CN106847891B - 一种通过mosfet控制结终端集成体二极管的rc-igbt器件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及RC‑IGBT，属于半导体功率器件领域，包括从上至下设置的阴极层、N‑漂移区、N缓冲层和集电区，集电区包括同层设置的N集电区和P集电区，阴极层内间隔设置有若干多晶硅栅电极，每个栅电极被SiO2栅氧化层包围；RC‑IGBT器件从左到右为有源区、过渡区和结终端区，结终端区底层完全由N集电区构成。本发明利用结终端区集成了体二极管，结终端的场限环P‑ring作为二极管的阳极，结终端区底层的N集电区作为二极管的阴极，其导通状态受集成在过渡区的MOSFET的控制。本发明所提出的RC‑IGBT器件在正向导通IGBT模式下能彻底消除snapback现象，且正向导通压降降低了19.4%，这种结构大大提高了RC‑IGBT的性能。
Description
技术领域
本发明涉及半导体功率器件领域，具体涉及一种通过MOSFET控制结终端集成体二极管的RC-IGBT器件。
背景技术
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor,绝缘栅双极型晶体管)因其耐压等级可以从600V跨度到6500V，被广泛应用于高铁、新能源开发、家用电器、智能电网等领域。但IGBT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IGBT典型逆变电路应用中就需要反并联一个续流二极管FWD(Free Wheeling Diode)以作保护作用。RC-IGBT(Reverse-Conducting Insulated Gate Bipolar Transistor,逆导型绝缘栅双极型晶体管)将IGBT的部分集电极P-Collector用N-Collector取代，集电极P-Collector和N-Collector间隔排列其结构如图1所示。使得原来IGBT中两个背靠背二极管P-body/N-drift，N-buffer/P-Collector变成了P-body/N-drift，N-buffer/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IGBT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-IGBT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，并在底部的PN结(P-Collector/N-buffer)上产生一个电势差VPN如图2所示。当VPN<0.7V时只有电子参与导电，RC-IGBT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-IGBT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-IGBT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***崩溃。
另一方面，传统RC-IGBT器件版图如图3所示，由于N-Collector作为FWD的阴极，其上方区域为FWD区，P-Collector作为IGBT的阳极，其上方区域为IGBT区，传统RC-IGBT的IGBT与FWD混合在同一个有源区内(Active region)。这样传统RC-IGBT不论工作在IGBT正向导通模式或者FWD反向导通模式，都只有有源区导通电流，而结终端区(Edgetermination)面积很大如图1图3所示，却只起到一个承受反向击穿电压的作用，无导通电流流过，造成电流分布不均匀且芯片利用率低。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种通过MOSFET控制结终端集成体二极管的RC-IGBT器件。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的，一种通过MOSFET控制结终端集成体二极管的RC-IGBT器件，包括从上至下设置的阴极层、N-漂移区6、N缓冲层7和集电区，所述集电区包括同层设置的N集电区8和P集电区9，所述阴极层内间隔设置有若干多晶硅栅电极2，相邻两个多晶硅栅电极间形成有源发射极4，每个多晶硅栅电极被SiO2栅氧化层3包围；每个有源发射极的下方设置有一个P-body区5，P-body区5位于N-漂移区6的顶部，P-body区5内设置有与有源发射极连接的N+有源区1；绝缘栅双极型晶体管从左到右依次分为有源区、过渡区和结终端区，所述结终端区的底层完全由N集电区8构成。
进一步，所述结终端区内的阴极层内间隔设置有若干SiO2场氧化层15，相邻两个SiO2场氧化层连接一个场限位环P-ring14，场限位环P-ring位于N-漂移区内，场限位环P-ring与RC-IGBT内部集成的体二极管的阳极连接，N集电区与RC-IGBT内部集成的体二极管的阴极连接。
进一步，所述过渡区的等位环10内设置有MOSFET，MOSFET的源极11和漏极12位于过渡区的等位环10内，MOSFET的栅极13位于SiO2栅氧化层3内；MOSFET的源极11与结终端区的金属相连，漏极12与有源区的阴极金属相连，栅极13与漏极12以及有源区的阴极金属相连，源极与漏极之间的沟道开通与关断状态通过MOSFET栅极13控制。
由于采用以上技术方案，本发明具有以下优点：
本发明所提出的一种通过MOSFET控制结终端集成体二极管的RC-IGBT器件，在正向导通IGBT模式下彻底消除了snapback现象，且正向导通压降降低了19.4％。在反向导通FWD模式下，通过结终端集成了体二极管，该二极管具有软的反恢复特性，且整个反向恢复过程中无电流和电压的波动。综上所述，这种新结构RC-IGBT大大提高了传统RC-IGBT的综合性能。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1是传统RC-IGBT结构示意图；
图2是传统RC-IGBT正向导通过程中存在的两种导电模式；其中集电极P-Collector与缓冲层n-buffer之间的电压差VPN<0.7V时，传统RC-IGBT工作在单极性导电模式，当VPN>0.7V时,传统RC-IGBT工作在双极性导电模式；
图3是传统RC-IGBT的版图结构；其中传统RC-IGBT的部分集电极P-Collector被N-Collector所取代，P-Collector与N-Collector间隔排列在集电极上，P-Collector上方区域为IGBT区，N-Collector上方区域为FWD区，故IGBT与FWD混合在一起，即二极管集成在有源区；
图4是本发明提出的一种通过MOSFET控制结终端集成体二极管的RC-IGBT器件；
图5是新结构RC-IGBT的版图结构；新结构RC-IGBT将传统RC-IGBT的P-Collector和N-Collector整合后并分离开来，此时N-Collector分布在结终端区域，作为FWD的阴极，其上方区域为FWD区，P-Collector分布在有源区，作为IGBT的阳极，其上方区域为IGBT区，实现了FWD与IGBT有源区的分离，即二极管集成在结终端区；
图6是一种通过MOSFET控制结终端集成体二极管的RC-IGBT器件的拓扑结构，即应用于槽栅trench结构RC-IGBT；
图7是一种通过MOSFET控制结终端集成体二极管的RC-IGBT器件的拓扑结构，即应用于Super-junction结构RC-IGBT；
图8是室温下T＝300K时，长度均为450um的新结构RC-IGBT与传统RC-IGBT在正向导通IGBT模式与反向导通FWD模式下的电流电压仿真比较图；其中IGBT mode为正向导通IGBT模式，DIODE mode为反向导通FWD模式；
图9是新结构RC-IGBT、传统的RC-IGBT分别在正向导通与反向导通状态下，当电流密度达到150A/cm2时的电流分布图；其中A点代表传统RC-IGBT在正向导通时的电流分布，B点代表新结构RC-IGBT在正向导通时的电流分布，C点代表传统RC-IGBT在反向导通时的电流分布，D点代表新结构RC-IGBT在反向导通时的电流分布；
图10是新结构RC-IGBT、传统的RC-IGBT和传统PIN二极管的反向恢复电流电压波形比较图；其中小插图为软度因子的计算方法，Snap-off为电流的突然终止；
图11是新结构RC-IGBT、传统的RC-IGBT和传统PIN二极管的反向恢复过程中器件内部电流分布对比图；其中Hole Injection代表新结构RC-IGBT和传统的RC-IGBT在反向抽取电流时，P-Collector向漂移区中不断注入空穴，Without Hole Injection代表传统PIN二极管由于不存在P-Collector，在反向恢复过程中，无空穴注入；
其中，1是N+有源区，2是槽栅多晶硅电极，3是槽栅二氧化硅层，4是有源发射极，5是P-body区，6是N-漂移区，7是N缓冲层，8是N集电区，9是P集电区，10是过渡区等位环，11是MOS控制管的源极(与结终端金属相连)，12是MOS控制管的漏极(与IGBT的阴极金属相连)，13是MOS控制管的栅极(与IGBT的阴极金属相连)，14是结终端场限环P-ring,15是场氧化层，16是超结P柱。
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。
本发明提出的一种通过MOSFET控制结终端集成体二极管的RC-IGBT器件，其结构如图4所示，版图布局如图5所示。
RC-IGBT器件，包括从上至下设置的阴极层、N-漂移区6、N缓冲层7和集电区，所述集电区包括同层设置的N集电区8和P集电区9，所述阴极层内间隔设置有若干多晶硅栅电极2，相邻两个多晶硅栅电极间形成有源发射极4，每个多晶硅栅电极被SiO2栅氧化层3包围；每个有源发射极的下方设置有一个P-body区5，P-body区5位于N-漂移区6的顶部，P-body区5内设置有与有源发射极连接的N+有源区1；RC-IGBT器件从左到右依次分为有源区、过渡区和结终端区，所述结终端区的最底层完全由N集电区8构成。
所述结终端区内的阴极层内间隔设置有若干SiO2场氧化层15，相邻两个SiO2场氧化层连接一个场限位环14，场限位环位于N-漂移区内，场限位环与RC-IGBT内部集成的体二极管的阳极连接，N集电区与RC-IGBT内部集成的体二极管的阴极连接。
所述过渡区的等位环10内设置有MOSFET，MOSFET的源极11和漏极12位于过渡区的等位环10内，MOSFET的栅极13位于SiO2栅氧化层3内；MOSFET的源极11与结终端区的金属相连，漏极12与有源区的阴极金属相连，栅极13与漏极12以及有源区的阴极金属相连，源极与漏极之间的沟道开通与关断状态通过MOSFET栅极13控制。
本发明是在传统RC-IGBT基础上，首先将原来分离排列的P集电极区(P-Collector)9整合在一起集成在有源区，形成IGBT区；将原来分离排列的N集电极区(N-Collector)8整合在一起集成在结终端区域，形成二极管FWD区。其作用有三：第一、正向导通机理上，新结构RC-IGBT将P集电极区(P-Collector)上方电阻整合成一个很大的电阻Ranode，使得其PNP(P-body/n-drift,n-buffer/P-Collector)晶体管基极发射极的电阻Ranode很大，发射极基极电压VPN很容易达到0.7V使晶体管进入双极性导电模式。由于只存在一种导电机制，不存在传统RC-IGBT的由单极性向双极性导电模式转变过程，故能有效的消除Snapback现象。第二、版图布局上，新结构RC-IGBT将传统RC-IGBT的P-Collector和N-Collector整合后并分离开来。此时N-Collector作为FWD的阴极，其上方区域为FWD区，P-Collector作为IGBT的阳极，其上方区域为IGBT区，实现了FWD与IGBT有源区的分离，大大提高了芯片的利用率。第三结构上，传统RC-IGBT内部集成的体二极管FWD的阳极是采用P-body区，阴极采用的是N-Collector,而新结构RC-IGBT内部集成的体二极管FWD的阳极是采用场限环P-ring，阴极仍然采用的是N-Collector，故所集成的二极管结构不一样，由于场限环P-ring是结终端区(Edge termination)的结构，故新结构RC-IGBT成功利用结终端集成了体二极管；其次、为了不影响整个器件的反向阻断性能，新结构在有源区(Activeregion)与结终端区(Edge termination)之间即过渡区中引入了一个MOSFET结构，此MOSFET的源极11与结终端金属相连，漏极12与IGBT有源区的阴极金属相连，源漏之间的沟道开通与关断状态通过MOS管栅极13控制，MOS管栅极13与漏极12以及IGBT有源区的阴极金属相连，故MOS管栅极无需加入额外信号，其信号与IGBT有源区阴极信号同步。当RC-IGBT处于反向导通时，IGBT有源区阴极加正电压即MOSFET栅极加上正电压，沟道形成，MOSFET开启，源漏相连，此时IGBT有源区的阴极上的电流通过MOSFET沟道流经结终端金属后再通过FWD的阳极P-ring向下流向N-Collector，这个过程FWD处于导通状态。同理当IGBT有源区阴极电压撤销MOSFET上的栅极信号消失，沟道关闭源漏断开，MOSFET的源极与结终端金属以及FWD的阳极P-ring相连，此时FWD的阳极断开处于阻断状态。故通过在过渡区引入的MOSFET结构可以直接控制结终端区所集成的体二极管FWD的工作状态，MOSFET只等效于一个开关如图4中等效电路图所示。综上，本发明的新结构RC-IGBT器件是通过结终端集成体二极管FWD，且通过MOSFET控制FWD的工作模式，新引入的结构是在传统RC-IGBT基础上进行改进，但工作机理发生了巨大变化。这种新型的RC-IGBT不但能彻底消除传统RC-IGBT正向导通所存在的Snpaback现象，同时利用结终端区域集成体二极管使得芯片面积得到充分利用，通过MOSFET控制体二极管，使得FWD在正向导通时能正常工作，在反向阻断时不影响器件的阻断耐压，器件的综合性能大大提高。
进一步说明的是，本发明的新结构除了可以用于平面栅RC-IGBT中(如图4)还可以用于槽栅trench结构的RC-IGBT(如图6)和超结super junction RC-IGBT(如图7)之中。
借助MEDICI仿真软件可得，对所提供的如图1所示的传统RC-IGBT，如图4所示的新结构RC-IGBT进行了仿真比较，仿真模拟薄片工艺制造的600V耐压级RC-IGBT，传统RC-IGBT和新结构RC-IGBT的仿真参数一致，其中N-漂移区厚度为60um，掺杂浓度为7×1013cm-3，载流子寿命为10us，环境温度为300K，长度为450um。
图8是室温下T＝300K时，长度均为450um的新结构RC-IGBT与传统RC-IGBT在正向导通IGBT模式与反向导通FWD模式下的电流电压仿真图。由图8仿真结果可知，在正向导通状态即Vg＝15V，Vcathode＝0V，Vanode＝(+V)时，传统RC-IGBT在电流为5A左右时发生snapback现象，发生snapback现象的程度ΔVSB＝1.8V。对于新结构RC-IGBT，整个正向导通过程无snapback现象发生，其原理分析如上故通过整合P-Collector的长度能很好地消除snapback现象；另外当正向导通电流达到150A/cm2,传统RC-IGBT的正向导通压降为2.06V如图8中A点所示，对应的新结构RC-IGBT的正向导通压降为1.66V如图8中B点所示，相对传统RC-IGBT，新结构RC-IGBT导通压降降低了19.4％。综上新结构RC-IGBT不但消除了snapback现象，还大大降低了正向导通压降即降低了正向导通损耗。同样由图8仿真结果可知，在反向导通状态即Vg＝0V，Vcathode＝(+V)，Vanode＝0v时，传统RC-IGBT与新结构RC-IGBT的二极管FWD的反向导通曲线基本保持一致，当反向导通电流达到-150A/cm2，两种RC-IGBT的反向导通压降分别处于图8中D点和C点，两者没有本质区别，即新结构RC-IGBT对传统RC-IGBT的反向导通性能影响不大，可以忽略。
图9是新结构RC-IGBT，传统的RC-IGBT分别在正向导通与反向导通状态下，当电流密度达到150A/cm2时的电流分布图，图中的A,B,C,D点与图8相对应。由仿真结果可知：正向导通时，传统RC-IGBT的部分P-Collector被N-Collector所取代，故图中左边无电流分布，导通电流主要分布在P-Collector的上方即IGBT区。新结构RC-IGBT由于N-Collector被整合到结终端区域，P-Collector分布在整个有源区，故正向导通时电流分布在整个IGBT区，相对传统RC-IGBT，电流分布更加均匀。反向导通时，传统RC-IGBT的二极管FWD的阴极为N-Collector，阳极为P-body，故反向导通电流分布在N-Collector上方即分布在有源区。新结构RC-IGBT的二极管FWD的阴极为N-Collector，阳极为P-ring，由于N-Collector被整合到结终端区域故反向导通电流分布在结终端区。
图10是新结构RC-IGBT，传统的RC-IGBT和传统PIN二极管的反向恢复电流电压波形比较图，由图中电流曲线可以看出三种器件的软度因子分别为1.2，1.3，0.75，故这种新结构的RC-IGBT的软度因子与传统RC-IGBT相当，而相对传统PIN二极管软度因子提升37％。当软度因子大于1时即为软反向恢复。传统PIN二极管不但为很硬的反向恢复，而且还存在Snap-off和电流波动等现象，而对于新结构RC-IGBT和传统的RC-IGBT则不存在Snap-off和电流波动现象。由图中反向恢复电压曲线可以看出除了这种新结构的RC-IGBT，其它都存在电压过冲和波动等情况，对于传统PIN二极管，这种现象原因是由于电流的Snap-off和高的di/dt造成的，而对于传统RC-IGBT，反向电压的波动的机理是因为在反向恢复过程中，耗尽层的不平衡导致的，而根本原因是在于器件内电流的分布不均匀，在反向恢复载流子的抽取过程中导致了电流电压的震荡。。
图11是新结构RC-IGBT，传统的RC-IGBT和传统PIN二极管的反向恢复过程中器件内部电流分布对比图，由图可知新结构RC-IGBT和传统的RC-IGBT在反向抽取电流时，由于P-Collector会向漂移区中不断注入空穴，这样就防止了漂移区中载流子被瞬间抽取，保证了反向恢复电流缓慢减少，这也解释了图11中新结构RC-IGBT和传统的RC-IGBT反向恢复电流不存在Snap-off和电流波动现象。而传统PIN二极管由于不存在P-Collector，在反向恢复过程中，漂移区中的载流子被瞬间抽取掉，这样就造成了电流电压的突变，即存在电流的Snap-off现象和电压的过冲现象。
综上所述，本发明所提出的一种通过MOSFET控制结终端集成体二极管的RC-IGBT器件，经仿真验证在正向导通IGBT模式下彻底消除了snapback现象，且正向导通压降降低了19.4％。在反向导通FWD模式下，通过结终端集成了体二极管。该二极管具有软的反恢复特性，且整个反向恢复过程中无电流和电压的波动。综上所述，这种新结构RC-IGBT大大提高了传统RC-IGBT的综合性能。
本发明提出的一种通过MOSFET控制结终端集成体二极管的RC-IGBT器件，以示意图4为例，其具体实现方法包括：选取N型<100>晶向区熔单晶衬垫，场氧化，刻蚀有源区，长栅氧，淀积Poly栅(MOS管的栅极13同步完成),P body的注入，N+有源区注入(MOSFET的源极11和漏极12同步完成)，淀积BPSG，打孔并淀积发射极金属，发射极金属曝光与刻蚀，背面场终止层注入，背面集电极N-Collector(8)及集电极P-Collector(9)分别离子注入及退火。背面金属化，钝化等等。
在实施的过程中，根据具体器件的设计要求，本发明提出的一种通过MOSFET控制结终端集成体二极管的RC-IGBT器件，其表面MOS区和漂移区是可变的，可以用于槽栅trench结构的RC-IGBT(如图6)和超结super junction RC-IGBT(如图7)中。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。
Claims (2)
1.一种通过MOSFET控制结终端集成体二极管的RC-IGBT器件，其特征在于：包括从上至下设置的阴极层、N-漂移区(6)、N缓冲层(7)和集电区，所述集电区包括同层设置的N集电区(8)和P集电区(9)，所述阴极层内间隔设置有若干多晶硅栅电极(2)，相邻两个多晶硅栅电极间形成有源发射极(4)，每个多晶硅栅电极被SiO2栅氧化层(3)包围；每个有源发射极的下方设置有一个P-body区(5)，P-body区(5)位于N-漂移区(6)的顶部，P-body区(5)内设置有与有源发射极连接的N+有源区(1)；RC-IGBT从左到右依次分为有源区、过渡区和结终端区，所述结终端区的底层完全由N集电区(8)构成；
所述过渡区的等位环(10)内设置有MOSFET，MOSFET的源极(11)和漏极(12)位于过渡区的等位环(10)内，MOSFET管的栅极(13)位于SiO2栅氧化层(3)内；MOSFET的源极(11)与结终端区的金属相连，漏极(12)与有源区的阴极金属相连，栅极(13)与漏极(12)以及有源区的阴极金属相连，源极与漏极之间的沟道开通与关断状态通过MOSFET栅极(13)控制。
2.根据权利要求1所述的一种通过MOSFET控制结终端集成体二极管的RC-IGBT器件，其特征在于：所述结终端区内的阴极层内间隔设置有若干SiO2场氧化层(15)，相邻两个SiO2场氧化层连接一个场限位环P-ring(14)，场限位环P-ring位于N-漂移区内，场限位环P-ring与RC-IGBT内部集成的体二极管的阳极连接，RC-IGBT内部集成的体二极管的阴极与N集电区连接。
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