要求1或2所述的能消除負阻效應的RC-1GBT，其特征在于，所述N-漂移區(qū)(6)內部具有均勻分布且平行于器件縱向方向的P型柱區(qū)(7)，形成超結漂移區(qū)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(yōu)先權日:2013年9月16日
【發(fā)明者】李澤宏, 陳偉中, 劉永, 廖鵬飛, 張波 申請人:電子科技大學