CN102157551A

CN102157551A - 一种具有载流子存储层和额外空穴通路的igbt

Info

Publication number: CN102157551A
Application number: CN 201110057088
Authority: CN
Inventors: 李泽宏; 张超; 张波
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2011-03-10
Filing date: 2011-03-10
Publication date: 2011-08-17

Abstract

一种具有载流子存储层和额外空穴通路的IGBT，属于半导体功率器件技术领域。本发明在传统的平面非穿通型绝缘栅双极型晶体管的基础上引入N型载流子存储层(5)和大的P⁺体区(4)结构。N型载流子存储层(5)提高了发射极附近的电导调制效应，大的P⁺体区(4)结构起到了为空穴提供额外通路的作用，提高了抗闩锁能力。且N型载流子存储层(5)和大的P⁺体区(4)的设计，优化了现有绝缘栅双极型晶体管的空穴电流的流通路径，使得器件的安全工作区得以扩大，闩锁电流密度对温度的敏感性降低。

Description

一种具有载流子存储层和额外空穴通路的IGBT

技术领域

一种具有载流子存储层和额外空穴通路的IGBT，属于半导体功率器件技术领域。

背景技术

IGBT(Insulate Gate Bipolar Transistor)绝缘栅双极晶体管是一种新型的电力半导体器件。现已成为电力电子领域的新一代主流产品。它是一种具有MOS输入、双极输出功能的MOS、双极相结合的器件。结构上，它是由成千上万个重复单元(即元胞)组成，并采用大规模集成电路技术和功率器件技术制造的一种大功率集成器件。

IGBT既有MOSFET的输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单、开关速度高的优点，又具有双极功率品体管的电流密度大、饱和压降低、电流处理能力强的优点。所以IGBT功率器件的三大特点就是高压、大电流、高速，这是其它功率器件不能比拟的。它是电力电子领域非常理想的开关器件。IGBT最大的优点是无论在导通状态还是在短路状态都可以承受电流冲击，其不足之处是高压IGBT内阻大，导致导通损耗大，在应用于高(中)压领域时，通常需多个串联，并且过压、过热、抗冲击、抗干扰等承受力较低。

自20世纪80年代初期，IGBT器件研制成功以来，其工艺技术和参数不断改进和提高，IGBT器件已由第一代发展到第六代，其电性能参数日益完善。但是在向高频大功率化的发展方面，仍需在减小通态压降和增加开关速度之间进行折衷。

20世纪80年代初期研制的IGBT称为平面穿通型绝缘栅双极型晶体管(PT-IGBT)，其结构如图1所示，它是在高浓度的P⁺衬底15上依次外延生长N型缓冲层16、N^-漂移区3后制造成的绝缘栅双极型晶体管结构。由于存在N型缓冲层16，电场在N型缓冲层16中将得到终止，从而形成一个梯形的电场分布，如图1所示，故可利用较薄的N^-漂移区3即可得到较高的击穿电压，有利于降低导通电阻，从而降低静态功耗，但是由于P⁺衬底15相对较厚，离子注入浓度很高，使得背发射结的注入效率很高，关断时电子基本不能从背发射区流出，只能靠在漂移区的复合消失，从而其关断时间很长，增大了开关损耗。为了改善其开关特性，必须控制少子寿命，已有人采用诸如电子辐照、氦离子注入的方法降低少子寿命，也有人用掺入重金属元素控制少子寿命。但是，这样一来，会导致整个器件的导通压降成负温系数，这种导通压降的负温系数特性不利于绝缘栅双极型晶体管的并联使用，因为如果其中一支绝缘栅双极型晶体管的电流偏大一些，热电正反馈效应会使电流越来越集中在这支绝缘栅双极型晶体管中，使其温度越来越高，最终导致器件烧毁。而且绝缘栅双极型晶体管的正向导通和开关特性对少子寿命的控制有相反的要求，即少子寿命的减小，会导致正向导通压降增大，这些都会对性能控制和制造工艺带来一定难度。此外，在制造大于600V的高压穿通型绝缘栅双极型晶体管时，所需外延层厚度的增加，使得制造成本大大增加。

针对穿通型绝缘栅双极型晶体管的缺点，人们开发了平面非穿通型绝缘栅双极型晶体管，其结构如图2所示。它最主要的变革是：采用了高电阻率的FZ(区熔)单晶替换昂贵的外延片，晶体完整性和均匀性得到充分满足，在硅片背面用注入和退火的方法形成发射效率较低且较薄的P区。这一股称之为“透明集电区”，采用“透明集电区”技术，可以使得绝缘栅双极型晶体管在关断时，N^-漂移区的大量过剩电子可以以扩散的方式穿透极薄的P区，而达到快速关断的效果。由于采用了透明集电区技术，使得非穿通型绝缘栅双极型晶体管与穿通型绝缘栅双极型晶体管相比，具有以下主要性能特点：导通压降呈正温度系数，功耗和电流拖尾现象随温度的变化较小；由于对纵向PNP的发射效率有所降低和控制，明显改善了关断的延迟；因不用外延片和不用寿命控制技术而成本低。但是由于电场分布为三角形分布，随着IGBT在高压领域的广泛应用，N^-漂移区的厚度也越来越厚，使得非穿通型IGBT的损耗变得尤为严重，尤其是导通损耗和关断损耗。这主要是由于非穿通型绝缘栅双极型晶体管的N^-漂移区3太厚造成的，空穴自器件底部P型集电极注入后，浓度会不停的衰减，导致在器件顶部空穴浓度降低，电导调制效应将会明显减弱，特别是在靠近发射极的N^-漂移区和JFET区，导通损耗增加将更为显著；并且N^-漂移区太厚，在器件开通时，会在N^-漂移区存储大量的载流子，从而造成了关断速度的降低，增加了关断损耗。所以，只通过降低背发射区注入效率来折衷导通压降和关断损耗的矛盾关系，其作用是很有限的。文献K.Sheng，F.Udrea，G.A.J.Amaratunga，“Optimum carrier distribution of the IGBT”(绝缘栅双极型晶体管载流子浓度分布的优化)，Solid-State Electronics 44，1573-1583，2000指出，要实现正向导通压降和关断损耗之间较好的优化，这和载流子在N^-漂移区的分布密切相关，增大发射极一侧载流子的浓度，降低集电极一侧载流子的浓度有利于实现它们之间更好的优化。

IGBT作为一种依靠绝缘栅来控制开关状态的自关断器件，这种新型电力电子器件在导通状态利用栅电压来维持，一旦栅电压消失则器件关断；但是因为器件中包含了PNPN四层结构的寄生晶闸管，而晶闸管一旦导通之后就会一直保持，只要其通态电流不低于某个较小的维持电流，关断与触发信号是否继续存在无关，这种现象叫闩锁(latch-up)。闩锁的发生使得IGBT丧失了通过门极来实现由通到断的转换能力，对其应用带来诸多限制。所以我们要来抑制寄生晶闸管的开启，来提高闩锁电流，只有这样才能提高IGBT的额定电流和增大其安全工作区。

IGBT抗闩锁设计简而言之就是使器件在额定电流下流过寄生晶闸管的电流不足以使寄生晶闸管发生闩锁。在PNPN四层结构中，α_PNP和α_NPN的大小直接影响着IGBT寄生晶闸管的闩锁电流大小。为了抑制闩锁需要减小α_PNP和α_NPN大小，而往往这两个参数的减小都会伴随电流能力的减小。IGBT的主要特性就是低导通损耗，可以应用在高压领域，但是高压应用时，环境条件恶劣，IGBT除了需要优良的导通特性更需要能有较高的可靠性。因此，对于IGBT的研究我们不能仅仅注视着其简单的导通工作特性，而同时应当提高它的可靠性，实现静态损耗和可靠性的良好折衷。

发明内容

本发明所提供一种具有载流子存储层和额外空穴通路的IGBT，通过引入N型载流子存储层，阻止空穴通过载流子存储层进入P型基区被阴极收集，从而增大载流子存储层下方的少子浓度，增强了此位置的电导调制效应；通过大的P⁺体区的设计，相对于传统IGBT增加了一条额外的空穴通道，使部分空穴能够通过此通路进入阴极，减小了P型基区中空穴电流的大小，从而防止寄生晶闸管的开启，能够有效防止闩锁的发生；并且通过N型载流子存储层和大P⁺体区的设计，优化了传统IGBT的空穴电流的流通路径，使得本发明具有较强的抗闩锁能力，且闩锁电流密度对温度的敏感性降低。

本发明技术方案如下：

一种具有载流子存储层和额外空穴通路的IGBT，如图3所示，其单个元胞包括位于P型集电区2背面的金属化集电极1、P型集电区2、位于P型集电区2正面的N^-漂移区3；包括位于N^-漂移区3顶部、与金属化发射极10和栅氧化层9二者部分接触的N⁺型源区7，与栅氧化层9接触且半包围N⁺型源区7的P型基区6；还包括与栅氧化层9接触且半包围P型基区6的N型载流子存储层5；还包括一个P⁺体区4，所述P⁺体区4位于与金属化发射极10下方，与金属化发射极10、N⁺型源区7、P型基区6、N型载流子存储层5和N^-漂移区3均接触的P⁺体区4；所述P⁺体区4的体积与N⁺型源区7、P型基区6和N型载流子存储层5三者体积之和相当。

本发明提供的具有载流子存储层和额外空穴通路的IGBT，可以克服传统平面非穿通型绝缘栅双极型晶体管抗闩锁能力差、安全工作区小的缺点，现以图3为例，说明本发明的工作原理。

本发明所提供的具有载流子存储层和额外空穴通路的IGBT，在传统的平面非穿通型绝缘栅双极型晶体管的基础上加以改进，引入N型载流子存储层5和大的P⁺体区4结构。N型载流子存储层5位于P型基区6的下方，实现增大发射极附近的空穴浓度，减小JFET效应和扩充电流路径的作用；大的P⁺体区4结构位于P型基区6的另一侧和与N^-漂移区3相连，实现为空穴提供额外通路，抑制闩锁发生的作用，在器件耐压时，大的P⁺体区4与N^-漂移区3形成的耗尽层与P型基区6形成的耗尽层相连，实现耐压，在器件正向导通时，N型载流子存储层5起到降低通态压降的作用。当器件开启时，电子电流由N⁺型源区7流出，经过沟道流向JFET区，由于N型载流子存储层5的浓度比N^-漂移区3高，会使JFET效应减弱，从而减小了JFET区的电阻；当电子电流从JFET区流出，会进入梯形区，梯形区的电阻较高，而由于P型基区6的下方存在浓度较高的N型载流子存储层5，会扩充电子电流的面积，从而进一步降低通态电阻；N型载流子存储层5与N^-漂移区3形成的内建电场，从N型载流子存储层5指向N^-漂移区3，从而形成一个空穴势垒，使空穴在沟道附近堆积，这增大了发射极一侧的载流子浓度，增大了电导调制效应。宽大的P⁺体区4结构，使空穴不仅能够通过传统的绝缘栅双极型晶体管的P型基区进入阴极，而且为空穴提供了一条额外的空穴通路，使空穴能够通过宽大的P⁺体区4的上半部分(传统缘栅双极性晶体管的沟道部分)进入阴极，从而极大的增大了空穴通路的面积，减小了流经P型基区6中的空穴电流的大小，有效防止了寄生NPN管的开启，实现了较强的抗闩锁能力，提高了器件的可靠性与安全工作区。传统的平面非穿通型绝缘栅双极型晶体管的闩锁电流密度随温度升高迅速减小，这主要是两个原因引起的：首先，温度升高使得P型基区的电阻变大，一定的空穴电流就会使寄生NPN管开启；其次，温度升高PNP管的增益变大，导致了更大的导通电流密度。而本发明提供的具有载流子存储层和额外空穴通路的绝缘栅双极型晶体管，由于N型载流子存储层5的阻挡和大的P⁺体区4的分流，使得P型基区6中的空穴电流减小，改变了传统绝缘栅双极性晶体管的空穴电流的流通路径，在一定程度上抑制了闩锁电流密度随温度升高而减小的效应，从而使得器件的热稳定性更强。

综上所述，本发明提供的具有载流子存储层和额外空穴通路的IGBT，由于采用了N型载流子存储层5和大的P⁺体区4结构，实现静态损耗和可靠性的良好折衷。N型载流子存储层5提高了发射极附近的电导调制效应，大的P⁺体区4结构起到了为空穴提供额外通路的作用，提高了抗闩锁能力。且N型载流子存储层5和大的P⁺体区4的设计，优化了现有绝缘栅双极型晶体管的空穴电流的流通路径，使得器件的安全工作区得以扩大，闩锁电流密度对温度的敏感性降低。

附图说明

图1是传统的平面穿通型IGBT的结构示意图。

图2是传统的平面非穿通型IGBT的结构示意图。

图3是本发明提供的具有载流子存储层和额外空穴通路的IGBT的结构示意图。

图4是仿真采用的具有载流子存储层和额外空穴通路的IGBT的元胞结构示意图。

图5是仿真采用的传统的平面非穿通型IGBT的结构示意图。

图6是本发明提供的具有载流子存储层和额外空穴通路的IGBT和传统平面非穿通型IGBT在栅压为25伏、集电极电压为20伏时的电流分布的比较图。

其中，左图为传统平面非穿通型IGBT的电流分布图；右图为本发明提供的具有载流子存储层和额外空穴通路的IGBT的电流分布图。

图7是本发明提供的具有载流子存储层和额外空穴通路的IGBT和与传统平面非穿通型IGBT在栅压为25伏、集电极电压为20伏时，X＝18um处的空穴浓度分布的比较图。

其中，Conventional IGBT是指传统平面非穿通型IGBT，New IGBT是指本发明提供的一种具有载流子存储层和额外空穴通路的IGBT。

图8是本发明提供的具有载流子存储层和额外空穴通路的IGBT与传统平面非穿通型IGBT在栅压为25伏、集电极电压为20伏时，X＝4um处的空穴浓度分布的比较图。

其中，Conventional IGBT是指传统平面非穿通型IGBT，New IGBT是指本发明提供的具有载流子存储层和额外空穴通路的IGBT。

图9是本发明提供的具有载流子存储层和额外空穴通路的IGBT与传统平面非穿通型IGBT室温下IV特性的比较图。

图10是传统平面非穿通型IGBT在300K和375K的IV特性的比较图。

图11是本发明提供的具有载流子存储层和额外空穴通路的IGBT在300K和375K的IV特性的比较图。

图12是本发明提供的具有载流子存储层和额外空穴通路的IGBT与传统平面非穿通型IGBT在300K和375K温度下的IV特性的比较图。

具体实施方式

借助MEDICI仿真软件，对所提供的如图4所示的一种具有载流子存储层和额外空穴通路的IGBT的元胞结构进行仿真，与如图5所示的传统平面非穿通型IGBT进行仿真比较。仿真模拟薄片工艺制造的600伏的IGBT，传统非穿通型IGBT的仿真参数为P型集电区掺杂1×10¹⁸cm^-3，厚度为5μm；N^-漂移区掺杂1×10¹⁴cm^-3，厚度为90μm；栅氧化层厚度为30nm，N⁺型源区掺杂1×10²⁰cm^-3，P型基区掺杂5×10¹⁷cm^-3，P⁺体区掺杂1×10¹⁹cm^-3，仿真半元胞宽度为35μm，热阻为1×10⁵K·um/W。本发明提供的具有载流子存储层和额外空穴通路的IGBT仿真参数为P型集电区掺杂1×10¹⁸cm^-3，厚度为5μm；N^-漂移区掺杂1×10¹⁴cm^-3，厚度为90μm；栅氧化层厚度为30nm，N⁺型源区掺杂1×10²⁰cm^-3，P型基区掺杂5×10¹⁷cm^-3，N型载流子存储层掺杂2×10¹⁵cm^-3，P⁺体区掺杂1×10¹⁹cm^-3，元胞宽度为35μm，热阻为1×10⁵K·um/W。图6为正向导通状态下，栅压为25伏、集电极电压为20伏时，本发明提供的具有载流子存储层和额外空穴通路的IGBT和传统平面非穿通型IGBT的电流分布的比较图，左边为传统平面非穿通型IGBT的电流分布，右边为本发明提供的具有载流子存储层和额外空穴通路的IGBT的电流分布。从图中可以看出，新结构的大的P⁺体区确实起到了为空穴提供额外通路的作用。图7为本发明提供的具有载流子存储层和额外空穴通路的IGBT与传统平面非穿通型IGBT在X＝18um、P型基区下方的空穴浓度分布的比较图，X＝18um处即N型载流子存储层下方。由图可知，由于有载流子存储层的存在，使得本发明提供的IGBT在此处的空穴浓度大为提高，导致了电导调制效应增强，在一定程度上降低器件的通态压降。图8为本发明提供的具有载流子存储层和额外空穴通路的IGBT与传统平面非穿通型IGBT在X＝4um处的空穴浓度分布的比较图，X＝4um处即为大的P⁺体区的下方。从图可以看出，由于有大的P⁺体区的存在，为空穴提供了额外的通路，此处的空穴浓度明显减低，这说明大的P⁺体区起到了旁路空穴电流的作用。图9为室温下本发明提供的具有载流子存储层和额外空穴通路的IGBT与传统平面非穿通型IGBT的IV特性的比较图。栅压为25V，热阻设置为1×10⁵(K·micro/W)。从图中可以看出，本发明的抗闩锁能力高于传统平面非穿通型IGBT。图10为传统平面非穿通型IGBT在不同温度下的IV特性的比较图。图11为本发明提供的具有载流子存储层和额外空穴通路的IGBT在不同温度下的IV特性的比较图。从图可以看出，温度升高，闩锁越容易发生，而本发明的抗闩锁能力对温度的敏感性要优于传统平面非穿通型IGBT。图12为本发明提供的具有载流子存储层和额外空穴通路的IGBT与传统平面非穿通型IGBT在300K和375K温度下的IV特性的比较图。从图可以看出，在不同的温度下，本发明所提供的晶体管闩锁电流都要大于传统的平面非穿通型IGBT。

本发明提供的具有载流子存储层和额外空穴通路的IGBT，由于采用了N型载流子存储层5和大的P⁺体区4结构，可以提高抗闩锁能力，实现静态损耗和可靠性的良好折衷，优化了现有IGBT的空穴电流的流通路径，使得器件的安全工作区扩大，抗闩锁能力对温度的敏感性降低。

本发明提供的具有载流子存储层和额外空穴通路的IGBT，其具体实现方法包括：选取N型<100>晶向区熔单晶衬垫，场氧化，光刻有源区，栅氧化，淀积多晶硅，光刻多晶硅，N型载流子存储层注入及退火，P型基区注入及退火，N⁺源区光刻及注入，沉积氧化层，刻引线孔，倾斜角度大P⁺体区注入，P⁺体区推阱，沉积发射极金属，发射极金属曝光与刻蚀，背面透明集电极注入及退火，背面金属化，钝化等等。

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：大P⁺体区结构4，可以每隔一个或多个增强型绝缘栅双极型晶体管元胞结构14设置一个；或将具有载流子存储层和额外空穴通路的绝缘栅双极型晶体管元胞结构与传统绝缘栅双极型晶体管元胞结构结合在一起等。

制作器件时还可用碳化硅、砷化镓、磷化铟或锗硅等半导体材料代替体硅。

Claims

1.一种具有载流子存储层和额外空穴通路的IGBT，其单个元胞包括位于P型集电区(2)背面的金属化集电极(1)、P型集电区(2)、位于P型集电区(2)正面的N^-漂移区(3)；包括位于N^-漂移区(3)顶部、与金属化发射极(10)和栅氧化层(9)二者部分接触的N⁺型源区(7)，与栅氧化层(9)接触且半包围N⁺型源区(7)的P型基区(6)；其特征在于：还包括与栅氧化层(9)接触且半包围P型基区(6)的N型载流子存储层(5)和一个P⁺体区(4)，所述P⁺体区(4)位于与金属化发射极(10)下方，与金属化发射极(10)、N⁺型源区(7)、P型基区(6)、N型载流子存储层(5)和N^-漂移区(3)均接触的P⁺体区(4)；所述P⁺体区(4)的体积与N⁺型源区(7)、P型基区(6)和N型载流子存储层(5)三者体积之和相当。