CN102005473B - 具有改进终端的igbt - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有改进终端的IGBT，包括元胞区和环绕于所述元胞区的终端区，所述IGBT的背面具有IGBT集电极区，所述IGBT集电极区与第一导电类型的IGBT漂移区连接且位于所述IGBT漂移区的下面，所述IGBT集电极区包括元胞集电极区和终端集电极区，所述元胞集电极区具有第二导电类型半导体，其中，所述终端集电极区具有第一导电类型半导体。本发明的终端集电极区具有第一导电类型的半导体，因此，就减少了终端集电极区向IGBT漂移区注入第二导电类型载流子的数量，减少了关断时IGBT漂移区中第一导电类型载流子和第二导电类型载流子的复合时间以及复合数量，降低了拖尾电流和关断能耗。

Description

具有改进终端的IGBT
技术领域
本发明涉及一种绝缘栅双极晶体管(IGBT)，尤其涉及一种具有改进终端的IGBT。
背景技术
IGBT(绝缘栅双极晶体管)是在一块硅芯片上的许多小器件单元(称为元胞)并联而成的，各元胞在表面有基本相同的电位，因此元胞之间并不存在击穿的问题。但是在元胞的最外圈和衬底之间存在高电压差，是器件击穿最先发生的区域，所以，在芯片中元胞的最外圈的外面要增加终端进行保护，以降低这些区域的表面峰值电场，提高击穿电压，这就是所谓的终端保护。
传统的IGBT结构的正面结构分为元胞区和终端区，背面结构为均匀的P+集电极区。所述正面为芯片中IGBT用于引出发射极和栅极所在的一面，所述背面为芯片中IGBT用于引出集电极所在的一面。图1是传统的IGBT结构的俯视图，即芯片的正面示意图。如图1所示，IGBT包括中间部分的元胞区100和将元胞区100都包裹的终端区200。图2是图1沿A-A线的剖面图，如图2所示，元胞区100包括栅极区103、与栅极区接触的发射区101、与发射区101连接的N+发射极区102、与发射区101连接的P型体区104，所述N+发射极区102位于P型体区104内，所述P型体区104位于元胞N-漂移区105内，在元胞N-漂移区105的下方形成有P+集电极区106，也就是P+阳极区，在P+集电极区106设置有集电极，也就是阳极，在所述栅极区103上设置栅极，在所述发射区101上设置发射极。在每个元胞单元中，栅极区103形成于两个N+发射极区102和沟道区的上面，通过栅氧化层与N+发射极区102和沟道区相对。终端区200包括终端正面结构201、与元胞N-漂移区105相同的终端漂移区203、与P+集电极区106相同的终端集电极区204和分布于终端漂移区203中的终端内部结构202。所述终端正面结构201与所述发射区101中间具有绝缘层，所述终端正面结构可以为场板。所述终端内部结构202为沟道截止环和若干场环。所述元胞N-漂移区105和终端漂移区203统称为IGBT漂移区。
IGBT是重要的大功率开关器件，其开关特性参数是IGBT最重要的性能参数之一。一般而言，IGBT是一种典型的MOS(绝缘栅场效应管)驱动BJT(双极结型晶体管)的达林顿结构，保持了功率MOS开通速度快的优点。而关断过程由于BJT结构存在电荷存储效应，大体上可分为沟道电流关断和过剩载流子复合两个过程。通常DMOS(垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管)沟道电流关断比较快，然而，IGBT漂移区过剩载流子复合过程较慢，所以引起IGBT关断过程有一个长的电流拖尾，增加关断能量损耗。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有改进终端的IGBT，旨在解决现有技术中IGBT漂移区过剩载流子的复合过程较慢，引起IGBT关断过程有一个长的拖尾电流，因此关断能量损耗较大的技术问题。
本发明是通过以下技术方案来实现的：
一种具有改进终端的IGBT，包括元胞区和环绕于所述元胞区的终端区，所述IGBT的背面具有IGBT集电极区，所述IGBT集电极区与第一导电类型的IGBT漂移区连接且位于所述IGBT漂移区的下面，所述IGBT集电极区包括元胞集电极区和终端集电极区，所述元胞集电极区具有第二导电类型半导体，其中，所述终端集电极区具有第一导电类型半导体。
相对于现有技术中的IGBT集电极区全部为第二导电类型的半导体而言，本发明的终端集电极区具有第一导电类型的半导体，因此，就减少了终端集电极区向IGBT漂移区注入第二导电类型载流子的数量，减少了关断时IGBT漂移区中第一导电类型载流子和第二导电类型载流子的复合时间以及复合数量，降低了拖尾电流和关断能耗。
附图说明
图1是传统的IGBT结构的俯视图；
图2是图1中IGBT结构沿A-A线的剖面图；
图3是本发明第一实施例的IGBT的结构示意图；
图4是本发明第二实施例的IGBT结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
根据半导体中多数载流子决定，决定半导体的类型。如果第一导电类型的多数载流子为空穴，则第一导电类型为P型，重掺杂的第一导电类型为P+型，轻掺杂的第一类型为P-型；如果第一导电类型的多数载流子为电子，则第一导电类型为N型，重掺杂的第一导电类型为N+型，轻掺杂的第一类型为N-型。第二导电类型的多数载流子为第二类型载流子，第一导电类型的多数载流子为第一类型载流子。第一导电类型为N型时，则第二导电类型为P型。
本发明实施例的主要宗旨在于降低位于终端区集电极区上方的IGBT漂移区内的第二类型载流子的浓度。
本发明的具有改进终端的IGBT(下面简称为IGBT)，包括元胞区和环绕于所述元胞区的终端区，所述IGBT的背面具有IGBT集电极区，所述IGBT集电极区与第一导电类型的IGBT漂移区连接且位于所述IGBT漂移区的下面，所述IGBT集电极区包括元胞集电极区和终端集电极区，所述元胞集电极区具有第二导电类型半导体，其中，所述终端集电极区具有第一导电类型半导体。所述终端集电极区可以全部为第一导电类型半导体，也可以部分为第一导电类型半导体。相对于现有技术中的IGBT集电极区全部为第二导电类型的半导体而言，本发明的终端集电极区具有第一导电类型的半导体，因此，就减少了终端集电极区向IGBT漂移区注入第二导电类型载流子的数量，减少了关断时，在IGBT漂移区中第一导电类型载流子和第二导电类型载流子的复合时间以及复合数量，降低了拖尾电流和关断能耗。
进一步，本发明优选所述终端集电极区部分具有第一导电类型半导体。本技术方案中，所述终端集电极区的另一部分为第二导电类型半导体，所述终端集电极区的第二导电类型半导体为若干小块分别设置在所述终端集电极区的第一导电类型半导体中。
进一步，本发明优选所述终端集电极区部分具有第一导电类型半导体。本技术方案中，所述终端集电极区分成相互连接两块区域，第一块区域为第一导电类型半导体，第二块区域为第二导电类型半导体，所述终端集电极区的第二块区域邻接于元胞集电极区。
进一步，所述第二块区域的长度等于IGBT漂移区的厚度。所述IGBT漂移区的厚度为60微米至500微米。在IGBT漂移区中，IGBT集电极区的多数载流子电流流向趋近于元胞周边45度角范围内的区域，所以第二块区域中多数载流子对于IGBT的电流是有贡献的，这样既可以减少复合时间和拖尾电流，又不会对IGBT的工作电流造成影响。
进一步，所述终端集电极区的第一导电类型半导体的掺杂浓度与IGBT漂移区的掺杂浓度相同，这样可以减少制作工序，节约成本。
进一步，所述终端集电极区的第一导电类型半导体的掺杂浓度大于IGBT漂移区的掺杂浓度，为重掺杂，这样有利于与材料为金属的接触层进行欧姆接触，降低接触电阻。
进一步，所述IGBT还包括用于引出集电极的接触层，所述接触层邻接于所述IGBT集电极区之下。为了降低接触电阻，位于终端集电极区的第一导电类型的半导体下面的接触层是氧化物层，其他的接触层为金属层；所述氧化物层优选硅氧化层。
进一步，所述IGBT还包括一缓冲层，所述缓冲层位于所述IGBT集电极区与IGBT漂移区之间，用于防止IGBT发生穿通，实现低的通态电压。
以下将参照附图，对本发明的优选的实施例进行详细描述。
实施例一
图3是本发明第一实施例的IGBT的结构示意图。参照图3，本实施例的IGBT包括中间部分的元胞区100和环绕于所述元胞区100的终端区200，所述元胞区100包括平面栅极区103、与平面栅极区103接触的元胞发射区101、与元胞发射区101连接的重掺杂的第一导电类型(例如N+型)发射极区102、与元胞发射区101连接的第二导电类型(例如P型)体区(下面简称P型体区)104，所述发射极区102位于P型体区104中，所述P型体区104位于元胞的轻掺杂的第一导电类型(例如N-型)漂移区(下面简称元胞漂移区)105内，在元胞漂移区105的下方形成有重掺杂的第二导电类型(例如P+型)元胞集电极区106，也称为P+阳极区。在元胞集电极区106上设置有集电极，也称为阳极。在平面栅极区103上设置栅极、在元胞发射区101上设置发射极。IGBT中用于引出集电极的一面为背面，与之相对的一面为正面。在每个IGBT元胞单元中，栅极区103形成于两个发射极区102和沟道区的上面，通过栅氧化层与发射极区102和沟道区相对。终端区200具有终端正面结构201、与元胞漂移区105相同的终端漂移区203、分布于终端漂移区203中的终端内部结构202以及终端集电极区204。所述终端正面结构201与所述元胞发射区101之间具有绝缘层，所述终端正面结构201可以为场板。所述元胞漂移区105和终端漂移区203统称为IGBT漂移区。所述终端集电极区204和与之相连接的元胞集电极区106统称为IGBT集电极区。所述终端集电极区204包括重掺杂的第二导电类型(例如P+型)第二块区域2042和轻掺杂的第一导电类型(例如N-型)第一块区域2041，所述第二块区域2042设置于第一块区域2041与元胞集电极区106之间。所述第二块区域2042的长度L大于等于零小于终端区的长度。本实施例优选第二块区域2042的长度L等于IGBT漂移区的厚度H。所述IGBT漂移区的厚度H为60微米至500微米，本实施例优选所述地块区域2042的长度L为180微米。因为在IGBT漂移区中，空穴电流流向趋近于元胞周边45度角范围内的区域，所以这样既可以保证适当的IGBT电流，又可以在IGBT关断时减少漂移区中的空穴的注入，进而减少空穴电子复合带来的关断时间和减少关断损耗。
进一步，在IGBT的背面还具有接触层3，所述接触层3位于终端区集电极区204和元胞集电区106的下面，为了降低接触电阻，本实施例的接触层3包括位于第一块区域2041下面的氧化层302(例如二氧化硅层)和位于第二块区域2042和元胞集电极区106下面的金属层301，所述金属可以为铝。
实施例二
图4是本发明第二实施例的IGBT结构示意图。第一实施例的IGBT为平面栅型IGBT，本实施例的IGBT为沟槽栅型IGBT。本实施例IGBT除了栅结构与第一实施例的IGBT不一样外，其他的主要区别如下：
参照图4，本实施例的IGBT包括中间部分的元胞区100和环绕于所述元胞区100的终端区200，所述元胞区100包括沟槽型栅极区103、与沟槽型栅极区103通过一绝缘层相对的元胞发射区101、与元胞发射区101连接的重掺杂的第一导电类型(例如N+型)发射极区102、与元胞发射区101连接的第二导电类型(例如P型)体区(下面简称P型体区)104，所述发射极区102位于所述P型体区104中，所述P型体区104位于元胞轻掺杂的第一导电类型(例如N-型)漂移区(下面简称元胞漂移区)105内，所述沟槽型栅极区103和栅氧化层穿过P型体区104到达元胞漂移区105，在元胞漂移区105的下方形成有重掺杂的第二导电类型(例如P+型)元胞集电极区106，也称为P+阳极区。在元胞集电极区106上设置有集电极，也称为阳极。在沟槽型栅极区103上设置有栅极、在元胞发射区101上设置有发射极。IGBT中用于引出集电极的一面为背面，与之相对的一面为正面。终端区200具有终端正面结构201、与元胞漂移区105相同的终端漂移区203、分布于终端漂移区203中的终端内部结构202以及终端集电极区204。所述终端正面结构201与所述元胞发射区101之间具有绝缘层，所述终端正面结构201为场板。所述元胞漂移区105和终端漂移区203统称为IGBT漂移区。所述元胞集电极区106和终端集电极区204统称为IGBT集电极区。所述IGBT漂移区与IGBT集电极区间还包括重掺杂的第一导电类型(例如N+型)缓冲层107。所述终端集电极区204包括重掺杂的第二导电类型(例如P+型)第二块区域2042和重掺杂的第一导电类型(例如N+型)第一块区域2041，所述第二块区域2042设置于第一块区域2041与元胞集电极区106之间。所述第二块区域2042的长度大于等于零小于终端区的长度。本实施例优选第二块区域2042的长度为漂移区的厚度。这样既可以保证适当的IGBT电流，又可以在IGBT关断时减少漂移区中的空穴的注入，进而减少空穴电子复合带来的关断时间和减少关断损耗。
进一步，在IGBT的背面还具有接触层3，所述接触层位于终端区集电极区204和元胞集电区106的下面，为了降低接触电阻，本实施例的接触层3包括位于终端区集电极区204和元胞集电极区106下面的金属层3，所述金属可以为铝。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有改进终端的IGBT，包括元胞区和环绕于所述元胞区的终端区，所述IGBT的背面具有IGBT集电极区，所述IGBT集电极区与第一导电类型的IGBT漂移区连接且位于所述IGBT漂移区的下面，所述IGBT集电极区包括具有第二导电类型半导体的元胞集电极区和终端集电极区，其特征在于，所述终端集电极区具有第一导电类型半导体。
2.如权利要求1所述的具有改进终端的IGBT，其特征在于，所述第一导电类型半导体为N型半导体。
3.如权利要求1所述的具有改进终端的IGBT，其特征在于，所述第一导电类型半导体为P型半导体。
4.如权利要求1所述的具有改进终端的IGBT，其特征在于，所述终端集电极区分成相互连接的两块区域，第一块区域为第一导电类型半导体，第二块区域为第二导电类型半导体，所述终端集电极区的第二块区域邻接于元胞集电极区。
5.如权利要求4所述的具有改进终端的IGBT，其特征在于，所述终端集电极区的第二块区域的长度等于IGBT漂移区的厚度。
6.如权利要求1所述的具有改进终端的IGBT，其特征在于，所述终端集电极区的第一导电类型半导体的掺杂浓度与IGBT漂移区的掺杂浓度相同。
7.如权利要求1所述的具有改进终端的IGBT，其特征在于，所述终端集电极区的第一导电类型半导体的掺杂浓度大于IGBT漂移区的掺杂浓度。
8.如权利要求1所述的具有改进终端的IGBT，其特征在于，所述IGBT可以为平面栅IGBT或沟槽栅IGBT。
9.如权利要求1所述的具有改进终端的IGBT，其特征在于，还包括用于引出集电极的接触层，所述接触层邻接于所述IGBT集电极区之下，位于终端集电极区的第一导电类型半导体下面的接触层是氧化物层，其他的接触层为金属层。
10.如权利要求7所述的具有改进终端的IGBT，其特征在于，还包括用于引出集电极的接触层，所述接触层邻接于所述IGBT集电极区之下，所述接触层为金属层。
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