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CN114823863B - 一种具有阳极槽的低功耗横向功率器件 - Google Patents

一种具有阳极槽的低功耗横向功率器件 Download PDF

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CN114823863B CN202210450409.8A CN202210450409A CN114823863B CN 114823863 B CN114823863 B CN 114823863B CN 202210450409 A CN202210450409 A CN 202210450409A CN 114823863 B CN114823863 B CN 114823863B
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戴恺纬
朱鹏臣
杨可萌
魏杰
马臻
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Abstract

本发明公开了一种具有阳极槽的低功耗功率LIGBT器件。相对于传统阳极短路结构，本发明在阳极端引入阳极槽结构，包括阳极槽内的介质、包围介质的U形P掺杂区、位于阳极槽远离漂移区一侧且与U形P掺杂区接触的N型掺杂区，U形P掺杂区的一端与阳极相连，另一端与N型掺杂区的表面共同引出端为浮空的复合电极。在正向导通时，上述U形P掺杂区增大了空穴注入面积，增强了电导调制效应，有效降低了导通电压；在低阳极电压下，U形P掺杂区与N型掺杂区之间相互耗尽，增大阳极分布电阻，有效抑制了snapback现象；在关断过程中，正向电压增加使N型掺杂区的耗尽区变窄，提供了一条电子抽取通道且通过复合电极进行消除，从而减少了关断损耗。

Description

一种具有阳极槽的低功耗横向功率器件
技术领域
本发明属于功率半导体技术领域，涉及一种具有阳极槽的低功耗功率LIGBT(Lateral Insulated Gate Bipolar Transistor，横向绝缘栅双极型晶体管)。
背景技术
绝缘栅双极型晶体管(IGBT)结合了半导体场效应晶体管高输入阻抗与双极型晶体管电导调制的特点，具有驱动简单、高电流能力、低导通压降与耐压特性高等优点，被广泛应用于智能电网、轨道交通、工业控制等电力电子中高功率领域。相比于纵向IGBT，LIGBT在硅基和SOI基上易于集成，且SOI基LIGBT可以实现器件的电气隔离，具有绝缘性能好和泄漏电流小等优点，因此广泛应用在高压集成电路中。
传统的LIGBT在正向导通时发生电导调制效应而存储大量的过剩载流子，电导调制的过程会有利于降低正向导通压降(On-state voltage drop,Von)，但同时在器件关断过程中，大量的过剩载流子需要通过复合而消除，将会产生较长的拖尾电流，大大增加了关断损耗(Turning off energy loss,Eoff)，因此便产生了正向导通压降与关断损耗的一个折中问题。
为了改善LIGBT器件导通压降与关断损耗的折中关系，通常的方法是引入阳极短路结构，即在阳极P+旁引入短接的阳极N+区，这样在器件关断时引入了一条抽取电子的通路，加快了过剩载流子的消除，降低了关断损耗，但阳极短路结构导致器件在导通时载流子单极导电模式向双极导电模式转换所造成的电压折回(snapback)效应，降低了器件并联使用的可靠性。
发明内容
本发明的目的，就是针对上述一些问题，提出一种具有阳极槽的低功耗功率LIGBT。
本发明的技术方案是：一种具有阳极槽的低功耗横向功率器件，包括沿器件垂直方向自下而上依次层叠设置的P衬底1、埋氧层2、顶部半导体层和场氧化层72；所述的顶部半导体层沿器件横向方向包括阴极结构、栅极结构、N漂移区3、阳极结构与阳极槽结构；
所述阴极结构位于N漂移区3上层一端，包括P阱区4、P+体接触区5、N+阴极区6与导电材料81；所述P阱区4位于N漂移区3上层一端，所述P+体接触区5和N+阴极区6相互接触并列位于P阱区4内上表面远离N漂移区3的一端，且N+阴极区6在靠近N漂移区3的一侧，P+体接触区5和N+阴极区6表面共同接触导电材料81并引出阴极电极；
所述栅极结构由栅氧化层71及位于其上表面的导电材料82共同构成，所述栅氧化层71位于P阱区4之上且两端分别与N漂移区3和N+阴极区6有部分交叠，所述导电材料82一端延伸到场氧化层72上表面一段距离，其引出端为栅电极，所述场氧化层72覆盖于栅氧之外的漂移区表面。
所述阳极结构位于N漂移区3上层另一端，包括N型缓冲层9、位于N型缓冲层9上表面的P+集电极区10及其上表面的导电材料84、位于靠近阳极结构一侧的场氧化层72上表面的导电材料83，且导电材料83与导电材料84共同引出阳极电极；
其特征在于，所述阳极槽结构与阳极结构相邻，阳极槽结构靠近N漂移区3的一侧从表面垂直向下分别与P+集电极区10和N型缓冲层9接触，且整个底部与N型缓冲层9接触；所述阳极槽结构包括阳极槽、位于阳极槽远离阳极结构一侧的N型掺杂区13、N型掺杂区13上表面的N型重掺杂区14；所述阳极槽包括槽内填充的介质73、包围介质73侧壁和底部的U形P掺杂区11以及位于U形P掺杂区11上表面远离P+集电极区10一侧的P型重掺杂区12，且P型重掺杂区12与N型重掺杂区14接触共同引出复合电极85。
进一步的，所述阳极槽结构的介质槽73中包含P型多晶硅区15，P型多晶硅区15侧壁与下表面被介质槽73所包围。
进一步的，所述阳极槽结构的N型掺杂区13掺杂类型和浓度与N漂移区3相同。
进一步的，所述阴极引入位于P阱区4内远离阳极结构一侧的阴极槽16，阴极槽16的一侧与P+体接触区5接触，所述阴极槽16的结构、掺杂类型和浓度与阳极槽相同，且其U型P掺杂区两侧上表面与导电材料81短接共同引出阴极电极。
本发明的有益效果为，相对于传统的阳极短路LIGBT结构，本发明在小电流导通时提前进入双极模式有效的抑制了snapback现象，在开启过程中增大了空穴注入面积，增强了电导调制效应，在关断过程中提供额外的电子抽取通路，故新结构具有更低的导通压降以及更低的关断损耗。
附图说明
图1为实施例1的结构示意图；
图2为实施例2的结构示意图；
图3为实施例3的结构示意图；
图4为实施例4的结构示意图；
具体实施方式
下面结合附图和实施例，详细描述本发明的技术方案：
实施例1
如图1所示，本例的具有阳极槽的低功耗功率LIGBT，自下而上包括依次层叠设置的P衬底1、埋氧层2、顶部半导体层和场氧化层72；所述的顶部半导体层沿器件横向方向，包括阴极结构、栅极结构、N漂移区3、阳极结构与阳极槽结构；
所述阴极结构位于N漂移区3上层一端，包括P阱区4、P+体接触区5、N+阴极区6与导电材料81；所述P阱区4位于N漂移区3上层一端，所述P+体接触区5和N+阴极区6相互接触并列位于P阱区4内上表面远离N漂移区3的一端，且N+阴极区6在靠近N漂移区3的一侧，P+体接触区5和N+阴极区6表面共同接触导电材料81并引出阴极射极；
所述栅极结构由栅氧化层71及位于其上表面的导电材料82共同构成，所述栅氧化层71位于P阱区4之上且两端分别与N漂移区3和N+阴极区6有部分交叠，所述导电材料82一端延伸到场氧化层72上表面一段距离，其引出端为栅电极，所述场氧化层72覆盖于栅氧之外的漂移区表面。
所述阳极结构位于N漂移区3上层另一端，包括N型缓冲层9、位于N型缓冲层9上表面的P+集电极区10及其上表面的导电材料84、位于靠近阳极结构一侧的场氧化层72上表面的导电材料83，且导电材料83与导电材料84共同引出阳极电极；
其特征在于，所述阳极槽结构与阳极结构相邻，阳极槽结构靠近N漂移区3的一侧从表面垂直向下分别与P+集电极区10和N型缓冲层9接触，且整个底部与N型缓冲层9接触；所述阳极槽结构包括阳极槽、位于阳极槽远离阳极结构一侧的N型掺杂区13、N型掺杂区13上表面的N型重掺杂区14；所述阳极槽包括槽内填充的介质73、包围介质73侧壁和底部的U形P掺杂区11以及位于U形P掺杂区11上表面远离P+集电极区10一侧的P型重掺杂区12，且P型重掺杂区12与N型重掺杂区14接触共同引出复合电极85。
本例的工作原理为：
新器件在正向导通随着阳极电压增大时，抬高阳极槽内U形P掺杂区11的电位，P+集电极区10与U形P掺杂区11共同向N型漂移区3注入空穴，增加了阳极空穴注入面积，进一步增强了电导调制效应，有效的降低了正向导通压降Von，且在阳极电压较小时，由于U形P掺杂区11与N型掺杂区13相互耗尽使阳极分布电阻增大，使得P+/N-buffer结压降达到开启电压,器件在导通过程中易于进入双极模式，有效的抑制了snapback现象；在器件的关断过程中，由于阳极电压的增大，U形P掺杂区11与N型掺杂区13形成的耗尽区变窄，这样N型掺杂区13提供了一条额外的电子抽取通路，抽取的电子与P型重掺杂区12的空穴在复合金属电极85进行复合，加速了器件关断而降低了拖尾电流，有效的降低了关断损耗Eoff。
本发明的有益效果为，相对于传统的阳极短路LIGBT结构，本发明在小电流导通时提前进入双极模式，有效抑制了snapback现象，在开启过程中增加了空穴注入面积，增强了电导调制效应，在关断过程中提供额外的电子抽取通路，故新结构具有更低的导通压降以及更低的关断损耗。
实施例2
如图2所示，本例与实施例1中图1的区别在于，所述阳极槽结构的介质槽73中包含P型多晶硅区15，P型多晶硅区15侧壁与下表面被介质槽73所包围，与实施例1相比，由于化学机械抛光多晶硅比二氧化硅更容易实现平滑的表面，本例新器件中的P型多晶硅区则在工艺上更易实现平滑的上表面。
实施例3
如图3所示，本例与实施例1中的图1或实施例2中的图2的区别在于，所述阳极槽结构的N型掺杂区13的掺杂类型和浓度与N漂移区3相同，与实施例1或例2相比，本例新器件中N型掺杂区13由于掺杂浓度与N漂移区3相同，所以工艺上更易实现。
实施例4
如图4所示，本例与实施例1中的图1、例2中的图2或例3中的图3区别在于，所述阴极引入位于P阱区4内远离P+体接触区5一侧的阴极槽16，其结构、掺杂类型和浓度与阳极槽相同，且其U型P掺杂区两侧上表面与导电材料81短接共同引出阴极电极，本例新器件中阴极槽的引入使器件在关断时增加了空穴抽取面积，增强了器件的抗闩锁能力和短路能力，且阴极槽与阳极槽完全相同在工艺上更易实现。

Claims (4)

1.一种具有阳极槽的低功耗横向功率器件，包括沿器件垂直方向自下而上依次层叠设置的P衬底(1)、埋氧层(2)、顶部半导体层和场氧化层(72)；所述的顶部半导体层沿器件横向方向，包括阴极结构、栅极结构、N漂移区(3)、阳极结构与阳极槽结构，其中N漂移区(3)位于埋氧层(2)上表面；
所述阴极结构位于N漂移区(3)上层一端，包括P阱区(4)、P+体接触区(5)、N+阴极区(6)与导电材料(81)；所述P阱区(4)位于N漂移区(3)上层一端，所述P+体接触区(5)和N+阴极区(6)相互接触并列位于P阱区(4)内上表面远离N漂移区(3)的一端，且N+阴极区(6)在靠近N漂移区(3)的一侧，P+体接触区(5)和N+阴极区(6)表面共同接触导电材料(81)并引出阴极电极；
所述栅极结构由栅氧化层(71)及位于其上表面的导电材料(82)共同构成，所述栅氧化层(71)位于P阱区(4)之上且两端分别与N漂移区(3)和N+阴极区(6)有部分交叠，所述导电材料(82)一端延伸到场氧化层(72)上表面，其引出端为栅电极，所述场氧化层(72)覆盖于栅氧之外的漂移区表面；
所述阳极结构位于N漂移区(3)上层另一端，包括N型缓冲层(9)、位于N型缓冲层(9)上表面的P+集电极区(10)及其上表面的导电材料(84)、位于靠近阳极结构一侧的场氧化层(72)上表面的导电材料(83)，且导电材料(83)与导电材料(84)共同引出阳极电极；
其特征在于，所述阳极槽结构与阳极结构相邻，阳极槽结构靠近N漂移区(3)的一侧从器件表面垂直向下分别与P+集电极区(10)和N型缓冲层(9)接触，且整个底部与N型缓冲层(9)接触；所述阳极槽结构包括阳极槽、位于阳极槽远离阳极结构一侧的N型掺杂区(13)、N型掺杂区(13)上表面的N型重掺杂区(14)；所述阳极槽包括槽内填充的介质(73)、包围介质(73)侧壁和底部的U形P掺杂区(11)以及位于U形P掺杂区(11)上表面远离P+集电极区(10)一侧的P型重掺杂区(12)，且P型重掺杂区(12)与N型重掺杂区(14)接触共同引出复合电极(85)。
2.根据权利要求1所述的一种具有阳极槽的低功耗横向功率器件，其特征在于，所述阳极槽结构的介质槽(73)中包含P型多晶硅区(15)，P型多晶硅区(15)侧壁与下表面被介质槽(73)所包围。
3.根据权利要求1或2的任意一项所述的一种具有阳极槽的低功耗横向功率器件，其特征在于，N型掺杂区(13)掺杂类型和浓度与N漂移区(3)相同。
4.根据权利要求3所述的一种具有阳极槽的低功耗横向功率器件，其特征在于，阴极引入位于P阱区(4)内远离阳极结构一侧的阴极槽(16)，阴极槽(16)的一侧与P+体接触区(5)接触，所述阴极槽(16)的结构、掺杂类型和浓度与阳极槽相同，且其U型P掺杂区两侧上表面与导电材料(81)短接共同引出阴极电极。
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