CN102169892B

CN102169892B - 一种增强型平面绝缘栅双极型晶体管

Info

Publication number: CN102169892B
Application number: CN2011100561407A
Authority: CN
Inventors: 李泽宏; 张超; 肖璇; 吴宽; 姜贯军; 余士江; 谢家雄
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China; Institute of Electronic and Information Engineering of Dongguan UESTC
Priority date: 2011-03-09
Filing date: 2011-03-09
Publication date: 2012-11-07
Anticipated expiration: 2031-03-09
Also published as: CN102169892A

Abstract

一种增强型平面绝缘栅双极型晶体管，属于半导体功率器件技术领域。本发明在现有增强增强型平面绝缘栅双极型晶体管基础上，引入一个由P⁺体区和槽型金属化发射极构成的空穴旁路结构；在传统平面非穿通型绝缘栅双极型晶体管的基础上，引入由N型空穴势垒层和N^-漂移区形成的JFET效应削弱结构，N型空穴势垒层所形成的扩充电流路径结构。N型空穴势垒层能够增大器件靠近发射极一侧的电导调制效应，减小JFET效应，并增加电子电流的流经面积，减小通态压降；槽型空穴旁路结构能够提高闩锁电流密度，加速空穴抽取，从而提高关断速度；且P⁺体区增大耗尽区面积，提高了击穿电压；槽型金属化发射极还能进一步减小器件的电阻，降低通态压降。

Description

一种增强型平面绝缘栅双极型晶体管

技术领域

一种增强型平面绝缘栅双极型晶体管，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。这一般称之为“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。

为了实现更好的导通压降和关断损耗之间的折衷，文献M.Mori，Y.Uchino，J.Sakano，andH.Kobayashi，“A Novel High-Conductivity IGBT(HiGT)with a Short Circuit Capability”(一种新型的具有短路能力的高电导绝缘栅双极型晶体管)，Proceedings of 1998 InternationalSymposium on Power Semiconductor Devices & ICs，Kyoto，文献M.Rahimo，A.Kopta，S.Linder“Novel Enhanced-Planar IGBT Technology Rated up to 6.5kV for Lower Losses and Higher SOACapability”(6.5kV的拥有更低损耗和更高安全工作区能力的平面增强型绝缘栅双极型晶体管)，Proceedings of the 18th International Symposium on Power Semiconductor Devices & IC′s都提出一种平面增强型的绝缘栅双极型晶体管结构，其结构如图3所示，通过两次注入，形成了一个全包围P型基区6的空穴势垒层17。全包围空穴势垒层17和N^-漂移区3形成的指向N^-漂移区3的电场阻止了空穴向P型基区6的流动，从而增加了器件顶部的空穴浓度，增大了电导调制效应。但是由于全包围空穴势垒层17的浓度较N^-漂移区3高，电场会在其中下降较快，电场分布如图3所示，而且会使器件耐压时耗尽区面积减小，造成器件耐压能力的下降；并且全包围N型空穴势垒层17和N^-漂移区3形成内建电场在器件栅关断时，也会阻止空穴向P型基区6流动，使得大量的空穴只能通过复合消失，造成器件关断时间延长；而且在器件导通时器件顶部堆积的大量空穴一旦突破空穴势垒层17，极易引起器件的闩锁。所以文献所指出的结构的正向导通压降和关断损耗之间的优化还可再进一步提高，而且击穿电压也可以进一步提高。

发明内容

本发明所提供一种增强型平面绝缘栅双极型晶体管，通过引入半包围N型空穴势垒层，增大器件靠近发射极一侧的电导调制效应，减小了JFET效应，并增加了电子电流的流经面积，这都减小了通态压降；通过槽型空穴旁路结构的引入，提高了闩锁电流密度，有效的防止了闩锁的发生；在器件关断时，空穴电流能够通过槽型空穴旁路结构进入阴极，而不存在势垒的阻挡，从而提高关断速度；并且槽型空穴旁路结构的P⁺体区4与N^-漂移区构成的PN结，反向耐压时增大了耗尽区面积，提高了击穿电压；槽型空穴旁路结构的槽型金属化发射极可以进一步减小器件的电阻，降低通态压降，并且金属位于体硅内部，更有利于散热；通过调整半包围N型空穴势垒层的浓度和厚度，可以使此种增强型的绝缘栅双极型晶体管无需JFET注入，减少了热时间，节约了成本。

本发明技术方案如下：

一种增强型的平面绝缘栅双极型晶体管，如图4所示，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，还包括金属化发射极10、位于N^-漂移区3顶部且与金属化发射极10接触的N⁺型源区7、N^-漂移区3中包围N⁺型源区7的P型基区6、N^-漂移区3中包围P型基区6的N型空穴势垒层5；相邻两个元胞的N型空穴势垒层5之间不相连。所述金属化发射极10为槽型金属化发射极，它的槽型部分向下穿过N⁺型源区7并延伸入P型基区6；在金属化发射极10的槽型部分下方还具有一个与金属化发射极10的槽型部分相连的P⁺体区4，所述P⁺体区4穿过N型空穴势垒层5与N^-漂移区3相连。

本发明提供的一种增强型的平面绝缘栅双极型晶体管，可以克服传统平面非穿通型绝缘栅双极型晶体管导通压降大的缺点，可以克服传统平面增强型非穿通型绝缘栅双极型晶体管的关断损耗大、击穿电压低的缺点，获得较好的导通压降和关断损耗之间的折衷，现以图4为例，说明本发明的工作原理。

本发明提供的增强型平面绝缘栅双极型晶体管，如图4所示，在图3所示现有的增强增强型平面绝缘栅双极型晶体管基础上，多出一个由P⁺体区4和槽型金属化发射极10所构成的槽型空穴旁路结构12。在图2所示传统的平面非穿通型绝缘栅双极型晶体管的基础上，引入一个由相邻两个元胞的N型空穴势垒层5和它们之间的N^-漂移区3共同形成的JFET效应削弱的结构11，还多出一个半包围N型空穴势垒层5所形成的扩充电流路径结构13。

半包围N型空穴势垒层5区别于传统平面增强型非穿通型绝缘栅双极型晶体管的空穴势垒层17，它只存在于P型基区6的下方，并不是全包围P型基区6。槽型空穴旁路结构12由槽型金属化发射极10和P⁺体区4构成，此结构穿过P型基区6直接和N^-漂移区3相连。在器件正向导通时，半包围N型空穴势垒层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，由于半包围N型空穴势垒层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，通过调整N型空穴势垒层5的厚度与浓度达到适当值，可以省去传统的非穿通型绝缘栅双极型晶体管工艺中的JFET注入，减少了热时间，节约了成本；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型空穴势垒层5，会扩充电子电流的面积，从而进一步降低通态电阻；半包围N型空穴势垒层5与N^-漂移区3形成的内建电场，从N型空穴势垒层5指向N^-漂移区3，从而形成一个空穴势垒，使空穴在发射极附近堆积，这增大了发射极一侧的载流子浓度，增大了电导调制效应，使通态压降降低。另外，除电子电流产生通态压降外，空穴电流也产生通态压降，所以引入槽型金属化发射极10和P⁺体区4来降低空穴的通态压降。并且槽型金属化发射极10位于体硅的内部，有利于散热，可以提高器件的热特性。槽型金属化发射极10和P⁺体区4共同构成了槽型空穴旁路结构12，使空穴能够通过槽型空穴旁路结构12进入阴极，减小P型基区6中的空穴电流，有效防止了因器件顶部堆积的大量空穴所引发的闩锁效应。在器件关断时，N^-漂移区3中的电子会经过P型集电区2由阳极吸收，空穴会通过P⁺体区4由阴极吸收，不存在空穴的势垒，加快了关断速度；而且P⁺体区4下方由于无空穴势垒层，减少此位置空穴的堆积，优化了载流子的浓度分布，实现通态压降和关断速度的更好折中。在器件耐压时，由于P⁺体区4下方没有空穴势垒层，这就扩大了P⁺体区4和N^-漂移区3形成的耗尽层的面积，并与P型基区6的耗尽层连做一体，实现击穿电压的提高。

综上所述，本发明提供的一种增强型的平面绝缘栅双极型晶体管，由于采用了半包围的空穴势垒层和槽型空穴旁路结构，在降低通态压降的同时，也降低了关断损耗。与传统平面非穿通型绝缘栅双极型晶体管相比，在关断时间一样的情况下，通态压降下降了约0.25v；与文献中所给出的传统的平面增强型绝缘栅双极型晶体管相比，在通态压降一样的情况下，关断时间有所下降，击穿电压提高约50v，并具有更强的抗闩锁能力。

附图说明

图1是传统的平面穿通型绝缘栅双极型晶体管结构及内建电场示意图。

其中，1是金属化集电极，15是P⁺衬底，16是N型缓冲层，3是N^-漂移区，4是P⁺体区，6是P型基区，7是N⁺型硅源区，8是多晶硅栅电极，9是二氧化硅栅氧化层，10是金属化发射极。

图2是传统的平面非穿通型绝缘栅双极型晶体管结构及内建电场示意图。

其中，1是金属化集电极，2是P型集电区，3是N^-漂移区，4是P⁺体区，6是P型基区，7是N⁺型硅源区，8是多晶硅栅电极，9是二氧化硅栅氧化层，10是金属化发射极。

图3是传统的平面增强型绝缘栅双极型晶体管结构及内建电场示意图。

其中，1是金属化集电极，2是P型集电区，3是N^-漂移区，6是P型基区，7是N⁺型硅源区，8是多晶硅栅电极，9是二氧化硅栅氧化层，10是金属化发射极，17是全包围的空穴势垒层。

图4是本发明提供的一种增强型平面绝缘栅双极型晶体管结构示意图。

其中，1是金属化集电极，2是P型集电区，3是N^-漂移区，4是P⁺体区，5是N型空穴势垒层，6是P型基区，7是N⁺型硅源区，8是多晶硅栅电极，9是二氧化硅栅氧化层，10是槽型金属化发射极，11是N型空穴势垒层构成的JFET削弱结构，12是槽型空穴旁路结构，13是N型空穴势垒层构成的电流路径扩充结构。

图5是仿真采用的传统的平面非穿通型绝缘栅双极型晶体管结构示意图。

图6是仿真采用的传统的平面增强型绝缘栅双极型晶体管结构示意图。

图7是仿真采用的本发明提供的增强型平面绝缘栅双极型晶体管(半个元胞)结构示意图。

图8是传统平面非穿通型绝缘栅双极型晶体管和本发明提供的增强型平面绝缘栅双极型晶体管在栅极电压为15v、阳极电压为4v时导通压降的比较图。

其中，Conventional IGBT是指传统平面非穿通型绝缘栅双极型晶体管，New IGBT是指本发明所提供的增强型平面绝缘栅双极型晶体管。

图9是传统平面非穿通型绝缘栅双极型晶体管和本发明提供的增强型平面绝缘栅双极型晶体管在栅极电压为15v、阳极电压为4v时x＝15um位置空穴浓度分布的比较图。

其中，Conventional IGBT是指传统的平面非穿通型绝缘栅双极型晶体管，New IGBT是指本发明所提供的增强型平面绝缘栅双极型晶体管。

图10是传统的平面增强型绝缘栅双极型晶体管和本发明提供的增强型平面绝缘栅双极型晶体管的击穿电压的比较图。

其中，EP IGBT是指传统的平面增强型绝缘栅双极型晶体管，New IGBT是指本发明所提供的增强型平面绝缘栅双极型晶体管。

图11是传统的平面增强型绝缘栅双极型晶体管和本发明提供的增强型平面绝缘栅双极型晶体管在栅极电压为10v、阳极电压为300v时关断时间的比较图。

图12是本发明提供的增强型平面绝缘栅双极型晶体管在栅压为15伏、集电极电压为4伏时N^-漂移区中的空穴浓度、电子浓度的2维分布图及电流分布曲线。

其中，左图为栅压15伏、集电极电压4伏时空穴浓度的2维分布图；中图为栅压15伏、集电极电压4伏时电子浓度的2维分布图；右图为栅压15伏、集电极电压4伏时的电流分布曲线。

具体实施方式

采用本发明的一种增强型的平面绝缘栅双极型晶体管，可以实现低的导通压降，低的关断时间，高的耐压和抗闩锁能力，实现更好的正向导通损耗和关断损耗之间的折衷。

借助MEDICI仿真软件，对所提供的如图4所示的一种增强型平面绝缘栅双极型晶体管中的半个元胞(如图7所示)进行仿真，与如图5所示的传统平面非穿通型绝缘栅双极型晶体管和如图6所示的传统的平面增强型绝缘栅双极型晶体管进行了仿真比较。仿真模拟薄片工艺制造的600伏的绝缘栅双极型晶体管，传统非穿通型绝缘栅双极型晶体管的仿真参数为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⁺型硅源区掺杂1×10²⁰cm^-3，P型基区掺杂4×10¹⁷cm^-3，P⁺体区掺杂1×10¹⁹cm^-3，仿真半元胞宽度为30μm；传统的平面增强型绝缘栅双极型晶体管的仿真参数为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⁺型硅源区掺杂1×10²⁰cm^-3，P型基区掺杂4×10¹⁷cm^-3，全包围空穴势垒层掺杂1×10¹⁵cm^-3，仿真半元胞宽度为30μm；所提供的一种增强型的平面绝缘栅双极型晶体管仿真参数为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⁺型硅源区掺杂1×10²⁰cm^-3，P型基区掺杂4×10¹⁷cm^-3，半包围空穴势垒层掺杂1×10¹⁵cm^-3，P⁺体区掺杂1×10¹⁹cm^-3，元胞宽度为30μm。在栅压为15伏，集电极电压为4伏时，本发明提供的增强型平面绝缘栅双极型晶体管和传统平面非穿通型绝缘栅双极型晶体管的通态压降比较如图8所示，在阳极电流为1E-4A/um时，新结构的通态压降下降了约0.25v。图9为本发明提供的增强型平面绝缘栅双极型晶体管和传统平面非穿通型绝缘栅双极型晶体管的空穴浓度分布比较，由图可知，由于有空穴势垒层的存在，使得器件在靠近发射极处的空穴浓度大为提高，导致器件的整体电导调制效应增强，提高N型漂移区的载流子浓度，降低器件的通态压降。图10为本发明提供的增强型平面绝缘栅双极型晶体管和传统平面增强型绝缘栅双极型晶体管的击穿电压的对比，从图可以看出，在电流达到1E-8A/um时，新结构的击穿电压提高了约50v。这是由于采用半包围N型空穴势垒层(5增大了耗尽区面积的缘故。图11为本发明提供的增强型平面绝缘栅双极型晶体管和传统平面增强型绝缘栅双极型晶体管的关断时间的对比，从图中可以看出，新结构的关断时间变短，从而降低了关断损耗。图12为本发明提供的增强型平面绝缘栅双极型晶体管在栅压为15伏、集电极电压为4伏时的N型漂移区中的空穴浓度，电子浓度的二维分布图及电流分布曲线。由图可知，由于有半包围的空穴势垒层的存在，使得绝缘栅双极型晶体管的JFET区和N型漂移区的载流子浓度得以提高，实现了有效的电导调制，降低了通态压降；并且电流分布更为均匀，有助于正向导通压降和反向关断损耗之间的矛盾关系得到了更好的折衷；部分空穴电流通过槽型空穴旁路结构12进入阴极，有效的防止了闩锁效应的发生。

本发明提供的增强型平面绝缘栅双极型晶体管，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，空穴势垒层磷注入，P型基区注入，P型基区推阱，N⁺源区光刻及注入，沉积氧化层，刻引线孔与槽型发射极，P⁺体区注入与推阱，沉积金属，金属曝光刻蚀，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：可以调整半包围空穴势垒层的形貌剂量等；或可以采用全包围空穴势垒层设计，然后每隔一个或多个耗绝缘栅双极型晶体管元胞(14)设置槽型空穴旁路结构(12)，且槽内填充金属可由其他材料代替等。

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

1.一种增强型的平面绝缘栅双极型晶体管，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)，还包括金属化发射极(10)、位于N^-漂移区(3)顶部且与金属化发射极(10)接触的N⁺型源区(7)、N^-漂移区(3)中包围N⁺型源区(7)的P型基区(6)、N^-漂移区(3)中包围P型基区(6)的N型空穴势垒层(5)；相邻两个元胞的N型空穴势垒层(5)之间不相连；其特征在于：所述金属化发射极(10)为槽型金属化发射极，它的槽型部分向下穿过N⁺型源区(7)并延伸入P型基区(6)；在金属化发射极(10)的槽型部分下方还具有一个与金属化发射极(10)的槽型部分相连的P⁺体区(4)，所述P⁺体区(4)穿过N型空穴势垒层(5)与N^-漂移区(3)相连。