一种衬底集成反并联续流二极管的rc-ligbt器件
阅读说明：本技术 一种衬底集成反并联续流二极管的rc-ligbt器件 (RC-LIGBT device of substrate integrated anti-parallel freewheeling diode ) 是由 陈伟中 林徐葳 秦海峰 黄义 于 2021-09-10 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种衬底集成反并联续流二极管的RC-LIGBT器件,属于功率半导体技术领域。该器件包括由P+发射极、N+电子发射极、P-body、N型漂移区、缓冲层和P型集电极形成的IGBT导电区域；由P+发射极、P型衬底和N型集电极形成的PIN续流二极管导电区域。正向导通时,IGBT导电区域工作,无负阻效应且导通压降低；反向导通时,PIN续流二极管导电区域工作,提供空穴电流路径实现二极管的集成。本发明消除了传统RC-LIGBT的负阻Snapback效应,同时能够大大降低关断损耗。(The invention relates to an RC-LIGBT device with an anti-parallel freewheeling diode integrated on a substrate, belonging to the technical field of power semiconductors. The device comprises an IGBT conductive region formed by a P + emitter, an N + electron emitter, a P-body, an N-type drift region, a buffer layer and a P-type collector; and a PIN freewheeling diode conductive region formed by the P + emitter, the P-type substrate and the N-type collector. When conducting in the positive direction, the IGBT conducting area works, no negative resistance effect exists, and the conducting voltage is reduced; when the diode is reversely conducted, the conducting region of the PIN freewheeling diode works to provide a hole current path to realize the integration of the diode. The invention eliminates the negative resistance Snapback effect of the traditional RC-LIGBT and can greatly reduce turn-off loss at the same time.)
技术领域
本发明属于功率半导体技术领域，涉及一种衬底集成反并联续流二极管的RC-LIGBT器件。
背景技术
绝缘栅双极性晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)是一种MOSFET和BJT管相结合的双极性半导体功率器件，具有导通压降低、驱动功耗低和工作频率高等优点，被广泛应用于通信技术、新能源设备和各类消费电子领域，是电子电力系统的核心器件。其中横向绝缘栅双极性晶体管(Lateral Insulated Gate Bipolar Transistor，LIGBT)易于集成在Si基上，通常应用在SOI基的功率智能系统中，是双极性半导体器件的典型代表。
但是由于LIGBT不具备反向导通能力，因此在实际使用中通常都需要在LIGBT旁边并联一个反向的续流二极管以起到保护的作用。同时为了提高器件的集成度，降低制造成本，人们开始尝试将起保护作用的续流二极管集成在LIGBT的内部，将LIGBT部分集电极P-Collector用N-Collector替代，在晶体管内部集成了一个P-body/N-drift/N-Collector续流二极管，成为逆导型横向绝缘栅双极型晶体管(Reverse-Conducting LateralInsulated Gate Bipolar Transistor，RC-LIGBT)，这一改动不仅使器件具备了反向导通能力，而且大大减小了芯片的尺寸，能够降低生产成本。
传统的RC-LIGBT在使用中仍然存在着一些不可忽视的缺点：例如在正向导通时，初期由于集电极N-Collector的存在，从发射极注入漂移区的电子会首先通过N-collector流出集电极，此时只有电子导电，称为单极性导电模式；随着流过P-Collector的电流逐渐增大，P-Collector和N-漂移区形成的PN结之间的电压VPN会逐渐增大，当VPN≥0.7V时，PN结导通，大量空穴从P-Collector注入N-漂移区，发生电导调制效应，使晶体管进入双极性导电模式，反映到正向导通曲线上时就会产生一个“电压回跳现象”，曲线上的电压和电流会产生突变，即出现负阻效应，又称snapback效应，该现象会带来一系列问题从而影响RC-LIGBT器件的可靠性，比如会造成局部电流过大，使器件无法正常工作甚至烧毁，进而导致整个电路的崩溃。
现有技术中，常用的有：
1)SSA-LIGBT(Separated Shorted-Anode LIGBT，分离阳极短路LIGBT)器件，在传统LIGBT器件的基础上，扩展N型漂移区的长度，在器件最右侧集电极处设置N型集电极，使N型集电极与P型集电极分离；通过扩展电子电流的流动路径来增加集电极区域电阻。然而，漂移区的长度需要大大延长，这严重浪费了器件尺寸。
2)STB-LIGBT(Single Trench Barrier LIGBT，单沟槽势垒LIGBT)器件，在传统LIGBT器件的基础上，在缓冲层的右侧设置隔离沟槽，隔离沟槽的右侧为N型集电极。该结构扩展了电子电流路径，对深宽比要求高，很难完全消除负阻效应。
3)TBSA LIGBT(Trench Barrier Shorted Anode LIGBT，沟槽势垒短路阳极LIGBT)器件，在传统LIGBT器件的基础上，在缓冲层的右侧设置两个隔离沟槽，留有狭窄的电子电流路径，隔离沟槽的右侧为N型集电极，大大扩展了电子电流的流动路径。
因此，为了能够更好的促进RC-LIGBT的应用，需要对现有的RC-LIGBT进行进一步改进，以避免snapback效应的出现，从而加强RC-LIGBT器件的可靠性。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种衬底集成反并联续流二极管的RC-LIGBT器件，消除传统RC-LIGBT的负阻Snapback效应，同时能够大大降低关断损耗。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种衬底集成反并联续流二极管的RC-LIGBT器件，包括P+发射极1、N+电子发射极2、P-body3、N型漂移区4、缓冲层5、P型集电极6、N型集电极7、二氧化硅绝缘层8、P型衬底9、发射极10、栅极11、集电极12；其中，P+发射极1、N+电子发射极2、P-body3、N型漂移区4、缓冲层5和P型集电极6形成了IGBT导电区域；P+发射极1、P型衬底9和N型集电极7形成了PIN续流二极管导电区域；
所述P+发射极1、N+电子发射极2位于发射极10的下方；所述N+电子发射极2的左侧与P+发射极1的右侧紧密相连，N+电子发射极2的下侧和右侧被P-body3完全覆盖；所述P-body3的左侧与P+发射极1的右侧相连，P-body3的下侧与二氧化硅绝缘层8的上侧平齐相连；所述N型漂移区4的左侧与P-body3的右侧相连，N型漂移区4的下侧与二氧化硅绝缘层8的上侧平齐；所述缓冲层5的左侧与N型漂移区4的右侧平齐相连，缓冲层5的下侧与二氧化硅绝缘层8的上侧平齐相连；所述P型集电极6的左侧与缓冲层5的右侧相连，P型集电极6的下侧与二氧化硅绝缘层8的上侧平齐相连。所述P型衬底9的上侧依次与P+发射极1、二氧化硅绝缘层8和N型集电极7的下侧平齐相连；所述N型集电极7的左侧与P型集电极6和二氧化硅绝缘层8右侧平齐相连。
正向导通时，IGBT导电区域工作，电子从N+电子发射极2，经P-body3向N型漂移区4、缓冲层5注入电子；同时P型集电极6向N型漂移区4、缓冲层5注入空穴，实现IGBT双极性导电模式。此工作状态下，N+电子发射极2为电子发射极，P-body3为电子沟道区，栅极11控制电子沟道的开启，N型漂移区4为电子漂移区，缓冲层5为场截止层，P型集电极6为空穴发射极，上述结构组成IGBT双极性器件。
反向导通时，PIN续流二极管导电区域的P+发射极1向P型衬底9注入空穴；同时N型集电极7向P型衬底9注入电子，实现PIN双极性导电模式。此工作状态下，P+发射极1为续流二极管的阳极，P型衬底9为空穴漂移区，N型集电极7为电子阴极，三者组成一个PIN二极管结构。
由于IGBT与二极管分别承担正向导通和反向导通，等效电路为反并联连接模式，故本发明提出的RC-LIGBT器件新结构最终实现了衬底集成反并联续流二极管的功能。
优选的，该器件还包括P-top13；所述P-top13的上侧与N型漂移区4的上侧平齐，P-top13的左侧、下侧和右侧被N型漂移区4完全覆盖。
优选的，该器件还包括P-type14；所述P-type14被N型漂移区4完全覆盖。
优选的，所述栅极11的材料包括掺杂多晶硅或铝等。
优选的，所述N型漂移区4的掺杂浓度为1×1015cm-3，所述P-body3和缓冲层5的掺杂浓度为1×1016cm-3，所述N型集电极7的掺杂浓度为1×1019cm-3，所述P型衬底9的掺杂浓度为1×1014cm-3。
优选的，所述P-top13的掺杂浓度为1×1015cm-3。
优选的，所述P-type14的掺杂浓度为1×1016cm-3。
本发明的有益效果在于：
1)本发明的P+发射极为续流二极管的阳极，P型衬底为空穴漂移区，N型集电极为电子阴极，组成了一个PIN二极管结构；该PIN二极管结构与IGBT区通过二氧化硅绝缘层隔离并形成反并联连接；
2)本发明器件正向导通时，IGBT区导通无负阻效应且导通压降较低；
4)本发明器件反向导通时，PIN二极管结构导通，P型衬底区域提供空穴电流路径实现二极管的集成；
5)本发明器件完全消除了传统RC-LIGBT的负阻Snapback效应，且在相同导通压降下，其关断损耗Eoff相比传统RC-LIGBT大大降低了。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
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优选的详细描述，其中：
图1为本发明实施例1提供的RC-LIGBT器件的结构示意图；
图2为本发明实施例2提供的RC-LIGBT器件的结构示意图；
图3为本发明实施例3提供的RC-LIGBT器件的结构示意图；
图4为本发明实施例1的RC-LIGBT与传统的LIGBT(Conv)、TBSA-LIGBT、SSA-LIGBT和STB-LIGBT的正向导通特性对比图；
图5为本发明实施例1的RC-LIGBT与TBSA-LIGBT、SSA-LIGBT和STB-LIGBT的反向导通特性对比图；
图6为本发明实施例1的RC-LIGBT与传统的LIGBT(Conv)、TBSA-LIGBT、SSA-LIGBT和STB-LIGBT在漂移区长度LD为18μm时的阻断特性特性对比图；
图7为本发明实施例1的RC-LIGBT与传统的LIGBT(Conv)、TBSA-LIGBT、SSA-LIGBT和STB-LIGBT在雪崩击穿状态下的电势分布图；
图8为本发明实施例1的RC-LIGBT与传统LIGBT(Conv)、TBSA-LIGBT、SSA-LIGBT和STB-LIGBT的折中特性；
图9为本发明实施例1的RC-LIGBT的工艺制造流程图；
附图标记：1-P+发射极，2-N+电子发射极，3-P-body，4-N型漂移区，5-缓冲层，6-P型集电极，7-N型集电极，8-二氧化硅绝缘层，9-P型衬底，10-发射极，11-栅极，12-集电极，13-P-top，14-P-type。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
实施例1：
如图1所示，本实施例提出了一种衬底集成反并联续流二极管的RC-LIGBT器件，该器件包括：P+发射极1、N+电子发射极2、P-body3、N型漂移区4、缓冲层5、P型集电极6、N型集电极7、二氧化硅绝缘层8、P型衬底9、发射极10、栅极11和集电极12。
该RC-LIGBT器件从上至下分为IGBT导电区域和PIN二极管区域，IGBT导电区域与PIN二极管区域被二氧化硅绝缘层8分隔开来。其中，IGBT导电区域由设置P+发射极1、N+电子发射极2、P-body3、N型漂移区4、缓冲层5、P型集电极6形成。PIN二极管区域由P+发射极1、P型衬底9、N型集电极7形成。二氧化硅绝缘层8的上侧依次与P-body3、N型漂移区4、缓冲层5、P型集电极6的下侧紧密相连，左侧与P+发射极1的右侧平齐，右侧与N型集电极7的左侧平齐，下侧与P型衬底9的上侧平齐。
正向导通时，IGBT导电区域导通无负阻效应且导通压降较低；反向导通时，PIN二极管区域导通，P型衬底区域提供空穴电流路径实现二极管的集成。
N型漂移区4的长度为18μm，厚度为4μm，掺杂浓度为1×1015cm-3。缓冲层5的长度为1μm，厚度为4μm，掺杂浓度为5×1016cm-3。P-body 3的长度为2μm，厚度为2μm，掺杂浓度为5×1016cm-3。P型集电极6的长度为1μm，厚度为4μm，掺杂浓度为1×1019cm-3。N型集电极7的长度为1μm，厚度为6μm，掺杂浓度为1×1019cm-3。P型衬底9的长度为24μm，厚度为9μm，掺杂浓度为1×1014cm-3。二氧化硅绝缘层8的长度为22μm，厚度为2μm。
实施例2：
如图2所示，本发明实施例优选的一种衬底集成反并联续流二极管的RC-LIGBT器件，还可以进一步拓展，应用于RESURF理论及结构中。图2包括P+发射极1、N+电子发射极2、P-body 3、N型漂移区4、缓冲层5、P型集电极6、N型集电极7、二氧化硅绝缘层8、P型衬底9、发射极10、栅极11、集电极12、P-top 13为Double RESURF结构。
P-top 13区域的上侧与N型漂移区4的上侧平齐，左侧、下侧和右侧被N型漂移区4完全覆盖。N型漂移区4的长度为18μm，厚度为4μm，掺杂浓度为1×1015cm-3。P+发射极1、N+电子发射极2位于发射极10的下方，N+电子发射极2的左侧被P+发射极1完全覆盖，下侧和右侧被P-body 3完全覆盖。P-body 3的右侧紧挨着N型漂移区4的左侧，N型漂移区4的右侧紧挨着缓冲层5的左侧，缓冲层5的右侧紧挨着P型集电极6的左侧。缓冲层5的长度为1μm，厚度为4μm，掺杂浓度为5×1016cm-3。P-body 3、N型漂移区4、缓冲层5、P型集电极6的下方紧挨着二氧化硅绝缘层8的上侧。P-body 3的长度为2μm，厚度为2μm，掺杂浓度为5×1016cm-3。P型集电极6的长度为1μm，厚度为4μm，掺杂浓度为1×1019cm-3。二氧化硅绝缘层8的左侧紧挨着P+发射极1的右侧，N型集电极7的左侧紧挨着P型集电极6和二氧化硅绝缘层8的右侧。二氧化硅绝缘层8的长度为22μm，厚度为2μm。N型集电极7的长度为1μm，厚度为6μm，掺杂浓度为1×1019cm-3。P型衬底9的上侧紧挨着P+发射极1、二氧化硅绝缘层8、N型集电极7的下侧。P型衬底9的长度为24μm，厚度为9μm，掺杂浓度为1×1014cm-3。集电极12的下侧紧挨着P型集电极6、N型集电极7的上侧。
在雪崩击穿状态下，P-top13区域起到了辅助耗尽N型漂移区4的作用，使得器件的击穿电压得到提升。P-top 13的长度为15μm，厚度为2μm，掺杂浓度为1×1015cm-3。
实施例3：
如图3所示，本发明实施例优选的一种衬底集成反并联续流二极管的RC-LIGBT器件，包括P+发射极1、N+电子发射极2、P-body 3、N型漂移区4、缓冲层5、P型集电极6、N型集电极7、二氧化硅绝缘层8、P型衬底9、发射极10、栅极11、集电极12、P-type 14。
P-type 14区域被N型漂移区4完全覆盖。N型漂移区4的长度为18μm，厚度为4μm，掺杂浓度为1×1015cm-3。P+发射极1、N+电子发射极2位于发射极10的下方，N+电子发射极2的左侧被P+发射极1完全覆盖，下侧和右侧被P-body 3完全覆盖。P-body 3的右侧紧挨着N型漂移区4的左侧，N型漂移区4的右侧紧挨着缓冲层5的左侧，缓冲层5的右侧紧挨着P型集电极6的左侧。缓冲层5的长度为1μm，厚度为4μm，掺杂浓度为5×1016cm-3。P-body3、N型漂移区4、缓冲层5、P型集电极6的下方紧挨着二氧化硅绝缘层8的上侧。P-body 3的长度为2μm，厚度为2μm，掺杂浓度为5×1016cm-3。P型集电极6的长度为1μm，厚度为4μm，掺杂浓度为1×1019cm-3。二氧化硅绝缘层8的左侧紧挨着P+发射极1的右侧，N型集电极7的左侧紧挨着P型集电极6和二氧化硅绝缘层8的右侧。二氧化硅绝缘层8的长度为22μm，厚度为2μm。N型集电极7的长度为1μm，厚度为6μm，掺杂浓度为1×1019cm-3。P型衬底9的上侧紧挨着P+发射极1、二氧化硅绝缘层8、N型集电极7的下侧。P型衬底9的长度为24μm，厚度为9μm，掺杂浓度为1×1014cm-3。集电极12的下侧紧挨着P型集电极6、N型集电极7的上侧。
在雪崩击穿状态下，P-type 14区域起到了辅助耗尽N型漂移区4的作用，使得器件的击穿电压得到进一步提升。P-type 14的长度为12μm，厚度为1.5μm，掺杂浓度为1×1016cm-3。
对比仿真实验：
采用sentaurus仿真软件，对实施例1的RC-LIGBT器件如图1所示的结构进行性能仿真分析，并与传统LIGBT及现有LIGBT结构进行对比分析。在仿真过程中，实施例1的RC-LIGBT器件、传统LIGBT器件、SSA LIGBT器件、STB LIGBT器件和TBSA LIGBT器件的各个仿真参数均一致，其中N漂移区厚度为4μm，载流子寿命为10μs，环境温度为300K。
图4为实施例1的RC-LIGBT(proposed)、传统LIGBT(Conv)、SSA-LIGBT-、STB-LIGBT-和TBSA-LIGBT的正向导通特性对比图。正向导通时，发射极接地，栅极施加15V的正电压，集电极施加逐渐增加的正电压。在正向导通阶段，由于N-collector的短路效应，SSALIGBT表现出了最明显的Snapback效应，△VSB为0.27V。而实施例1的RC-LIGBT器件和传统LIGBT器件无Snapback效应。对于STB LIGBT，它仍然有Snapback效应，△VSB为0.12V。此外，传统LIGBT和新结构RC-LIGBT的正向压降最小，Von分别为0.81V和0.84V。新结构RC-LIGBT无Snapback现象且导通压降较低。
图5为实施例1的RC-LIGBT(proposed)、SSA-LIGBT、STB-LIGBT和TBSA-LIGBT的反向导通特性对比图。由于TBSA-LIGBT的阳极电阻很大，因此它的反向导通特性最差，反向导通电压VR为5.9V。而实施例1的RC-LIGBT的PIN导通，P型衬底区域提供空穴电流路径实现二极管的集成，它的反向导通最优，反向导通电压VR为0.93V。
图6为实施例1的RC-LIGBT(proposed)、传统LIGBT(Conv)、TBSA-LIGBT、SSA-LIGBT和STB-LIGBT在漂移区长度LD为18μm时的阻断特性对比图。实施例1的RC-LIGBT(proposed)的击穿电压最大，为263V，传统LIGBT、TBSA LIGBT、SSA LIGBT和STB LIGBT的击穿电压分别为223V、216V、219V、220V。
图7为实施例1的RC-LIGBT(proposed)、传统LIGBT(Conv)、TBSA-LIGBT、SSA-LIGBT和STB-LIGBT在雪崩击穿条件下的电势分布图。图7(a)为实施例1的RC-LIGBT(proposed)图7(b)为传统LIGBT，图7(c)为TBSA LIGBT，图7(d)为SSA LIGBT，图7(e)为STB LIGBT。仅有实施例1的RC-LIGBT(proposed)中的P型衬底部分有电势分布。
图8为不同LIGBT的折中特性，实施例1的RC-LIGBT(proposed)实现了最佳的折中特性。在导通压降Von为1.72V时，实施例1的RC-LIGBT的Eoff最小为0.215mJ/cm2，传统LIGBT(Conv)的Eoff为0.41mJ/cm2，与传统LIGBT(Conv)相比降低了91％。当Eoff为0.3mJ/cm2时，实施例1的RC-LIGBT和传统LIGBT(Conv)的Von分别为1.42V和1.82V，实施例1的RC-LIGBT的导通压降与传统LIGBT(Conv)相比，下降了28％。因此，实施例1的RC-LIGBT不仅实现了无Snapback效应，而且在Von和Eoff之间获得了最优的折中特性。
图9为制造实施例1的RC-LIGBT器件的主要工艺步骤示意图，主要步骤如下：
(1)使用氧化工艺在器件表面氧化出一层二氧化硅薄膜，如图9(a)所示；
(2)将两块硅片键合到一起，如图9(b)所示；
(3)硼离子注入形成P-body，如图9(c)所示；
(4)磷离子注入形成N+电子发射极、硼离子注入形成P+发射极，如图9(d)所示；
(5)磷离子注入形成缓冲层，如图9(e)所示；
(6)磷离子注入形成N型集电极，如图9(f)所示；
(7)硼离子注入形成P型集电极，如图9(g)所示；
(8)在栅极、发射极、集电极处淀积金属，形成电极，如图9(h)所示，即可得到新结构RC-LIGBT器件。
综上所述，本发明提出的衬底集成反并联续流二极管的RC-LIGBT器件，完全消除了传统RC-IGBT的负阻Snapback效应，且在相同导通压降Von为1.72V，其关断损耗Eoff相比传统RC-IGBT降低了91％。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。