CN100459151C

CN100459151C - 具有内透明集电极的绝缘栅双极晶体管

Info

Publication number: CN100459151C
Application number: CNB2007100630862A
Authority: CN
Inventors: 亢宝位; 单建安; 周文定
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2007-01-26
Filing date: 2007-01-26
Publication date: 2009-02-04
Anticipated expiration: 2027-01-26
Also published as: CN101009323A

Abstract

本发明为一种具有内透明集电极的绝缘栅双基晶体管(IGBT)，它是一种功率半导体开关器件，它是在现有PT-IGBT结构中的P⁺型衬底与N型缓冲层之间加入一层厚度很薄、掺杂浓度低于P⁺衬底的P型内透明集电区并且在内透明集电区中或/和附近有具有很低过剩载流子寿命的载流子寿命控制区。本发明的具有内透明集电区的IGBT具有通态电压正温度系数，利于并联使用和具有良好的热稳定性；同时在制造过程中又因具有PT-IGBT的较厚的硅片而利于用现行的PT-IGBT工艺进行制造，具有高的生产成品率。本发明为击穿电压1200V以内的常用IGBT提供了一种易于制造又具有电压正温度系数的良好性能的IGBT结构。

Description

具有内透明集电极的绝缘栅双极晶体管

技术领域：

本发明涉及一种半导体器件，更具体说是涉及一种功率半导体开关器件。

背景技术：

功率半导体开关器件广泛应用于电力电子技术中，例如电机变频调速电路、不间断电源电路、逆变焊机电路等各种整流、逆变、升压、降压、变频等电路中。对这类功率开关器件的最主要要求之一是能处理相当大的功率而器件自身的功率损耗小。器件的功率损耗主要包括通态损耗和开关损耗两部分。减小前者需要减小器件的通态电压；减小后者需要减小开关时间。在几十千赫兹的常用开关频率范围通态损耗和开关损耗都很小。IGBT的发明带来了电力电子技术的变革，开启了电力电子技术的高频时代，为节约能源，节约材料和减小电力电子设备体积、重量等做出了巨大贡献。1980年代初研究成功并投产的IGBT是非透明集电区穿通型IGBT，今天简称为穿通型IGBT(Punchthrough IGBT-缩写为PT-IGBT)，它在制造中必须用高能离子辐照(如电子辐照)减小硅中过剩载流子寿命来提高开关速度。这种方法造成了PT-IGBT的一个重要性能缺陷，即在导通状态下如果保持集电极电流不变则集电极—发射极之间的电压V_CEsat随温度升高而下降，就是常说的具有通态电压负温度系数。换句话说如果保持集电极—发射极电压V_CEsat不变则集电极电流随温度升高而增大，即电流正温度系数。这种电压负温度系数不利于PT-IGBT并联使用，因为如果其中1支IGBT所分流的电流偏大一些，热电正反馈效应就会使电流越来越集中于这一支IGBT，使其温度越来越高以致烧毁。1988年，Siemens AG发明的透明集电区非穿通型IGBT(Non PunchthroughIGBT-缩写为NPT-IGBT)采用了透明集电极技术(Tranparent Collector)，使NPT-IGBT具有与PT-IGBT相反的电压温度系数，即NPT-IGBT具有电压正温度系数。这是因为NPT-IGBT的集电极是由掺杂浓度较低而且厚度不到1微米的极薄的集电区直接连接到欧姆接触构成，在IGBT关断时存储在IGBT基区中的大量过剩电子能够以扩散流方式穿透极薄的集电区流出到欧姆接触处消失掉，使IGBT基区中存储的电荷迅速消失从而达到迅速关断。这种能使电子迅速流出的集电极结构被称为透明集电极。既然透明集电极的作用可以使IGBT迅速关断(开通时亦然)，NPT-IGBT就不需要高能粒子辐照来提高开关速度。因而避免了电子辐照引起的不良的电压负温度系数，而具有由迁移率决定的电压正温度系数。由于透明集电极技术的这种重大优点，自NPT-IGBT发明后新出现的各种IGBT基本都采用透明集电极技术。

但是现有采用透明集电极技术的各类IGBT结构，对于千伏以上IGBT的制造特别适合，而用于制造耐压不太高的1200V以下的大量应用的IGBT时却遇到一个很大的制造上的困难：因所需的硅片太薄制造过程中易发生碎片、翘曲等，使成品率低，制造成本高。例如耐压600V的具有透明集电极的电场中止型IGBT(FS-IGBT)的管芯硅片厚度不到100um，耐压1200V的也仅有100微米稍多一点。这使这种制造技术的推广应用遇到困难。现在世界上能解决这个制造工艺技术难题的只有很少几个公司。何况IGBT还要向耐压600V以下领域发展，它需要更薄的硅片，制造技术上的困难就更大。

发明内容：

本发明的目的在于提出一种IGBT结构，使用这种结构既能够避免在制造过程中难度极高的薄片操作，而又能得到通态电压V_CEsat正温度系数的良好特性。本发明仍然使用与PT-IGBT基本相同的厚硅片，它为耐压1200V以下的低压的具有电压正温度系数的IGBT的制造提供了一种易于制造、生产成品率高的IGBT结构。

本发明是一种具有内透明集电极的硅IGBT，其基本结构与现有PT-IGBT基本相同，见附图1和2，由从管芯硅片第一表面依次向上描述的下述多层构成：位于硅片第一表面12上的金属化集电极层1；与集电极层邻接的位于第一表面内部的P⁺型硅衬底层2，在制造过程中它具有约400至700微米的厚度和约10¹⁹cm^-3的掺杂浓度；与衬底层邻接的N型硅缓冲层3，它具有约0至20微米的厚度和1×10¹⁶至5×10¹⁷cm^-3的掺杂浓度；与缓冲层邻接的掺杂浓度低于缓冲层的N^-型硅基区层4，它的厚度与掺杂浓度随器件的耐压不同而变化，对耐压600V的IGBT约为50至60微米的厚度和50至90欧姆厘米的电阻率；与基区层邻接的P型硅体区5；与体区邻接并到达硅片第二表面的N型硅源区6；位于硅片第二表面15之上的二氧化硅栅氧化层7、多晶硅栅电极8和金属化发射极9，其中源区、体区、基区、栅氧化层和栅多晶硅电极构成金属—氧化物—半导体场效应晶体管(MOSFET)，衬底层、缓冲层、基区和体区构成PNP双极晶体管，本发明的特征在于，有一个透明集电极，由掺杂浓度低于P⁺型硅衬底层2的P型内透明集电区层10和局域载流子寿命控制层11构成。P型内透明集电区层10是在P⁺型硅衬底层2与N型硅缓冲层3之间，局域载流子寿命控制层11在P型内透明集电区层中或附近，或者存在于P型内透明集电区层中和附近。P型内透明集电区层的厚度为0.1至10微米，掺杂浓度为5×10¹⁶至5×10¹⁸cm^-3，局域载流子寿命控制层有1至3个，层的厚度为50纳米至1微米，层中过剩载流子寿命为1至50纳秒，局域载流子寿命控制层距离内透明集电区边界等于或小于5微米。

本发明所说的具有内透明集电区的IGBT与现有PT-IGBT在结构上基本相同，都是有很厚的p⁺型硅衬底层，所以制造中不需要薄片操作技术和设备，使用现在国际上正在广泛使用的PT-IGBT制造方法即可规模生产。而本发明的IGBT与现有PT-IGBT的结构又有区别。作为本发明特征的区别是在现有PT-IGBT结构中的P⁺型硅衬底层2与N型硅缓冲层3之间加入一层内透明集电区层10并且在内透明集电区层中或附近有局域载流子寿命控制层11。为解释原理方便以局域载流子寿命控制层只有1层并位于p⁺型硅衬底中与内透明集电区相接处的情况为例。在IGBT正常工作时，集电结14总是处于正偏压状态，N^-基区中的电子能够以扩散流的形式从PN结14流向局域载流子寿命控制层11。局域载流子寿命控制层11中载流子寿命很短，电子流将几乎全部可以与从P⁺型硅衬底层2中流过来的空穴完全复合掉。由于透明集电区的掺杂浓度不高而且厚度很小，正偏下由N区通过PN结14注入到内透明集电区10的电子浓度较高，在10中形成很大的电子扩散流。这样，当本发明的IGBT由通态开始关断时，存储在N^-基区的大量电子能够迅速通过内透明集电区流出到局域载流子控制层与空穴复合而消失掉，同时存储在基区的大量空穴向P型硅体区5流出，使IGBT迅速关断。只要内透明集电区足够薄、掺杂浓度适当低并且局域载流子寿命控制层中的载流子寿命足够小，电子流就足够大，这个集电区层对电子流犹如透明的一样可以顺利通过，IGBT的开关时间就能很短。所以不再需要高能离子辐照来提高开关速度。而在现有PT-IGBT结构中，没有载流子寿命很低的局域载流子寿命控制层存在，而且p⁺衬底必须很厚和掺杂浓度很高，否则衬底层电阻太大使通态电压过大。所以电子在p⁺区的扩散流很小，造成开关时间很长，必须用高能离子辐照的方法在N^-基区中产生大量复合中心使大量过剩电子空穴对在N^-区中就地复合掉。理论和试验都证明，这种高能离子辐照产生的复合中心所对应的过剩载流子寿命是随温度升高而增大的，因而通态时基区存储的电子空穴浓度也是随温度升高而升高的，于是通态电阻就随温度升高而下降，造成现有PT-IGBT的通态电压具有负温度系数。而对于本发明的具有内透明集电区的IGBT，不再使用高能离子辐照，消除了造成通态电压V_CEsat正温度系数的根源；由于局域载流子寿命控制层中载流子寿命是足够低，不成为集电极电流的限制因素，所以通态电压V_CEsat随该区域中的载流子寿命的变化是极不敏感的，何况重掺杂半导体中载流子寿命随温度的变化本身就比较小。这使IGBT的温度性能主要由迁移率的温度性能决定，于是通态电压具有正温度系数。在现有的各种采用透明集电极技术的IGBT结构中透明集电区都是位于管芯硅片的外表面而直接与集电极金属化层相接，而本发明的透明集电极IGBT结构中透明集电区和将电子复合消失的局域载流子寿命控制层并不位于硅片的外表面与金属化直接相接，因此发明人将其命名为内透明集电极以彰显其特征，并因此把本发明的IGBT结构称为具有内透明集电极的IGBT。

本发明为击穿电压1200V以内的常用IGBT提供了一种易于制造又具有电压正温度系数的良好性能的IGBT结构。

附图说明：

图1平面栅结构的具有内透明集电极的IGBT的原胞结构

图2沟槽栅结构的具有内透明集电极的IGBT的原胞结构

1-金属化集电极层

2-P⁺型硅衬底层

3-N型硅缓冲层

4-N^-型硅基区层

5-P型硅体区

6-N型硅源区

7-二氧化硅栅氧化层

8-多晶硅栅电极

9-金属化发射极

10-内透明集电区层

11-局域载流子寿命控制层

12-硅片第一表面

13-衬底与内透明集电区交界面

14-内透明集电区与缓冲层交界面，又称为集电结或PN结

15-硅片第二表面

16-从第二表面凹下的沟槽的槽底

具体实施方式：

实施例1

本实施例是一种平面栅的具有内透明集电极的IGBT，结构见附图1。在其结构中除了体现本发明特征的内透明集电区层10和局域载流子寿命控制层11外，其它都是与现有的PT-IGBT结构相同：P⁺型硅衬底层2的厚度约为300微米，掺杂浓度为2×10¹⁹cm^-3；N型硅缓冲层3的厚度为10微米，电阻率为0.1欧姆·厘米；N^-型硅基区层4的厚度为55微米，电阻率60欧姆·厘米；P型硅体区5由扩散法生成，结深3微米，在第二表面处的表面浓度为5×10¹⁸cm^-3；N型硅源区6横向宽度6微米，结深1微米；元胞在硅片上的重复周期为45微米。作为本发明特征的结构和结构参数为：内透明集电区层10的厚度为0.5微米，掺杂浓度为5×10¹⁷cm^-3，经试验证明厚度为0.1微米，0.2微米，0.5微米，1微米，3微米和掺杂浓度为5×10¹⁶cm^-3，1×10¹⁷cm^-3，1×10¹⁸cm^-3均有良好效果，局域载流子寿命控制层11有2个，分别位于内透明集电区中与衬底相邻接处和衬底中距衬底与内透明集电区交界面13 0.1微米处，载流子寿命控制层厚度200纳米，控制层中载流子寿命10纳秒，控制层是由质子或α粒子注入形成的缺陷层构成。经试验证明，本实施例的具有内透明集电极的IGBT的集电极—发射极间击穿电压为650V，IGBT的通态电压V_CEsat在集电极电流大于10A/cm²以上的常用范围都具有正电压温度系数。而结构相同但不具备本发明特征(即没有局域载流子寿命控制层和内透明集电区)的PT-IGBT在150A/cm²以内的常用工作电流下都是负度系数。

本实施例的具有内透明集电极的IGBT的实现方法和现有的大规模进行商品生产的平面栅PT-IGBT的常规制造方法基本相同，现有方法包括在衬底层上依序进行外延N型缓冲层，外延N^-型基区层，热生长栅氧化层，沉积多晶硅栅电极，光刻，扩散深P和浅P区，扩散N型源区，沉积氧化层，刻引线孔，溅射发射极铝电极，反刻铝电极，沉积钝化层，刻压焊盘，硅片背面减薄到约300微米，溅射背面金属化层并进行合金等等。本实施例实现方法之一是在上述现有方法中的开始首先在衬底层上外延内集电区层，然后再依序进行外延N型缓冲层等各步骤一直进行到最后的溅射背面金属化层并进行合金，在制造过程中或进行合金之后增加一个进行高能量质子或α粒子注入的加工步骤即可。高能量质子或α粒子注入能在离子注入射程附近形成局域缺陷带，这个局域缺陷带就能起到局域载流子寿命控制层的作用。控制注入能量可以精确控制缺陷带的位置，增加剂量可以降低缺陷带中的载流子寿命。

实施例2

本实施例是一种沟槽栅型具有内透明集电极的IGBT，其结构见附图2，其中除了体现本发明特征的内透明集电区层10和局域载流子寿命控制层11之外，其余结构都与现有沟槽栅PT-IGBT大致相同，结构参数为：P⁺型硅衬底层2的最终厚度为300微米(加工过程中为600微米)、掺杂浓度1.5×10¹⁹cm^-3，N型硅缓冲层3的厚度为15微米，掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3，N^-型硅基区层4的厚度为105微米、掺杂浓度为5×10¹³cm^-3，P型硅体区5总厚度3微米，位于其中的N型硅源区6的厚度为1微米，沟槽深度(指槽底16至上表面的距离)为4微米。在硅片上元胞重复周期20微米。体现本发明特征的内透明集电区层10的厚度为0.2微米，掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3微米。经试验证明，它的厚度分别为1，3，5，10微米和掺杂浓度分别为1×10¹⁷，5×10¹⁷，5×10¹⁸cm^-3的情况都能得到通态电压V_CEsat正温度系数。局域载流子寿命控制层只有一个，厚度为200纳米，过剩载流子寿命5纳秒，位于衬底中与内透明集电区相邻接。经试验证明，局域载流子寿命控制层厚度为100纳米、300纳米，层中载流子寿命为1、2、5、10、20、30纳秒都能得到通态电压V_CEsat正温度系数。本实施例的IGBT的性能为：集电极—发射极间的击穿电压1250V，通态电压2.4V，在集电极电流为10A/cm²以上的正常运用范围中通态电压具有正温度系数。而不具有本发明特征的(即不具有内透明集电区和局域载流子寿命控制层)的相同结构的沟槽栅PT-IGBT在常用集电极电流下通态电压V_CEsat是负温度特性，在100A/cm²及其以上时才有正温度特性，而这个电流范围已超过IGBT的正常工作电流范围。

Claims

1、具有内透明集电极的绝缘栅双极晶体管，由位于硅片第一表面(12)上的金属化集电极层(1)，与集电极层邻近的位于硅片内部的P⁺型硅衬底层(2)，位于衬底层上方的N型缓冲层(3)，与缓冲层邻接的掺杂浓度更低的N^-型硅基区层(4)，与基区层邻接的P型硅体区(5)，与P型硅体区相邻接的位于硅片第二表面(15)下硅中的N型硅源区(6)，位于硅片第二表面上的二氧化硅栅氧化层(7)，栅氧化层上的多晶硅栅电极(8)，金属化发射极(9)组成，其中所述的硅片第一表面(12)、硅片第二表面(15)是硅片的两个平行并相对的外表面，源区，体区，基区，栅氧化层和多晶硅栅电极构成金属-氧化物-半导体场效应晶体管，衬底层，缓冲层，基区和体区构成PNP双极晶体管，其特征在于：在衬底层与缓冲层之间有一个内透明集电极，内透明集电极由一层掺杂浓度低于P⁺型硅衬底层(2)的P型内透明集电区层(10)和局域载流子寿命控制层(11)构成，所述的局域载流子寿命控制层在内透明集电区层中或附近，或者在内透明集电区层中和内透明集电区层附近，所述的内透明集电区层(10)的掺杂浓度为5×10¹⁶cm^-3至5×10¹⁸cm^-3，厚度为0.1至10微米，所述的局域载流子寿命控制层(11)中的过剩载流子寿命为1至50纳秒，厚度为50纳米至1微米。

2、根据权利要求1所述的具有内透明集电极的绝缘栅双极晶体管，其特征在于：所述的局域载流子寿命控制层(11)是平行排列的层，数目为1至3个。

3、根据权利要求1所述的具有内透明集电极的绝缘栅双极晶体管，其特征在于：所述的局域载流子寿命控制层(11)是在内透明集电区层中或者离开衬底与内透明集电区层交界面(13)小于或等于5微米。

4、根据权利要求1所述的具有内透明集电极的绝缘栅双极晶体管，其特征在于：所述的内透明集电区层(10)的掺杂浓度为1×10¹⁷或5×10¹⁷cm^-3或1×10¹⁸cm^-3。

5、根据权利要求1所述的具有内透明集电极的绝缘栅双极晶体管，其特征在于：所述的内透明集电区层(10)的厚度为0.2微米或0.5微米。

6、根据权利要求1所述的具有内透明集电极的绝缘栅双极晶体管，其特征在于：所述的局域载流子寿命控制层(11)的载流子寿命为2纳秒或5纳秒或10纳秒或30纳秒。

7、根据权利要求1所述的具有内透明集电极的绝缘栅双极晶体管，其特征在于：所述的局域载流子寿命控制层(11)的厚度为0.2微米或0.5微米或1微米。