專利名稱：一種具有p浮空層電流栓的rc-igbt的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種具有 P 浮空層電流栓的 RC-1GBT (reverse-conducting insulated-gatebipolar transistor,反向?qū)ń^緣柵雙極型晶體管),屬于半導體功率器件領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
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(qū)動電路簡單、開關(guān)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(guān)電源等產(chǎn)品中作為功率開關(guān)管或功率輸出管，市場前景非常廣闊。IGBT產(chǎn)品是電力電子技術(shù)領(lǐng)域非常理想的開關(guān)器件，它集合了高頻、高壓、大電流三大技術(shù)優(yōu)勢，同時又能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能減排，具有很好的環(huán)境保護效益。但是IGBT只是一個單向?qū)ㄆ骷趹玫臅r候需要一個反向并聯(lián)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?qū)ǖ腎GBT稱為RC-1GBT，這種RC-1GBT通過在集電極上引入N型集電極(N-Collector)的方法實現(xiàn)了 IGBT和二極管的集成。傳統(tǒng)的RC-1GBT如圖1所示，集電極是由P型集電極(P-Collector)和N型集電極(N-Collector)組成。但是這種傳統(tǒng)RC-1GBT在正向?qū)ǖ臅r候會出現(xiàn)一個負阻效應(snapback),并且由于電流不均勻會造成溫度局域過高從而存在可靠性方面的問題。后來M.Rahimo等人為了解決snapback現(xiàn)象又發(fā)明了 BIGT(Bi_mode Insulated Gate Transistor,雙模式絕緣柵雙極型晶體管),如圖
2所示，該器件在傳統(tǒng)RC-1GBT基礎(chǔ)上，通過增大原胞面積且將它分為IGBT部分和RC-1GBT部分來解決snapback現(xiàn)象，但是由于大的元胞尺寸(采用600 μ m進行仿真顯示，若要徹底消除snapback需要2500 μ m以上)，會增加關(guān)斷損耗，并且由于兩個部分的空穴發(fā)射效率不一樣，電流集中現(xiàn)象將更為突出，進一步造成了溫度局域過高，會對器件可靠性造成嚴重影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種具有P浮空層電流栓的RC-1GBT，旨在不影響RC-1GBT其他性能參數(shù)的同時，能使器件電流以及溫度分布均勻，且抑制snapback現(xiàn)象從而極大提高RC-1GBT
的可靠性。本發(fā)明是在傳統(tǒng)RC-1GBT的N-Collector和P-Collector之間引入介質(zhì)埋層實現(xiàn)N-Collector和P-Collector之間的電隔離，并在介質(zhì)埋層上方的N型緩沖層(n-buffer)中引入一個P浮空層電流栓，器件在正向?qū)ǖ臅r候，引入的P浮空層電流栓能夠阻擋電子電流流向N型集電極(N-Collector),使得電子電流集中在P型集電極(P-Collector)上，這樣P-Collector區(qū)不受N-Collector區(qū)的影響，從而把這個器件分割成了 IGBT部分和DIODE (二極管)部分。這樣在正向?qū)ǖ臅r候IGBT能夠獨立工作，很好的抑制了 Snapback現(xiàn)象。并且仿真表明不論在正向?qū)ê头聪驅(qū)ǖ臅r候電流都很均勻，不存在溫度局域過高的現(xiàn)象。另外在二極管反向恢復模式下，其工作機理跟H.P.Felsl等人發(fā)明的CIBT 二極管相似，能夠有很大的軟度因子(S)，避免反向恢復時發(fā)生的電壓過沖，實現(xiàn)各種性能的良好折中。本發(fā)明的技術(shù)方案如下:一種具有P浮空層電流栓的RC-1GBT，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括N-漂移區(qū)6，N-漂移區(qū)6的頂層中具有均勻分布的多個P型體區(qū)5，N-漂移區(qū)6的底部具有與N-漂移區(qū)6相接觸的N緩沖層7 ；N緩沖層7底部具有與N緩沖層7相接觸的、且橫向方向上由N集電區(qū)8和P集電區(qū)9構(gòu)成的復合集電區(qū)；每個P型體區(qū)5中至少具有一個N+有源區(qū)1，N+有源區(qū)I表面與金屬發(fā)射極4相接觸；相鄰兩個P型體區(qū)5之間的N-漂移區(qū)6的表面上方具有一個多晶硅柵電極2，多晶硅柵電極2與N-漂移區(qū)6的表面之間具有二氧化硅柵氧化層，多晶硅柵電極2與金屬發(fā)射極4之間具有二氧化硅場氧化層(說明書附圖中二氧化硅柵氧化層和二氧化硅場氧化層未作嚴格區(qū)分，采用了同一的附圖標記3來表示二氧化硅材料)。所述N集電區(qū)8和P集電區(qū)9之間還具有一個介質(zhì)埋層11，所述介質(zhì)埋層11實現(xiàn)N集電區(qū)8和P集電區(qū)9的電隔離；所述介質(zhì)埋層11上方的N型緩沖層7中還具有一個P浮空層10，所述P浮空層10將N型緩沖層7分割成N集電區(qū)8與N-漂移區(qū)6之間的N型緩沖層和P集電區(qū)9與N-漂移區(qū)6之間的N型緩沖層兩部分。本發(fā)明提出的具有P浮空層電流栓的RC-1GBT器件是在傳統(tǒng)RC-1GBT的基礎(chǔ)上，增加P浮空層10和介質(zhì)埋層11，阻止IGBT部分中的N-漂移區(qū)電子流向N集電區(qū)。需要進一步說明的是，其中介質(zhì)埋層11材料是可變的，可以采用Si02、Si3N4, HfO2、苯并環(huán)丁烯(BCB)等材料。另外，器件的多晶硅柵電極2可以是平面柵電極結(jié)構(gòu)，也可以是溝槽柵電極結(jié)構(gòu)(trench結(jié)構(gòu))( 如圖4所示);器件的N-漂移區(qū)6還可具有縱向間隔分布的P型條，使得漂移區(qū)形成超結(jié)結(jié)構(gòu)(super junction)(如圖5所示)。本發(fā)明的基本原理如下:本發(fā)明提出的一種具有P浮空層電流栓的RC-1GBT，是在傳統(tǒng)RC-1GBT的N-Collector和P-Collector之間引入介質(zhì)埋層實現(xiàn)N-Collector和P-Collector之間的電隔離，并在介質(zhì)埋層上方的N型緩沖層(n-buffer)中引入一個P浮空層電流栓，器件正向?qū)〞rP浮空層電流栓10和介質(zhì)埋層11阻止了其右方的電子流向N集電區(qū)，將器件分為了 IGBT部分和DIODE部分，兩部份獨立工作不受影響，且元胞尺寸能夠做到很小，保證了電流的均勻性，進而防止溫度局域過高。從機理上講正向?qū)↖GBT工作模式下，由于電子在P浮空層右方及P-Collector的上方N緩沖層內(nèi)積累，P-collector/N-buffer結(jié)更容易導通使P-collector向N-漂移區(qū)注入空穴,從而降低了 snapback的轉(zhuǎn)折電壓；關(guān)斷過程中，由于增加了 P浮空層電流栓，引入了 N_buffer/P-float/N_buffer晶體管,加快了對N-漂移區(qū)內(nèi)存儲電荷的抽取，減少了關(guān)斷時間。另一方面在反向?qū)―IODE工作模式下，雖然與傳統(tǒng)PIN 二極管相比反向?qū)▔航德晕⒂兴岣撸葌鹘y(tǒng)RC-1GBT和BIGT都要優(yōu)越。另一方面在反向恢復時由于此結(jié)構(gòu)跟CIBT 二極管機理相似，有較長的反向恢復時間，軟度因子等性能上相比傳統(tǒng)PIN 二極管得到了顯著提高。 綜上所述，本發(fā)明提出的一種具有P浮空層電流栓的RC-1GBT，在基本不影響器件其他參數(shù)的情況下，可顯著降低snapback的轉(zhuǎn)折電壓，提高反向恢復軟度因子，以及電流分布均勻，沒有局域過熱現(xiàn)象，提高了 RC-1GBT的可靠性能。


圖1是傳統(tǒng)RC-1GBT結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是BIGT結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明提出的一種具有P浮空層電流栓的RC-1GBT的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是具有P浮空層電流栓的trench結(jié)構(gòu)RC-1GBT。圖5是具有P浮空層電流栓的超結(jié)RC-1GBT。圖1至圖5中:1是N+有源區(qū)，2是多晶硅柵電極，3是二氧化硅層，4是金屬發(fā)射極，5是P型體區(qū)(p-body),6是N-漂移區(qū)(n-drift), 7是N緩沖層(n-buffer), 8是N集電區(qū)(n-collector), 9 是 P 集電區(qū)(p-collector), 10 是 P 浮空層(p-float), 11 是介質(zhì)埋層，12是縱向分布的P型條。圖6 (a)是長度為600um的BIGT，長為300um和75um的傳統(tǒng)RC-1GBT，長為75um、150um、300um的具有P浮空層的RC-1GBT的snapback的轉(zhuǎn)折電壓(AVsb)的比較圖。圖6(b)是不同的P浮空層高度(dp_plug)對AVsb的影響比較圖。其中Con-RC-1GBT是傳統(tǒng)逆導絕緣柵雙極性晶體管，BIGT是雙模式絕緣柵晶體管，Proposed是本發(fā)明提供的具有P浮空層的RC-1GBT,橫坐標為正向?qū)▔航?Forwardvoltage drop Von),縱坐標為集電極電流(Collector current)。圖7是長為300um的傳統(tǒng)RC-1GBT，長為600um的BIGT與長為75um的具有P浮空層的RC-1GBT在正向?qū)▔航?Forward voltage drop Von)和關(guān)斷時能耗(Turn-off LossEtjff)的折中關(guān)系比較圖。其中Conventional RC-1GBT是傳統(tǒng)逆導絕緣柵雙極性晶體管，BIGT是雙模式絕緣柵晶體管，Proposed是本發(fā)明提供的具有P浮空層的逆導絕緣柵雙極性晶體管。圖8是正向壓降均為2V的傳統(tǒng)RC-1GBT，BIGT和具有P浮空層的RC-1GBT的關(guān)斷特性比較示意圖。其中Conventional RC-1GBT是傳統(tǒng)逆導絕緣柵雙極性晶體管，BIGT是雙模式絕緣柵晶體管，Proposed是本發(fā)明提供的具有P浮空層的逆導絕緣柵雙極性晶體管，橫坐標為時間(Time),縱坐標為集電極電流(Collector current),圖中“Switching Simulation”表示“開關(guān)轉(zhuǎn)換模擬”，“ IBGT Mode”表示“ IBGT類型”。圖9是長度分別為75um的具有P浮空層的RC-1GBT，300um的傳統(tǒng)的RC-1GBT，600um BIGT在ΙΟΟΑ/cm2時的電流關(guān)斷模式比較圖。其中Conventional RC-1GBT是傳統(tǒng)逆導絕緣柵雙極性晶體管，BIGT是雙模式絕緣柵晶體管，Proposed是本發(fā)明提供的具有P浮空層的逆導絕緣柵雙極性晶體管。圖10是具有P浮空層的RC-1GBT，傳統(tǒng)的RC-1GBT，BIGT和傳統(tǒng)PIN 二極管的正向?qū)▔航当容^圖。其中Conven RC-1GBT是傳統(tǒng)逆導絕緣柵雙極性晶體管，BIGT是雙模式絕緣柵晶體管，Proposed是本發(fā)明提供的具有P浮空層的逆導絕緣柵雙極性晶體管，Conven PIN是傳統(tǒng)PIN 二極管。 圖11是具有P浮空層的RC-1GBT，傳統(tǒng)的RC-1GBT，BIGT和傳統(tǒng)PIN 二極管的反向恢復波形比較圖。
其中Conventional RC-1GBT是傳統(tǒng)逆導絕緣柵雙極性晶體管，BIGT是雙模式絕緣柵晶體管，Proposed是本發(fā)明提供的具有P浮空層的逆導絕緣柵雙極性晶體管，Conventional PIN 是傳統(tǒng) PIN 二極管。
具體實施例方式本發(fā)明所提出的一種具有P浮空層的RC-1GBT，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括N+有源區(qū)1，多晶硅柵電極2，二氧化硅層3，有源發(fā)射極4，體P區(qū)5，N-漂移區(qū)6，P浮空層電流栓7，N緩沖層8，N集電區(qū)9，P集電區(qū)10，二氧化硅埋層11，N集電區(qū)和P集電區(qū)分別位于二氧化硅埋層11兩側(cè)，P浮空層7位于二氧化硅埋層11的上方，N緩沖層8位于N集電區(qū)9和P集電區(qū)10的上方且分布于P浮空層7的兩側(cè)，N-漂移區(qū)6位于N緩沖層8和P浮空層7的上方，體P區(qū)5位于有源發(fā)射極4的下方且與發(fā)射極4相連，N+有源區(qū)I位于體P區(qū)5內(nèi)部且與N+有源區(qū)I相連，多晶硅柵電極2在有源發(fā)射極4 一側(cè)，且表面被SiO2柵氧化層3包圍。其特征在于，本發(fā)明提出的新型RC-1GBT器件是在傳統(tǒng)RC-1GBT的基礎(chǔ)上，增加P浮空層電流栓 和二氧化硅埋層11，阻止IGBT部分中的N-漂移區(qū)電子流向N集電區(qū)。借助MEDICI仿真軟件對所提供的如圖1所示的傳統(tǒng)RC-1GBT，如圖2所示的BIGT，如圖3所示的一種新型具有P浮空層的RC-1GBT進行了仿真比較，仿真模擬薄片工藝制造的1200V RC-1GBT,傳統(tǒng)RC-1GBT 和BIGT的仿真參數(shù)為N-漂移區(qū)厚度為120um，摻雜濃度為7X1013cm_3，載流子壽命為IOus，環(huán)境溫度為300K，傳統(tǒng)RC-1GBT的長度為300um，其中N集電區(qū)和P集電區(qū)的長度比為1: 4，BIGT長度為600um，具有P浮空層的RC-1GBT的長度為75um。本發(fā)明所提供的新型RC-1GBT與傳統(tǒng)RC-1GBT和BIGT的區(qū)別在于新型RC-1GBT增加了 P浮空層10和P浮空層下的介質(zhì)埋層11，且該器件的長度更小。由于P浮空層在正向?qū)〞r會阻止電子流向N集電區(qū)，電子將積累在P浮空層右邊的N緩沖層。圖6 (a)是長度為600um的BIGT，長為300um和75um的傳統(tǒng)RC-1GBT，長為75um、150um、300um的具有P浮空層的RC-1GBT的snapback的轉(zhuǎn)折電壓(Λ Vsb)的比較圖，BIGT的AVsb=L 2V，傳統(tǒng)RC-1GBT的AVsb=L 5V，對于具有P浮空層的RC-1GBT，當長度為75um時，Δ Vsb=0.2V，比BIGT的AVsb減少了 83.3%，比傳統(tǒng)RC-1GBT更是減少高達86.7% ;當長度為150um 時，Δ Vsb=0.1V，比 BIGT 的 Δ Vsb 減少了 91.7%,比傳統(tǒng) RC-1GBT 更是減少高達 93.3% ；當長度為300um時AVsb=OV,消除了負阻效應；圖6 (b)是不同的P浮空層高度(dp_plug)對AVsb的影響比較圖，從圖中我們可以看出，當dp_plug從Ium到4um逐漸增大時，Δ Vsb hK 3.5V逐漸減小為0.2V,故可以看出這種P浮空層電流栓對抑制snapback相當有效。仿真結(jié)果顯示，本發(fā)明提出的具有P浮空層電流栓的RC-1GBT的電流密度分布和器件溫度分布都比其它三種器件均勻。圖7是長為300um的傳統(tǒng)RC-1GBT，長為600um的BIGT與長為75um的具有P浮空層的RC-1GBT在正向?qū)▔航岛完P(guān)斷時能耗的折中關(guān)系比較圖，從圖中可以看出:當正向壓降為2V時，傳統(tǒng)RC-1GBT的關(guān)斷能耗為86.2mj/cm2, BIGT的關(guān)斷能耗為49.9mj/cm2，具有P浮空層的RC-1GBT的關(guān)斷能耗為36.5mj/cm2,比傳統(tǒng)RC-1GBT降低了 57.7%，比BIGT降低了 26.9%ο圖8是正向壓降均為2V的傳統(tǒng)RC-1GBT，BIGT和具有P浮空層的RC-1GBT的關(guān)斷特性比較示意圖，關(guān)斷時間的定義為IGBT關(guān)斷時，集電極電流從90%降到10%所需要的時間，經(jīng)仿真驗證，傳統(tǒng)RC-1GBT的關(guān)斷時間為2.4us，BIGT的關(guān)斷時間為1.6us，本發(fā)明提出的新型RC-1GBT關(guān)斷時間為1.1us,比傳統(tǒng)RC-1GBT關(guān)斷時間降低了 54.2%，比BIGT降低了31.3%。圖9是長度分別為75um的具有P浮空層的RC-1GBT、300um傳統(tǒng)的RC-1GBT，、600um BIGT在電流密度均為ΙΟΟΑ/cm2時的電流關(guān)斷模式比較，由圖10可以看出，本發(fā)明提出的新型RC-1GBT的電流抽取模式為兩種，一種是短路抽取，一種為NPN抽取，而對于傳統(tǒng)的RC-1GBT和BIGT，雖然它們存在短路抽取路徑，但是電流主要集中在P-Collector區(qū)域上，所以抽取速度會更慢。圖10是具有P浮空層的RC-1GBT，傳統(tǒng)的RC-1GBT，BIGT和傳統(tǒng)PIN 二極管的導通壓降比較圖，從圖中我們可以得到，當電流密度為lOOA/um2時，四種器件的導通壓降分別為1.04V, 1.08V, 1.26V，0.88V，具有P浮空層的RC-1GBT的正向壓降比傳統(tǒng)PIN 二極管高出了 18.2%，但相對于其它兩個結(jié)構(gòu)，反向?qū)▔航蹈?。圖11是具有P浮空層的RC-1GBT，傳統(tǒng)的RC-1GBT，BIGT和傳統(tǒng)PIN 二極管的反向恢復波形比較圖，由圖11可以看出四種器件的軟度因子分別為7，4.6，4.5，0.3，故這種具有P浮空層的RC-1GBT為軟恢復，傳統(tǒng)PIN為硬恢復。綜上所述，本發(fā)明所提出的一種具有P浮空層的RC-1GBT，經(jīng)仿真驗證顯著降低snapback的轉(zhuǎn)折電壓，且電流和溫度不論在IGBT工作模式還是在DIODE工作模式下分布都很均勻，且軟度因子很大。綜上所述，這種具有P浮空層電流栓的RC-1GBT大大提高了傳統(tǒng)RC-1GBT的可靠性。一種具有P浮空層的RC-1GBT，以示意圖3為例，其具體實現(xiàn)方法包括:選取N型<100>晶向區(qū)熔單晶襯墊，場氧化，刻蝕有源區(qū)，長柵氧，淀積Poly，P body的注入，N+有源區(qū)注入，淀積BSPSG，打孔并淀積發(fā)射極金屬，發(fā)射極金屬曝光與刻蝕，背面場終止層注入，背面N+及P+集電極注入及退火，在N+與P+交界處刻蝕硅至場終止層內(nèi)部，注入P浮空電流栓，淀積SiO2埋層。背面金屬化，鈍化等等。在實施的過程中，根據(jù)具體器件的設(shè)計要求，本發(fā)明提出的一種P浮空電流栓RC-1GBT，其表面MOS區(qū)和漂移區(qū)是可變得，可以用于如圖3所示的平面結(jié)構(gòu)，可以用于如圖4所示的槽柵結(jié)構(gòu)，也可以用于如圖5所示的超結(jié)結(jié)構(gòu)。在具體制作時，埋氧隔離層可用Si3N4, HfO2、苯并環(huán)丁烯(BCB)來代替埋層氧化層SiO2，制作器件時還可用碳化硅、砷化鎵、磷化銦或鍺硅等半導體材料代 替體硅。
權(quán)利要求
1.一種具有P浮空層電流栓的RC-1GBT，包括N-漂移區(qū)(6)，N-漂移區(qū)(6)的頂層中具有均勻分布的多個P型體區(qū)(5)，N-漂移區(qū)(6)的底部具有與N-漂移區(qū)(6)相接觸的N緩沖層(7) ;N緩沖層(7)底部具有與N緩沖層(7)相接觸的、且橫向方向上由N集電區(qū)(8)和P集電區(qū)(9)構(gòu)成的復合集電區(qū)；每個P型體區(qū)(5)中至少具有一個N+有源區(qū)(1)，N+有源區(qū)(I)表面與金屬發(fā)射極(4)相接觸；相鄰兩個P型體區(qū)(5)之間的N-漂移區(qū)(6)的表面上方具有一個多晶硅柵電極(2)，多晶硅柵電極(2)與N-漂移區(qū)(6)的表面之間具有二氧化硅柵氧化層，多晶硅柵電極(2)與金屬發(fā)射極(4)之間具有二氧化硅場氧化層； 所述N集電區(qū)(8 )和P集電區(qū)(9 )之間還具有一個介質(zhì)埋層(11)，所述介質(zhì)埋層(11)實現(xiàn)N集電區(qū)(8)和P集電區(qū)(9)的電隔離；所述介質(zhì)埋層(11)上方的N型緩沖層(7)中還具有一個P浮空層(10)，所述P浮空層(10)將N型緩沖層(7)分割成N集電區(qū)(8)與N-漂移區(qū)(6)之間的N型緩沖層和P集電區(qū)(9)與N-漂移區(qū)(6)之間的N型緩沖層兩部分。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有P浮空層電流栓的RC-1GBT，其特征在于，所述介質(zhì)埋層11材料是Si02、Si3N4^HfO2或苯并環(huán)丁烯。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有P浮空層電流栓的RC-1GBT，其特征在于，所述多晶硅柵電極(2)是平面柵電極結(jié)構(gòu)或溝槽柵電極結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有P浮空層電流栓的RC-1GBT，其特征在于，所述N-漂移區(qū)(6)中還具有縱向間隔分布的P型條，使得漂移區(qū)形成超結(jié)結(jié)構(gòu)。
全文摘要
一種具有P浮空層電流栓的RC-IGBT，屬于半導體功率器件領(lǐng)域。本發(fā)明是在傳統(tǒng)RC-IGBT的N集電區(qū)和P集電區(qū)之間引入介質(zhì)埋層，并在介質(zhì)埋層上方的N型緩沖層中引入一個p浮空層電流栓。本發(fā)明在基本不影響器件其他參數(shù)的情況下，可顯著降低snapback的轉(zhuǎn)折電壓，提高反向恢復軟度因子，以及電流分布均勻，沒有局域過熱現(xiàn)象，提高了RC-IGBT的可靠性能。
文檔編號H01L29/06GK103219370SQ20131007640
公開日2013年7月24日 申請日期2013年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月11日
發(fā)明者李澤宏, 陳偉中, 劉永, 任敏, 張波 申請人:電子科技大學