CN103383957B - 一种逆导型igbt器件 - Google Patents

Abstract

一种逆导型IGBT器件，属于功率半导体器件技术领域。本发明利用变组分的混合晶体来制作IGBT的集电区，形成禁带宽度渐变的能带结构。在集电区与漂移区交界处具有较小的禁带宽度，降低了集电区与漂移区的内建电势，缓解snap-back现象；同时由于集电区材料组分渐变，形成渐变的禁带宽度，在集电区内产生了一个少子的减速场，从而减小了漂移区向集电区的少子注入，提高了集电区向漂移区注入效率，可获得更强的电导调制效应，有利于降低IGBT的正向导通压降。

Description

一种逆导型IGBT器件

技术领域

本发明属于功率半导体器件技术领域，具体涉及一种缓解snap-back现象的逆导型绝缘栅双极型晶体管（IGBT）。

技术背景

IGBT是目前中大功率电力系统中最具代表性的器件。它集合了MOSFET易于驱动，控制简单、开关频率高和功率晶体管的导通压降低的优点，被广泛应用在民用、商用、国防等领域。

采用IGBT作为开关元件处理大功率信号时，每个IGBT需要配置一个具有相同耐压的反向并联二极管作为续流之用，因此，通常IGBT生产商在设计和制造IGBT的同时也会设计相应的续流二极管；目前，大多数产品中，这个二极管需要在另外一个芯片上单独制造，最后再同IGBT封装到一起。逆导型IGBT（又称RC-IGBT）其思想是在保证IGBT性能满足要求的情况下，将反向并联二极管与IGBT在同一个芯片上形成，这样做不仅简化了制造工艺，节约了制造成本，也使得管芯面积减小，封装体积减小。

RC-IGBT的基本实现方法是通过在IGBT的背面P+集电区中引入所谓“N+集电极短路区”结构，如图1所示，N+集电极短路区9的引入，连同本身存在的由P型基区4和漂移区7形成的体内PN结，就会在IGBT的内部引入了一个与IGBT导通特性相反的P-i-N二极管结构13，该二极管结构可以作为续流二极管应用。N+集电极短路区9的引入也会对原本的IGBT导通特性构成影响，主要影响之一是会在IGBT导通过程中产生负阻区，即snap-back现象，如图2所示，产生这一现象的原因是：额外引入的N+集电极短路区9引入了一条单极电流通路，当栅极加上大于阈值的正偏压，在集电极电压很小时，电子电流14经由N+集电极短路区9，通过N-漂移区7再通过导电沟道到达发射极电极1，在这条电流路径中由于N-漂移区7掺杂浓度很低且厚度较厚，导通电阻较大，因而导通电流很小，这时RC-IGBT的工作可称为MOSFET工作模式，流过N-漂移区下方横向电阻的横向电流增大，并在路径电阻15上产生足够大的偏压，最终使得背面P+集电区10/N-漂移区7形成的PN结上正偏，随着集电极电压增大，此正偏压将增大到使得PN结正偏，背面P+集电区10开始向N-漂移区7产生注入，电导调制发生，器件进入IGBT工作模式。正是因为RC-IGBT导通过程中存在由MOSFET工作模式到IGBT工作模式转换过程，且转换过程中导通电阻由于电导调制效应而迅速下降，这就导致了snap-back现象的发生。

Snap-back现象会影响RC-IGBT在系统应用中的可靠性，因此许多研究都致力于减小甚至消除snap-back，最有效的措施是使图1中P+集电区10/N-漂移区7形成的PN结在更小的单极电流下开启，于是就派生出两种改进方法：一是增大N-漂移区7下方横向电流的漂移区路径电阻15，使P+集电区10/N-漂移区7结在更低电流下达到开启电压；二是降低P+集电区10/N-漂移区7结的内建电势，使PN结开启电压更低。降低P+集电区10的掺杂浓度或者采用窄禁带半导体，都可以降低内建电势，但是这样会大大降低P+集电区10向N-漂移区7的注入效率，使电导调制效应减弱，增加IGBT的正向导通压降。

发明内容

为了削弱逆导型IBGT器件的snap-back现象的同时，降低IGBT的正向导通压降，提高器件可靠性，本发明提供一种改进的逆导型IBGT器件。

本发明的核心思想是：利用变组分的混合晶体来制作IGBT的集电区，形成禁带宽度渐变的能带结构。在集电区与漂移区交界处具有较小的禁带宽度，降低了集电区与漂移区的内建电势，缓解snap-back现象；同时由于集电区材料组分渐变，形成渐变的禁带宽度，在集电区内产生了一个少子的减速场，从而减小了漂移区向集电区的少子注入，提高了集电区向漂移区注入效率，可获得更强的电导调制效应，有利于降低IGBT的正向导通压降。

本发明技术方案如下：

一种逆导型IGBT器件，其结构如图3所示，包括发射极结构、集电极结构、栅极结构和漂移区结构；所述发射极结构包括金属发射极1、重掺杂第一导电类型半导体欧姆接触区2、重掺杂第二导电类型半导体发射区3和第一导电类型半导体体区4，其中重掺杂第一导电类型半导体欧姆接触区2和重掺杂第二导电类型半导体发射区3相互独立地位于第一导电类型半导体体区4中，且重掺杂第一导电类型半导体欧姆接触区2和重掺杂第二导电类型半导体发射区3的表面均和金属发射极1相接触；所述集电极结构包括重掺杂第一导电类型半导体集电区11、重掺杂第二导电类型半导体集电极短路区9和金属集电极12，其中重掺杂第二导电类型半导体集电极短路区9和重掺杂第一导电类型半导体集电区11彼此间隔分布，且二者的下表面均与金属集电极12相接触；所述漂移区结构包括轻掺杂第二导电类型半导体漂移区7；所述栅极结构包括多晶硅栅电极5和栅氧化层6；所述漂移区结构位于所述发射极结构和所述集电极结构之间，其中：漂移区结构的轻掺杂第二导电类型半导体漂移区7背面与集电极结构的重掺杂第二导电类型半导体集电极短路区9和重掺杂第一导电类型半导体集电区11相接触，漂移区结构的轻掺杂第二导电类型半导体漂移区7正面与发射极结构的第一导电类型半导体体区4相接触，且集电极结构的重掺杂第二导电类型半导体集电极短路区9位于发射极结构的第一导电类型半导体体区4的正下方；所述栅极结构的多晶硅栅电极5与金属发射极1、重掺杂第二导电类型半导体发射区3、第一导电类型半导体体区4和轻掺杂第二导电类型半导体漂移区7四者之间隔着栅氧化层6。所述重掺杂第一导电类型半导体集电区11的材料采用组分渐变的混合晶体材料，形成渐变的禁带宽度，且禁带宽度的渐变方式为：重掺杂第一导电类型半导体集电区11中从靠近轻掺杂第二导电类型半导体漂移区7一侧指向靠近金属集电极12一侧的方向上，混合晶体材料的禁带宽度按逐渐增大。

本发明的工作原理：

为解释本发明的工作原理，以第一导电类型半导体材料为P型Si材料，变组分混合晶体（即重掺杂第一导电类型半导体集电区11）材料为锗硅（Si_xGe_1-x，0<x<1）的IGBT器件为例进行说明。图4.1为常规硅（Si）材料IGBT的P+集电区和N-漂移区的能带结构，其集电区I和漂移区III具有相同的禁带宽度，在空间电荷区II中形成势垒，集电区I中的空穴注入漂移区III所需克服的势垒高度qV₂与漂移区III中的电子注入集电区I所需克服的势垒高度qV₁相等，注入效率主要由集电区I和漂移区III的掺杂浓度（或方块电阻）决定。图4.2为P+集电区I采用窄禁带宽度材料，N-漂移区III采用Si材料的能带图，可以看出电子势垒高度qV₁降低，内建电势降低，PN结更容易正向导通，这对于削弱snap-back效应是有利的；但是电子势垒高度qV₁降低同时会使漂移区III向集电区I的电子注入更加容易，从而降低了集电结的注入效率，减弱了电导调制效应，增大IGBT正向导通压降，这对IGBT的工作是不利的。本专利采用变组分的Si和窄禁带半导体形成混合晶体，在冶金结处材料组分为纯Ge，从冶金结处向集电区I方向上Si的含量逐渐增大，就形成了如图4.3所示的能带结构，因此，PN结势垒高度降低，且距离冶金结越远，混合晶体中Si含量增加，禁带宽度逐渐变宽。若设整个混合晶体中掺杂均匀，则集电区I一侧价带顶E_V1应始终和费米能级E_F保持平行，因为费米能级E_F始终水平，所以价带顶E_V1也是水平的，于是禁带宽度逐渐变宽主要体现在导带底E_C1的变化上，导带底E_C1从冶金结处向集电区I一侧逐渐上翘（图中仅为示意，不一定是均匀变化），能带的变化意味着集电区I存在自建场E。根据半导体的能带理论，该自建场方向为能带图中较低的位置指向较高的位置，即由冶金结指向集电区I欧姆接触处，该电场E对集电区I少子电子起到减速作用，抑制了漂移区III的电子向集电区I的注入，从而可以抵消由于电子势垒高度qV₁降低引起的电子注入增强的影响，使集电结的注入效率维持不变甚至增大。如果调节掺杂及组分使得PN结势垒高度足够低，且集电区I形成足够大的自建场E，就可以在削弱snap-back现象的同时降低RC-IGBT的正向导通压降。

进一步地，本发明提供的逆导型IGBT器件中，重掺杂第二导电类型半导体集电极短路区9可以采用和重掺杂第一导电类型半导体集电区11相同的组分渐变的混合晶体材料，也可以采用与重掺杂第一导电类型半导体集电区11不相同的半导体材料。

进一步地，本发明提供的逆导型IGBT器件中，所述组分渐变的混合晶体材料为硅、碳化硅、砷化镓、磷化铟或锗五中半导体材料中任意两种或多种的组合。

进一步地，本发明提供的逆导型IGBT器件可以采用体硅、碳化硅、砷化镓、磷化铟或锗硅等半导体材料制作。

进一步地，本发明提供的逆导型IGBT器件，其中所述栅极结构可以是平面栅结构或槽栅结构；所述集电极结构可以是透明阳极结构或者短路阳极结构；所述漂移区结构可以是穿通型或非穿通型漂移区结构。

本发明的有益效果表现在：

本发明是在常规RC-IGBT结构基础上，提出采用组分渐变的混合晶体来制造背面的集电区，使得背面的PN结耗尽区势垒高度降低，同时通过集电区自建电场的引入，增加了集电区向漂移区的注入效率，在削弱RC-IGBT的snap-back现象的同时，降低了RC-IGBT的正向导通压降，优化了RC-IGBT的可靠性和正向导通特性。

附图说明

图1是常规RC-IGBT器件的元胞结构示意图，其中13为引入的P-i-N续流二极管，14为低集电极电压下的电子电流，15为横向电子电流路径电阻。

图2是常规RC-IGBT器件与本发明提出的RC-IGBT器件的电流-电压（I-V）特性图：曲线1为常规RC-IGBT的工作I-V特性；曲线2为本发明提出的RC-IGBT器件的I-V特性。

图3是本发明提出的RC-IGBT器件的元胞结构示意图，其中重掺杂第一导电类型半导体集电区11的材料采用组分渐变的混合晶体材料，形成渐变的禁带宽度，且禁带宽度的渐变方式为：重掺杂第一导电类型半导体集电区11中从靠近轻掺杂第二导电类型半导体漂移区7一侧指向靠近金属集电极12一侧的方向上，混合晶体材料的禁带宽度按逐渐增大。

图4是常规RC-IGBT器件与本发明提出的RC-IGBT器件的P+集电区与N-漂移区的PN结能带结构图：

图4.1为常规IGBT器件中P+集电区I与N-漂移区III的PN结能带结构图，其中P+集电区I和N-漂移区III均为Si材料，II为势垒区；

图4.2为P+集电区I与N-漂移区III形成的PN结能带结构，其中N-漂移区III为Si材料，P+集电区I采用窄禁带材料，为单一材料或者组分恒定的混合晶体材料，II为势垒区；

图4.3是本发明提出的RC-IGBT器件中P+集电区I与N-漂移区III形成的PN结能带结构，其中N-漂移区III为Si材料，P+集电区I采用变组分硅与窄禁带材料形成的混合晶体材料，II为势垒区。

图5是根据本发明原理提出的一种RC-IGBT结构的具体实例，该实例中采用槽栅IGBT结构，在漂移区下方加入了N型电场阻止层8。

具体实施方式

下面以第一导电类型半导体材料为P型半导体材料，第二导电类型半导体材料为N型半导体材料为例，对本发明提供的RC-IGBT器件进行进一步的描述。

一种逆导型IGBT器件，其结构如图5所示，包括发射极结构、集电极结构、栅极结构和漂移区结构；所述发射极结构包括金属发射极1、P+欧姆接触区2、N+发射区3和P型体区4，其中P+欧姆接触区2和N+发射区3相互独立地位于P型体区4中，且P+欧姆接触区2和N+发射区3的表面均和金属发射极1相接触；所述集电极结构包括P+集电区11、N+集电极短路区9和金属集电极12，其中N+集电极短路区9和P+集电区11彼此间隔分布，且二者的下表面均与金属集电极12相接触；所述漂移区结构包括N-漂移区7，且N-漂移区7底部具有电场阻止层8；所述栅极结构为槽栅结构，包括多晶硅栅电极5和栅氧化层6；所述漂移区结构位于所述发射极结构和所述集电极结构之间，其中：漂移区结构的电场阻止层8背面与集电极结构的N+集电极短路区9和P+集电区11相接触，漂移区结构的N-漂移区7正面与发射极结构的P型体区4相接触，且N+集电极短路区9位于发射极结构的P型体区4的正下方；所述栅极结构的多晶硅栅电极5与金属发射极1、N+发射区3、P型体区4和N-漂移区7四者之间隔着栅氧化层6。所述重掺杂P+集电区11的材料采用组分渐变的混合晶体材料Si_xGe_1-x，且0<x<1，形成渐变的禁带宽度，且禁带宽度的渐变方式为：P+集电区11中从靠近N-漂移区7一侧指向靠近金属集电极12一侧的方向上，混合晶体材料的禁带宽度按逐渐增大（比如：在P+集电区11与N-漂移区7的冶金结处x=0，在P+集电区11与金属集电极12交界处x=1）。P+集电区11的工艺实现方法为：采用化学气相外延技术，外延过程中不断调节混合气体氛围，以得到满足要求的外延层组分。

所述器件工艺过程可以沿用传统槽栅IGBT工艺过程，只需增加一个步骤，详细工艺步骤如下：

（1）单晶硅准备，采用N型轻掺杂衬底材料作为IGBT漂移区；

（2）通过气相外延方法外延一定厚度的混合晶体，在气相外延过程中，不断改变气体组分，以形成组分缓变的外延混合晶体；

（3）背面磷注入，形成N型场阻挡层，退火并推阱；

（4）后续工艺与常规槽栅IGBT相同，工艺步骤包括：正面硼注入，形成P型基区，退火并推阱；进行槽刻蚀，栅氧化以及栅极多晶硅淀积；N+发射区注入及推阱；P+欧姆接触注入及推阱；背面P+区注入及推阱，淀积钝化层、退火致密并光刻引线孔，淀积金属、反刻金属、钝化、光刻钝化孔等步骤。

在实施过程中可以根据具体情况，在基本结构不变的情况下，进行一定的变通设计，例如：

（1）P+集电区采用混合晶体材料Si_xGe_1-x，x的变化规律可根据要求进行调整，取0到1之间的任意实数。

（2）P+集电区混合晶体材料也可为其它可通过半导体工艺实现且具有本发明所述能带结构的材料，如：GaAs、AlGaAs、GaN、SiC等。

（3）IGBT的栅电极可以为平面栅，也可为沟槽栅或者凹槽栅。

（4）IGBT的漂移区结构可以为穿通型，也可以为非穿通型。

（5）IGBT的正面结构可采用载流子存储结构（CSTBT）等。

Claims (8)

1.一种逆导型IGBT器件，包括发射极结构、集电极结构、栅极结构和漂移区结构；所述发射极结构包括金属发射极(1)、重掺杂第一导电类型半导体欧姆接触区(2)、重掺杂第二导电类型半导体发射区(3)和第一导电类型半导体体区(4)，其中重掺杂第一导电类型半导体欧姆接触区(2)和重掺杂第二导电类型半导体发射区(3)相互独立地位于第一导电类型半导体体区(4)中，且重掺杂第一导电类型半导体欧姆接触区(2)和重掺杂第二导电类型半导体发射区(3)的表面均和金属发射极(1)相接触；所述集电极结构包括重掺杂第一导电类型半导体集电区(11)、重掺杂第二导电类型半导体集电极短路区(9)和金属集电极(12)，其中重掺杂第二导电类型半导体集电极短路区(9)和重掺杂第一导电类型半导体集电区(11)彼此间隔分布，且二者的下表面均与金属集电极(12)相接触；所述漂移区结构包括轻掺杂第二导电类型半导体漂移区(7)；所述栅极结构包括多晶硅栅电极(5)和栅氧化层(6)；

所述漂移区结构位于所述发射极结构和所述集电极结构之间，其中：漂移区结构的轻掺杂第二导电类型半导体漂移区(7)背面与集电极结构的重掺杂第二导电类型半导体集电极短路区(9)和重掺杂第一导电类型半导体集电区(11)相接触，漂移区结构的轻掺杂第二导电类型半导体漂移区(7)正面与发射极结构的第一导电类型半导体体区(4)相接触，且集电极结构的重掺杂第二导电类型半导体集电极短路区(9)位于发射极结构的第一导电类型半导体体区(4)的正下方；所述栅极结构的多晶硅栅电极(5)与金属发射极(1)、重掺杂第二导电类型半导体发射区(3)、第一导电类型半导体体区(4)和轻掺杂第二导电类型半导体漂移区(7)四者之间隔着栅氧化层(6)；

所述重掺杂第一导电类型半导体集电区(11)的材料采用组分渐变的混合晶体材料，形成渐变的禁带宽度，且禁带宽度的渐变方式为：重掺杂第一导电类型半导体集电区(11)中从靠近轻掺杂第二导电类型半导体漂移区(7)一侧指向靠近金属集电极(12)一侧的方向上，混合晶体材料的禁带宽度按逐渐增大。

2.根据权利要求1所述的逆导型IGBT器件，其特征在于，所述重掺杂第二导电类型半导体集电极短路区(9)采用和重掺杂第一导电类型半导体集电区(11)相同的组分渐变的混合晶体材料，或采用与重掺杂第一导电类型半导体集电区(11)不相同的半导体材料。

3.根据权利要求1或2所述的逆导型IGBT器件，其特征在于，所述组分渐变的混合晶体材料为硅、碳化硅、砷化镓、磷化铟或锗五种半导体材料中任意两种。

4.根据权利要求1或2所述的逆导型IGBT器件，其特征在于，所述组分渐变的混合晶体材料为硅、碳化硅、砷化镓、磷化铟或锗五种半导体材料中任意多种的组合。

5.根据权利要求1或2所述的逆导型IGBT器件，其特征在于，所述逆导型IGBT器件采用体硅、碳化硅、砷化镓、磷化铟或锗硅半导体材料制作。

6.根据权利要求1或2所述的逆导型IGBT器件，其特征在于，所述栅极结构是平面栅结构或槽栅结构。

7.根据权利要求1或2所述的逆导型IGBT器件，其特征在于，所述集电极结构是透明阳极结构或者短路阳极结构。

8.根据权利要求1或2所述的逆导型IGBT器件，其特征在于，所述漂移区结构是穿通型或非穿通型漂移区结构。