CN107293585B - 一种快关断绝缘体上硅横向绝缘栅双极型晶体管器件 - Google Patents
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Abstract
一种快关断绝缘体上硅横向绝缘栅双极型晶体管，在P型衬底上设有埋氧，在埋氧上设有N型漂移区，其上设有N型缓冲区和P型体区，在N型缓冲区内设有P型集电极区，其上连接有集电极金属，在P型体区内设有N型发射极区，其右侧设有P型发射区，在发射极区上连接有发射极金属，在N型漂移区的上方设有场氧层，在N型发射区左侧设有纵向沟槽，在其内设有由二氧化硅或其它耐压介质包裹的多晶硅层，其上连接有栅金属，在纵向沟槽的左侧设有P型发射极区块体，其上连接有发射极金属，在场氧层与P型发射区之间设有纵向沟槽，在其内设有由二氧化硅或其它耐压介质包裹的多晶硅层，其上连接有栅金属，在栅金属和发射极金属之间设有氧化层。
Description
技术领域
本发明主要涉及功率半导体器件技术领域，是一种新型快关断绝缘体上硅横向绝缘栅双极型晶体管，特别适用于单片集成功率芯片中用来实现对电机***的准确控制。
背景技术
绝缘栅双极型晶体管IGBT是MOSFET与双极型晶体管的复合器件，同时具备MOSFET管与双极型晶体管的特点，它既有MOSFET易驱动的特点，又具有功率晶体管电压、电流容量大的优点，具有良好的通态电流和开关损耗之间的折中关系。绝缘体上硅横向绝缘栅双极型晶体管(SOI-Lateral Insulated Gate Bipolar Transistor，SOI-LIGBT)是一种典型的基于SOI工艺的器件，具有易于集成、耐压高、驱动电流能力强、开关速度快等优点，在功率集成电路中得到了广泛应用。
基于以上所述优点，SOI-LIGBT常作为核心器件，用于单片集成功率芯片中。为了降低器件的导通压降，最近提出了U型沟道的平面栅SOI-LIGBT结构，通过采用这种结构，U型沟道的平面栅SOI-LIGBT器件实现了较低的导通压降，然而，在这些SOI-LIGBT结构中，因为存在JFET区域，增加了导通电阻，导通压降并不能有效的降低，所以在此基础上又提出了纵向沟槽结构器件，这种结构消除了JFET区域，降低了导通压降，但是效果并不是很好，导通电阻较大的那部分漂移区压降并没有得到很大程度上的改善；而且为了获取更低的导通压降时，会增加漂移区中存储的载流子数量，在关断过程中，这部分载流子需要较长的时间来移除，这会使器件的关断时间延长，最终会导致一个较大的关断损耗，所以对于传统结构的纵向沟槽SOI-LIGBT器件，往往需要在导通压降和关断损耗之间进行折中。此外，SOI-LIGBT器件开关功耗较大是制约单片集成功率芯片工作频率更高、工作能效更佳、芯片面积更小的瓶颈。因此，为了降低器件的开关功耗，目前提出了一些改进结构器件，比如SA-LIGBT和某些经过电子辐射的器件，这些结构都能有效的缩短关断时间，减少关断损耗，但同时也带来了新的问题，比如前者在正向导通时会出现电压回滞现象，这会降低器件的可靠性，而后者在高温时可能会出现较大的漏电流，导致器件性能不稳定。
因此，在保持器件的耐压、降低SOI-LIGBT的导通压降基础上降低SOI-LIGBT的关断损耗是研制电机***中单片集成功率芯片的主要发展方向。
发明内容
本发明针对上述问题，提出了一种能够增强电导调制效应并且能降低器件关断功耗的快关断绝缘体上硅横向绝缘栅双极型晶体管器件。该结构在保持器件耐压、降低导通电压的前提下，显著降低器件的关断功耗，扩展其有效安全工作区，使之能够满足电机***中单片集成功率芯片对SOI-LIGBT器件高耐压、低导通压降及快关断的要求。
一种快关断绝缘体上硅横向绝缘栅双极型晶体管器件，包括：P型衬底，在P型衬底上设有埋氧，在埋氧上设有N型漂移区，在N型漂移区的两侧分别设有N型缓冲区和P型体区，在N型缓冲区内设有重掺杂的P型集电极区，重掺杂的P型集电极区上连接有集电极金属，在P型体区内设有重掺杂的N型发射极区，在重掺杂的N型发射极区的右侧设有重掺杂的P型发射区，在上述重掺杂的P型发射极区和重掺杂的N型发射区上连接有第二发射极金属，在N型漂移区的上方设有场氧层，所述场氧层的一侧边界落在N型缓冲区的上方，另一侧边界与P型体区相接，在重掺杂的N型发射区左侧设有第一纵向沟槽，在第一纵向沟槽内设有由二氧化硅或其它耐压介质包裹的第一多晶硅层，在第一多晶硅层上连接有第一栅金属，在第一纵向沟槽左侧设有重掺杂P型发射极区块体，发射极区块体间隔分布，发射极区块体上连接有第一发射极金属，在场氧层与重掺杂的P型发射区之间设有第二纵向沟槽，在第二纵向沟槽内设有由二氧化硅或其它耐压介质包裹的第二多晶硅层，在第二多晶硅层上连接有第二栅金属，在第二栅金属和第二发射极金属之间设有氧化层，在第一栅金属和第二发射极金属之间设有氧化层，在第一发射极金属和第一栅金属之间设有氧化层。
进一步，第一纵向沟槽、重掺杂的N型发射区、重掺杂的P型发射极区和第二纵向沟槽同步凹陷，第二栅金属以及N型漂移区突入并延伸占据所述凹陷区域，相邻的所述发射极区块体被第一纵向沟槽的所述凹陷的区域间隔。
进一步，对于凹陷区域，第二纵向沟槽的x方向沟道和y方向沟道之间的夹角α可调。
进一步，对于凹陷区域，第一纵向沟槽x方向沟道的宽度WOC可调，y方向沟道的总宽度为WPC+2WPE，其中WPC和WPE可调。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明有效降低了器件的导通压降。在传统的设有纵向沟槽SOI-LIGBT结构中，在器件导通的情况下，因为纵向沟槽接地，发射极附近有空穴的积累，但积累的数量不多，而且器件的导通电阻主要取决于P型体区和N型缓冲区之间的那部分漂移区，但是传统结构中纵向沟槽的作用效果在整个漂移区，而不是针对P型体区和N型缓冲区之间的那部分漂移区，所以传统结构并不能有效地降低导通电阻，即不能有效降低器件的导通压降。本发明设有Z方向的两个纵向沟槽，在器件导通的情况下，两个纵向沟槽接高电位，空穴积累效果更强，发射极附近区域空穴密度显著提高，这增强了发射极一侧区域的电导调制效应，有效地降低了P型体区和N型缓冲区之间的那部分漂移区电阻，同时，集电极一侧空穴密度降低，使得器件内部载流子分布更加均衡，这有效地降低了器件的导通压降。
本发明有效降低了器件的关断损耗。由前面对导通情况下器件内部空穴分布的分析可知，相对于传统结构，本发明结构的发射极附近区域空穴密度增大，集电极附近区域空穴密度减小，在器件关断过程中，发射极区附近空穴通过发射极可以快速的抽取，集电极区附近区域空穴数量较少，也可以在较短时间内复合消失，因此器件关断时间较短，关断损耗较低。
本发明解决了低导通压降与低关断损耗之间的矛盾问题。在传统的设有纵向沟槽SOI-LIGBT结构中，为降低器件的导通压降，需要增强器件内部的电导调制效应，这会导致漂移区内的空穴密度增高。在关断过程中，不能通过发射极快速地抽取，这部分载流子需要更长的时间来移除，所以器件的关断时间较长，关断损耗较大。对于本发明结构，通过对传统结构进行创新性改进，在降低导通压降的同时还可以获得较小的关断损耗。
此外，本发明结构还可以提高器件的耐压值，由于有两个纵向的沟槽，在关断时，相对于传统的单沟槽结构，第二纵向沟槽5可以承受一部分额外电压，如图9所示，因此本发明结构的耐压值要略高于传统单沟槽栅SOI-LIGBT结构耐压值。
故本发明器件在显著降低器件的关断损耗的基础上，又降低了导通压降，同时提高器件了耐压，扩展了其安全工作区，使得其在电机驱动***中可以得到更广泛的应用。
附图说明
图1所示为传统绝缘体上硅横向绝缘栅双极型晶体管的器件剖面结构图。
图2所示为本发明结构的俯视图。
图3所示为本发明结构有金属电极的三维图。
图4所示为本发明结构去掉金属电极的三维图。
图5所示为本发明结构正向导通时空穴分布示意图。
图6所示为传统结构正向导通时空穴分布示意图。
图7所示为本发明结构和传统结构在正向导通时的空穴分布对比图。
图8所示为本发明结构与传统结构的耐压对比图。
图9所示为本发明结构与传统结构的关断时间对比图。
图10所示为本发明结构与传统结构的I-V曲线对比图。
图11所示为本发明结构中WPC的大小与导通压降关系图。
图12所示为本发明结构中夹角α的大小与导通压降关系图。
具体实施方式
下面结合图2、图3，图4，对本发明做详细说明：
一种快关断绝缘体上硅横向绝缘栅双极型晶体管器件，包括：P型衬底1，在P型衬底1上设有埋氧2，在埋氧2上设有N型漂移区20，在N型漂移区20的两侧分别设有N型缓冲区10和P型体区7，在N型缓冲区10内设有重掺杂的P型集电极区9，重掺杂的P型集电极区9上连接有集电极金属19，在P型体区7内设有重掺杂的N型发射极区11，在重掺杂的N型发射极区11的右侧设有重掺杂的P型发射区8b，在上述重掺杂的P型发射极区8b和重掺杂的N型发射区11上连接有第二发射极金属15，在N型漂移区20的上方设有场氧层18，所述场氧层18的一侧边界落在N型缓冲区10的上方，另一侧边界与P型体区7相接，在重掺杂的N型发射区11左侧设有第一纵向沟槽3，在第一纵向沟槽3内设有由二氧化硅或其它耐压介质包裹的第一多晶硅层4，在第一多晶硅层4上连接有第一栅金属12，在第一纵向沟槽3左侧设有重掺杂P型发射极区块体8a，发射极区块体8a间隔分布，发射极区块体8a上连接有第一发射极金属22，在场氧层18与重掺杂的P型发射区8b之间设有第二纵向沟槽5，在第二纵向沟槽5内设有由二氧化硅或其它耐压介质包裹的第二多晶硅层6，在第二多晶硅层6上连接有第二栅金属17，在第二栅金属17和第二发射极金属15之间设有氧化层16，在第一栅金属12和第二发射极金属15之间设有氧化层13，在第一发射极金属22和第一栅金属12之间设有氧化层14。
在本实例中，第一纵向沟槽3、重掺杂的N型发射区11、重掺杂的P型发射极区8b和第二纵向沟槽5同步凹陷，第二栅金属17突入并延伸占据所述凹陷区域；第二纵向沟槽5的x方向沟道和y方向沟道之间的夹角α可调；第一纵向沟槽3的x方向沟道的宽度WOC可调，y方向沟道的总宽度为WPC+2WPE，其中WPC和WPE可调。
下面结合附图对本发明进行进一步说明。
本发明的工作原理：
本器件的栅极结构由Z方向的第一纵向沟槽3和第二纵向沟槽5组成，为了方便描述，现将其分别定义为G1和G2，如图3所示。当器件导通时，即所述器件的两个栅极4和6加上正压，P型集电极区9加上正压，P型发射极区块体8a、P型发射极区8b和N型发射区11接地，在G1和G2之间P型体区7内形成了一个连接重掺杂的N型发射区11以及N型漂移区20的N型纵向沟道，电子由发射极经纵向沟道注入漂移区，空穴由集电极注入漂移区，并向发射极一侧运动；在G2右侧形成方向指向集电极一侧的电场，使G2右侧的N型漂移区形成空穴的耗尽区域，如图5所示，由集电极注入漂移区的空穴会在G2右侧附近区域积累，发生载流子存储效应，因此靠近发射极一侧区域的空穴浓度会增高，增强此区域的电导调制效应，极大地降低了这一区域的导通电阻。此外，器件的导通电阻主要取决于漂移区电阻，而漂移区电阻主要取决于电阻率较大即载流子数量较少的那部分区域，相对于传统结构，本发明结构中电阻率较大的发射极一侧区域导通电阻大大降低，因此器件的整体导通电阻较低，导通压降较小。
当器件关断时，即将两个栅极4和6由接高压转为接地，连接重掺杂的N型发射区11以及N型漂移区20的N型纵向沟道消失，集电极停止向漂移区注入空穴。在器件关断过程中需要将漂移区中的过剩载流子全部移除以形成耗尽区，并通过耗尽区来耐压，对于靠近发射极一侧的空穴主要是通过发射极将其抽取，而对于靠近集电极一侧的空穴，因为在关断状态，耗尽区从发射极一侧不断地向集电极一侧延伸，所以靠近集电极一侧的空穴主要靠复合作用来移除。在本发明结构中，器件在导通时，G2用于使靠发射极一侧区域发生空穴的积累，空穴浓度增大，关断时，通过发射极直接将空穴抽出，所以抽取的速度很快，并不会使关断时间变长；而靠近集电极一侧的空穴数量减少，通过复合消失的时间也因此缩短，此外，影响关断时间的主要是靠近集电极一侧空穴的复合作用，因此本发明结构整体关断时间缩短，关断损耗降低。
此外，纵向沟槽G2的外部有二氧化硅或其它耐压介质构成，在关断时，这部分介质可以承受一部分额外的电压，因此，如图9所示，相对于传统结构，本发明结构的耐压值要略高一点。
对于所述器件的y方向沟道的总宽度为WPC+2WPE，其中WPC和WPE可调，其中改变WPC的长度可以影响器件的导通压降。在改变WPC的长度时，图2中凹陷区域21的面积也将会发生改变，凹陷区域21的面积大小直接影响发射极一侧的空穴浓度，影响这一区域的电导调制效应，当WPC的长度增大时，凹陷区域21的面积也会增大，那么这一区域所积累的空穴数量就会增加，从而导致发射极一侧空穴密度增高，电导调制效应增强，所以随着WPC的长度增大，器件的导通压降会降低，但是当WPC的长度增大到一定数值时，导通压降会略微的上升，因为凹陷区域21的面积不断增大，但是集电极空穴的注入效率并未增高，所以凹陷区域面积的增大会增加发射极附近的电阻，从而在WPC的长度超过一定值时，随之WPC的长度的增加，器件的导通压降会有略微上升的趋势，因此WPC的长度不能太大，要取一个合适的值。
对于所述器件纵向沟槽的x方向沟道和y方向沟道之间的夹角α可调。在WPC为一固定值时，当夹角α大于90度时，随着夹角α增大，凹陷区域21的面积将会减小，正如前面分析一样，这会减弱发射极附近区域的电导调制效应，增大器件的导通压降。
为了验证本发明的优点，本发明通过半导体器件仿真软件SentaurusTcad对结构进行了对比仿真，如图7～图12所示。图7为本发明结构与传统结构正向导通时的空穴分布对比图，由图可见本发明结构器件在正向导通时空穴分布的更加均衡，而且发射极附近的空穴密度要大于传统结构发射极附近的空穴密度。图8为本发明结构与传统器件的耐压比较图，由图可见本发明结构的耐压比传统器件略高，因为增加了一个纵向沟槽，所以器件耐压有所提高。图9为本发明结构与传统器件的关断时间比较图，由图可见本发明结构关断时间较短。图10为本发明结构与传统结构的I-V曲线对比图，由图可知，在相同的电流密度下，本发明结构的导通电压要低于传统结构的导通电压。图11表明了本发明结构中WPC长度的变化对导通电压的影响，由图可知，随着WPC的增大，导通电压减小，当WPC超过一定值时，继续增大WPC，导通电压会略微上升。图12表明了本发明结构中夹角α的变化对导通电压的影响，由图可知，夹角α超过90度后，随着夹角α的增大，导通电压增大。
故本发明器件在显著降低器件的关断损耗的基础上，又降低了导通压降，同时提高器件了耐压，扩展了其安全工作区，使得其在电机驱动***中得到更广泛的应用。
Claims (4)
1.一种快关断绝缘体上硅横向绝缘栅双极型晶体管器件，包括：P型衬底(1)，在P型衬底(1)上设有埋氧(2)，在埋氧(2)上设有N型漂移区(20)，在N型漂移区(20)的两侧分别设有N型缓冲区(10)和P型体区(7)，在N型缓冲区(10)内设有重掺杂的P型集电极区(9)，重掺杂的P型集电极区(9)上连接有集电极金属(19)，在P型体区(7)内设有重掺杂的N型发射极区(11)，在重掺杂的N型发射极区(11)的右侧设有重掺杂的P型发射区(8b)，在上述重掺杂的P型发射极区(8b)和重掺杂的N型发射区(11)上连接有第二发射极金属(15)，在N型漂移区(20)的上方设有场氧层(18)，所述场氧层(18)的一侧边界落在N型缓冲区(10)的上方，另一侧边界与P型体区(7)相接，其特征在于，在重掺杂的N型发射区(11)左侧设有第一纵向沟槽(3)，在第一纵向沟槽(3)内设有由二氧化硅包裹的第一多晶硅层(4)，在第一多晶硅层(4)上连接有第一栅金属(12)，在第一纵向沟槽(3)左侧设有重掺杂P型发射极区块体(8a)，发射极区块体(8a)间隔分布，发射极区块体(8a)上连接有第一发射极金属(22)，在场氧层(18)与重掺杂的P型发射区(8b)之间设有第二纵向沟槽(5)，在第二纵向沟槽(5)内设有由二氧化硅包裹的第二多晶硅层(6)，在第二多晶硅层(6)上连接有第二栅金属(17)，在第二栅金属(17)和第二发射极金属(15)之间设有氧化层(16)，在第一栅金属(12)和第二发射极金属(15)之间设有氧化层(13)，在第一发射极金属(22)和第一栅金属(12)之间设有氧化层(14)。
2.根据权利要求1所述的快关断绝缘体上硅横向绝缘栅双极型晶体管器件，其特征在于，第一纵向沟槽(3)、重掺杂的N型发射区(11)、重掺杂的P型发射极区(8b)和第二纵向沟槽(5)同步凹陷，第二栅金属(17)以及N型漂移区(20)突入并延伸占据所述凹陷区域，相邻的所述发射极区块体(8a)被第一纵向沟槽(3)的所述凹陷的区域间隔。
3.根据权利要求2所述的快关断绝缘体上硅横向绝缘栅双极型晶体管器件，其特征在于，对于凹陷区域，第二纵向沟槽(5)的x方向沟道和y方向沟道之间的夹角α可调。
4.根据权利要求2所述的快关断绝缘体上硅横向绝缘栅双极型晶体管器件，其特征在于，对于凹陷区域，第一纵向沟槽(3)x方向沟道的宽度WOC可调，y方向沟道的总宽度为(WPC+2WPE)，其中WPC和WPE可调。
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