一种具有槽型氧化层和垂直缓冲层的RC‑LIGBT

摘要

本发明涉及一种具有槽型氧化层和垂直缓冲层的RC‑LIGBT，属于半导体功率器件领域。该晶体管包括从左至右设置的发射极、栅极、N‑漂移区、槽型SiO

说明书

技术领域

本发明属于半导体功率器件领域，具体涉及一种具有槽型氧化层和垂直缓冲层的RC-LIGBT。

背景技术

LIGBT(LateralInsulatedGateBipolarTransistor,横向绝缘栅双极型晶体管)被广泛应用于电力电子、消费类电子产品领域。但LIGBT是一个单向导通器件，反向导通时等效于两个背靠背的二极管从而无法导通。在LIGBT典型逆变电路应用中就需要反并联一个续流二极管FWD(FreeWheelingDiode)以作保护作用。RC-LIGBT(Reverse-ConductingLateralInsulated GateBipolarTransistor,逆导型横向绝缘栅双极型晶体管)将LIGBT的部分集电极P-Collector用N-Collector取代，集电极P-Collector(9)和N-Collector(13)左右排列在集电极处其结构如图1所示。使得原来LIGBT中两个背靠背二极管P-body/N-drift/P-Collector变成了P-body/N-drift/N-Collector一个二极管结构，实现了IGBT内部二极管的集成。不但提高了芯片的集成度还能够节约成本，消除了LIGBT芯片与二极管芯片之间存在的温度差，提高了可靠性。

但是传统RC-LIGBT有存在自身的一些缺点：一方面由于N-Collector的引入，从MOS流出的电子在流向集电极时首先流向低势垒的N-Collector，并在集电极P-Collector(9)和N-buffer(8)之间存在一个PN结(P-Collector/N-buffer)，电子流过时产生一个电势差VPN。当VPN<0.7V时只有电子参与导电，RC-LIGBT工作在单极性导电模式下。当VPN≥0.7V时，P-Collector向漂移区注入空穴，RC-LIGBT工作在双极性导电模式下。由于两种导电模式的转换导致了输出曲线上电流电压的突变，即出现了负阻Snapback现象。这种现象使得RC-LIGBT在并联使用时一些器件完全不能进入IGBT的工作模式，一些器件则因电流过大温度过高造成器件烧毁，最终导致整个电路系统崩溃。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种具有槽型氧化层和垂直缓冲层的RC-LIGBT。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种具有槽型氧化层和垂直缓冲层的RC-LIGBT，包括从左至右设置的发射极(4)、N+源区(1)、P-body区(5)、栅极(2)、栅氧化层(3)、N-漂移区(6)、槽型SiO₂埋层(12)、集电极(7)；

集电极(7)包括从左至右设置的垂直缓冲层N-buffer(8)和用于空穴发射的P集电极P-Collector(9)；垂直缓冲层N-buffer(8)的长度与N-漂移区(6)中槽型SiO₂埋层(12)的厚度一致，且将集电极P-Collector(9)包围起来；集电极P-Collector(9)与垂直缓冲层N-buffer(8)之间形成了一个PN结，通过控制垂直缓冲层N-buffer(8)的掺杂浓度调节PN结上的结电压VPN，从而控制晶体管的导电模式；

N-漂移区(6)下部为介质隔离层(10)和衬底(11)，介质隔离层(10)在衬底(11)之上，N-漂移区(6)、介质隔离层(10)和衬底(11)组成SOI，即绝缘体上的硅结构。

进一步，所述晶体管在击穿时，N-漂移区中的槽型SiO₂埋层将晶体管的表面电场引向体内，使得体内电场大大增强，从而提高晶体管的击穿电压；

所述集电极P-Collector(9)采用垂直型集电极P-Collector，在击穿耐压时，垂直缓冲层N-buffer(8)终止体内横向电场，使得电场呈矩形分布，击穿电压进一步增加；

在反向导通时，垂直缓冲层N-buffer提供一个电子通道，使得晶体管能够逆向导通；

在正向导通时，垂直型集电极P-Collector与N-buffer之间形成一个PN结，通过控制N-buffer的掺杂浓度调节PN结上的结电压VPN，从而控制晶体管的导电模式。

本发明的有益效果在于：本发明所提出的一种具有槽型氧化层和垂直缓冲层的逆导型横向绝缘栅双极型晶体管(RC-LIGBT)，(1)在击穿时N-漂移区中的槽型SiO₂埋层将晶体管的表面电场引向体内，使得体内电场大大增强，从而提高了晶体管的击穿电压。(2)集电极采用垂直缓冲层N-buffer和垂直型集电极P-Collector，在击穿耐压时，垂直缓冲层N-buffer终止体内横向电场，使得电场呈矩形分布，击穿电压进一步增加。(3)在反向导通时，垂直缓冲层N-buffer提供了一个电子通道，使得晶体管能够逆向导通即反向导通。此外在正向导通时,垂直型集电极P-Collector与N-buffer之间形成了一个PN结，通过控制N-buffer的掺杂浓度可以有效调节PN结上的结电压VPN，从而控制晶体管的导电模式。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为传统RC-LIGBT结构示意图；

图2为本发明提出的一种具有槽型氧化层和垂直缓冲层的逆导型横向绝缘栅双极型晶体管(新结构RC-LIGBT)；

图3为在漂移区浓度分别为3e14、5e14、7e14、3e15时新结构RC-LIGBT与传统RC-LIGBT在反向击穿下的击穿电压比较图；

图4为击穿时新结构RC-LIGBT与传统RC-LIGBT在雪崩击穿状态下的电势比较图；

图5为击穿时新结构RC-LIGBT与传统RC-LIGBT在雪崩击穿状态下的电场比较图；

图6为在漂移区浓度分别为1e14、5e14、1e15下，当缓冲层N-Buffer的浓度由1e15增加到1e16时新结构RC-LIGBT与传统RC-LIGBT在反向击穿下的击穿电压变化趋势比较图；

图7为在漂移区浓度分别为5e14、7e14、1e15下，新结构RC-LIGBT与传统RC-LIGBT在正向导通IGBT模式下的电流电压仿真比较图；

图8为在垂直N-buffer浓度分别为5e15、6e15、7e15、1e16下，新结构RC-LIGBT与传统RC-LIGBT在正向导通IGBT模式下的电流电压仿真曲线变化对比图。

图9为在垂直N-buffer浓度分别为5e15、6e15、7e15、1e16下，新结构RC-LIGBT在反向导通二极管FWD模式下的电流电压仿真曲线变化趋势图。

图10为在垂直N-buffer与集电极P-Collector的宽度之比Ratio分别为2:1、1:1、1:2、1:3下，新结构RC-LIGBT在反向导通二极管FWD模式下的电流电压仿真曲线变化趋势图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

晶体管结构图各部分分别表示如下：发射极(4)、N+源区(1)、P-body区(5)、栅极(2)、栅氧化层(3)、N-漂移区(6)、槽型SiO₂埋层(12)、集电极(7)。集电极包括左右设置的垂直缓冲层N-buffer(8)和具有空穴发射能力的P集电极P-Collector(9)。垂直缓冲层N-buffer(8)的长度与N-漂移区(6)中槽型SiO₂埋层(12)的厚度一致，且将集电极P-Collector(9)包围起来。集电极P-Collector(9)与垂直缓冲层N-buffer(8)之间形成了一个PN结，晶体管的N-漂移区(6)下为介质隔离层(10)和衬底(11)，介质隔离层(10)在衬底(11)之上，N-漂移区(6)与介质隔离层(10)和衬底(11)三者组成SOI即绝缘体上的硅结构。

本发明提出的一种具有槽型氧化层和垂直缓冲层的RC-LIGBT，其结构如图2所示。其结构包括从左至右设置的发射极、栅极、N-漂移区、槽型SiO₂埋层、集电极。集电极包括左右设置的垂直缓冲层N-buffer和具有空穴发射能力的垂直P集电极P-Collector。本发明所提出的RC-LIGBT机理在于：(1)在击穿时N-漂移区中的槽型SiO₂埋层将晶体管的表面电场引向体内，使得体内电场大大增强，从而提高了晶体管的击穿电压。(2)集电极采用垂直缓冲层N-buffer和垂直型集电极P-Collector，在击穿耐压时，垂直缓冲层N-buffer终止体内横向电场，使得电场呈矩形分布，击穿电压进一步增加。(3)在反向导通时，垂直缓冲层N-buffer提供了一个电子通道，使得晶体管能够逆向导通即反向导通。此外在正向导通时,垂直型集电极P-Collector与N-buffer之间形成了一个PN结，通过控制N-buffer的掺杂浓度可以有效调节PN结上的结电压V_PN，从而控制晶体管的导电模式。

借助MEDICI仿真软件可得，对所提供的如图1所示的传统RC-LIGBT，如图2所示的新结构RC-LIGBT进行了仿真比较，在仿真过程中传统RC-LIGBT和新结构RC-LIGBT的仿真参数一致，其中N-漂移区厚度为25um，载流子寿命为10us，环境温度为300K，长度为17um，掺杂浓度和缓冲层N-buffer的浓度可调。

图3是室温下T＝300K时，在漂移区浓度分别为3e14、5e14、7e14、3e15时新结构RC-LIGBT(Proposed)与传统RC-LIGBT(Conventional)在反向击穿下的击穿电压比较图；其中Proposed为新结构，Con-RC-LIGBT为传统结构；由图3仿真结果可知，新结构RC-LIGBT的击穿电压远大于传统结构，在相同的结构参数下，当漂移区浓度为3e14时，新结构击穿电压为342.4V，传统结构为100.2V，击穿电压(Breakdown Voltage，BV)提升了3.4倍。

图4仿真了击穿时新结构RC-LIGBT(Proposed)与传统RC-LIGBT(Conventional)在雪崩击穿状态下的电势比较图；其中Proposed为新结构，Conventional为传统结构；可以看出新结构晶体管的电势均匀分布在整个晶体管内，在槽型二氧化硅中电势线较为密集，说明槽型二氧化硅处电场增强，在垂直N-buffer处，无电场线，说明垂直N-buffer终止了横向电场。具体物理机理表述如下：在击穿时N-漂移区中的槽型SiO₂埋层将晶体管的表面电场引向体内，使得体内电场大大增强，从而提高了晶体管的击穿电压。集电极采用垂直缓冲层N-buffer和垂直型集电极P-Collector，在击穿耐压时，垂直缓冲层N-buffer终止体内横向电场，使得电场呈矩形分布，击穿电压进一步增加

图5仿真了击穿时新结构RC-LIGBT(Proposed)与传统RC-LIGBT(Conventional)在雪崩击穿状态下的电场比较图；其中Proposed为新结构，Conventional为传统结构；可以看出由于新结构引入了槽型二氧化硅，使得漂移区中的电场峰值提高，在垂直N-buffer处无电场，说明电场已被终止，整个电场分布呈矩形分布，故击穿电压提高，进一步验证了图4和图3的仿真结果。

图6仿真了在漂移区浓度分别为1e14、5e14、1e15下，当缓冲层N-Buffer的浓度由1e15增加到1e16时新结构RC-LIGBT(Proposed)与传统RC-LIGBT(Conventional)在反向击穿下的击穿电压变化趋势比较图；其中Proposed为新结构，Conventional为传统结构；可以看出新结构和传统结构的漂移区浓度为1e14，随着N-Buffer的浓度增加，击穿电压都随之增加，但是当漂移区浓度达到5e14和1e15时，击穿电压BV基本恒定，不再随N-Buffer的浓度增加而变化，但新结构BV始终远大于传统结构。

图7仿真了器件正向导通性能，在正向导通状态即V_g＝15V，V_Emitter＝0V，V_Collector＝(+V)时，传统RC-LIGBT在电流为50A-80A左右时发生snapback现象，发生snapback现象的程度ΔV_SB＝0.5V。对于新结构RC-LIGBT，在漂移区浓度分别为5e14、7e14时，存在很小的snapback现象，此时电流为10A左右，当漂移区浓度为下1e15时，整个正向导通过程无snapback现象发生，其原因在于，随着漂移区浓度的增加，漂移区电阻逐渐减小，在同样的外加电压下，集电极处的P-Collector与N-Buffer之间的PN结压降V_PN将逐渐增大，当V_PN>0.7V时，P-Collector将向漂移区中注入空穴，器件进入双极性导电模式。而对于漂移区浓度分别为5e14、7e14时，由于漂移区电阻较大，则V_PN分压较小，V_PN<0.7V，器件处于单极性导通即电子导通状态，只有继续施加更大的外加电压，使得V_PN>0.7，器件才能进入双极性导通状态也即载流子同时具有电子和空穴，但在由单极性导电模式过渡到双极性导电模式的过程中，电流迅速增大从而会出现snapback现象。故经过仿真验证可以通过增加漂移区浓度，降低漂移区电阻的办法有效的抑制snapback现象。

图8仿真了垂直N-buffer浓度分别为5e15、6e15、7e15、1e16下，新结构RC-LIGBT在正向导通IGBT模式下的电流电压仿真曲线变化趋势图。在正向导通状态即V_g＝15V，V_Emitter＝0V，V_Collector＝(+V)时，随着垂直N-buffer由1e16减小到5e15，N-buffer电阻逐渐减大，在同样的外加电压下，集电极处的P-Collector与N-Buffer之间的PN结压降V_PN将逐渐增大，当V_PN>0.7V时，P-Collector将向漂移区中注入空穴，器件一开始进入双极性导电模式。不存在由单极性导电模式过渡到双极性导电模式的过程，故不会出现snapback现象。经过仿真验证可以通过降低垂直N-buffer浓度，来有效的抑制snapback现象。

图9仿真了新结构RC-LIGBT，传统的RC-LIGBT在反向导通状态下的电流电压输出曲线图，当垂直N-buffer浓度分别为5e15、6e15、7e15、1e16时，新结构RC-LIGBT的反向导通性能随着N-buffer浓度的增加而逐渐加强，反向导通压降也进一步降低。在电流密度为100A/cm²时当N-buffer浓度为5e15时，反向导通压降为2.55V，而当N-buffer浓度为1e16时，反向导通压降降低到1.8V。但是传统RC-LIGBT的反向导通压降为0.8V，故传统结构器件的反向导通性能要优于新结构RC-LIGBT。

图10仿真了垂直N-buffer与集电极P-Collector的宽度之比Ratio分别为2:1、1:1、1:2、1:3下，新结构RC-LIGBT在反向导通二极管FWD模式下的电流电压仿真曲线变化趋势图。随着N-buffer的Ratio比例越大，即N-buffer宽度越宽，器件的反向导通压降将进一步降低。在电流密度为100A/cm²时当N-buffer比例为1:2时，反向导通压降为2.3V，而当N-buffer比例为3:1时，反向导通压降降低到1.6V，故可以通过调节N-buffer的宽度来改变新结构器件的反向导通性能。

综上所述，本发明所提出的一种具有槽型氧化层和垂直缓冲层的RC-LIGBT，经仿真验证：(1)在反向击穿(Breakdown Voltage，BV)模式下，采用相同的结构参数，当漂移区浓度为3e14时，新结构击穿电压为342.4V，传统结构为100.2V，击穿电压BV提升了3.4倍。(2)在正向导通IGBT模式下通过增加漂移区浓度和降低N-buffer的浓度可以有效消除snapback现象，新结构RC-LIGBT大大提高了传统RC-LIGBT的综合性能。

本发明提出的一种具有槽型氧化层和垂直缓冲层的RC-LIGBT，以示意图2为例，其具体实现方法包括：选取P型<100>晶向区熔单晶衬垫，生长SiO₂介质隔离层，外延N-漂移区形成SOI结构。基于SOI结构在N-漂移区刻蚀槽型区，然后离子注入形成垂直型N-Buffer，再外延形成槽型P-Collector,通过淀积形成SiO₂槽。接下来生长栅氧，淀积Poly栅，淀积BPSG，打孔并淀积发射极集电极金属。最后实现钝化封装等。

在实施的过程中，根据具体器件的设计要求，本发明提出的一种具有槽型氧化层和垂直缓冲层的RC-LIGBT，在具体制作时，衬底材料除了可以用硅Si材料，还可用碳化硅、砷化镓、磷化铟或锗硅等半导体材料代替体硅。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。