CN102354707A

CN102354707A - 一种抗闩锁效应的绝缘栅双极型晶体管

Info

Publication number: CN102354707A
Application number: CN2011103287692A
Authority: CN
Inventors: 李泽宏; 杨文韬; 张金平; 张波
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: 2011-10-26
Filing date: 2011-10-26
Publication date: 2012-02-15

Abstract

一种抗闩锁效应的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，属于功率半导体器件技术领域。本发明利用离子注入、沉积或热生长方法或直接使用部分SOI硅片，在P型基区和N^-漂移区之间的界面处设置一层隔离介质层，阻断N^-漂移区中的空穴电流经过P型基区流进N型源区的电流通路，可以有效防止IGBT结构中寄生NPN晶体管的开启，避免IGBT中NPNP结构所导致的闩锁效应，从而提高器件的电流承载能力，提供更大的安全工作区。本发明提供的绝缘栅双极型晶体管可适用于从小功率到大功率的半导体功率器件和功率集成电路领域。

Description

一种抗闩锁效应的绝缘栅双极型晶体管

技术领域

本发明属于功率半导体器件技术领域，涉及绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，更具体的说，涉及抗闩锁效应的IGBT器件。

背景技术

功率器件作为当代电力电子技术不可或缺的核心器件，近几十年来得到了飞速的发展。随着研究的不断深入，功率器件一直向着高频率，高耐压，低损耗的方向发展。IGBT作为一种栅极控制的开关器件，利用电导调制效应降低了器件的导通压降，迎合了功率器件的发展方向，成为了中高压开关，中频变频器不可或缺的功率产品。

传统的IGBT器件结构如图1所示，N型源区8，P型基区7，N^-漂移区3和P⁺集电区2形成类似于晶闸管的PNPN四层结构。IGBT的PNPN四层结构可以看作一个PNP晶体管同一个NPN晶体管的连接。其中PNP晶体管的发射极为IGBT的集电极1，接高电位；PNP晶体管的基极同NPN晶体管的集电极是同一个区域，即IGBT的N^-漂移区3；PNP管的集电极同NPN管的基极相连是同一个区域，即IGBT的P型基区7；NPN管的发射极为IGBT的发射极10，接低电位。在正向导通状态下，IGBT栅极5为高电位，IGBT结构的MOS沟道开启，有大量电子流入N^-漂移区(即PNP管基极)。同时，IGBT的集电极即PNP晶体管的发射极为高电位，此时，PNP管中发射极压降超过PN结开启电压，使PNP管的发射区向N^-漂移区中注入大量空穴，在N^-漂移区内形成大注入效应，从而获得低的正向导通压降。在正常工作情况下，由于NPN管的共基极放大系数较小，NPN管的发射结压降较低无法使NPN管开启，因而不会发生晶闸管的闩锁效应。但当IGBT的电流较大或P型基区的电阻过高，在IGBT P型基区两端的压降超过PN结开启电压时，将使NPN管的发射极压降超过开启电压导致NPN管导通，发生闩锁效应。此时PNPN结构相当于开启状态下的晶闸管，当α_PNP+α_NPN≥1时无论沟道是否开启，电流形成一个正反馈不会消失，栅极失去对IGBT的开关控制作用。此时由于电流的正反馈，器件电流会不断增加，最终烧毁芯片。由于这个寄生NPN晶体管的存在，IGBT在一定情况下就有发生闩锁效应的风险。因而，在设计IGBT芯片时，如何避免闩锁效应的发生是一个必须解决的问题。

目前为了避免IGBT器件闩锁效应的发生，采取的措施主要有：1)降低PNP管共基极电流增益α_PNP。由于导致NPN管PN结开启的压降是由空穴电流造成的，降低α_PNP有助于减小空穴电流，从而达到避免NPN管PN结开启的效果。然而这会导致N^-漂移区的电导调制效应降低，使器件的正向压降增大，这是不希望看到的。2)降低P型基区的电阻率。降低P型基区电阻率，能使器件在PN结开启前承受更大的电流。但是，随着电阻率的降低，掺杂浓度也会增大，这不利于MOS沟道反型层的形成，会导致器件阈值电压过大。3)减小N型源区的长度。N型源区下部的P型基区的电阻大小与N型源区的长度成正比，通过减小N型源区的长度可以减小P型基区的电阻，但这受到工艺条件的限制。

因而，如何在影响IGBT器件的正向压降，阈值电压和N型有源区长度的条件下，提高IGBT器件的抗闩锁能力就成为亟待解决的问题。

发明内容

为了避免闩锁效应的不利影响，本发明提供一种抗闩锁效应的绝缘栅双极型晶体管。本发明利用离子注入、沉积或热生长方法或直接使用部分SOI硅片，在P型基区和N^-漂移区的界面处设置一层隔离介质层，阻断N^-漂移区中的空穴电流经过P型基区流进N型源区的部分电流通路，可以有效防止IGBT结构中寄生NPN晶体管的开启，避免IGBT中PNPN结构所导致的闩锁效应。

本发明技术方案如下：

一种抗闩锁效应的绝缘栅双极型晶体管，如图2所示，在P型基区7和N^-型漂移区3之间的界面处设置有一层介质隔离层11。

本发明的工作原理：

正向工作情况下，集电极1上加上正电压，发射极10上加上负电压，当栅极5上的电压超过阈值电压时，栅极下方的P型基区7表面会形成电子沟道，电子会从N型源区8通过该电子沟道流入N^-漂移区3中，对于PNP结构来说，这相当于给基极注入了电流，此时P⁺集电区2会向N^-漂移区3中注入大量空穴。当为图1所示传统IGBT结构时，如图3(a)所示注入N^-漂移区3中的部分空穴电流I_h-pbase会通过P型基区7流入N型源区8中，随着电流大小的增大，图3(a)中寄生电阻R_pn上得压降会增大，当压降增大到PN结开启电压时，图3(b)中寄生NPN晶体管会开启，此时电流会形成正反馈不断增加，最终会烧毁晶体管；当为图2所示抗闩锁IGBT结构时，如图4(b)所示位于N^-漂移区3和P型基区7之间有隔离介质层11，这相当于在N^-漂移区3和P型基区7之间引入了一个电容结构，空穴经过P型基区7流进N型源区8的电流通路被该电容阻挡，因而可以减少经P型基区7流入N型源区8的空穴电流，避免图4(b)中寄生NPN晶体管的开启，从而提高器件的抗闩锁能力。

借助MEDICI仿真工具，对所提出的抗闩锁IGBT结构和传统IGBT结构进行了仿真验证，图5为传统IGBT结构电流线分布图，图6为同等电流密度条件下本发明提供的抗闩锁IGBT结构电流线分布图，可以明显看到在图6本发明提供的抗闩锁IGBT结构中经P型基区流入N型源区的电流密度明显低于图5传统IGBT结构，从而验证了绝缘介质层对电流的阻挡作用。

综上所述，本发明提供的抗闩锁效应的绝缘栅双极型晶体管，在P型基区和N^-漂移区之间的截面处设置一层介质隔离层，阻断N^-漂移区中的空穴电流经过P型基区流进N型源区的电流通路，可以有效防止IGBT结构中寄生NPN晶体管的开启，避免IGBT中NPNP结构所导致的闩锁效应，从而可以提高器件的电流承载能力，提供更大的安全工作区。

附图说明

图1是传统的IGBT器件结构示意图，其中1为集电极，2为P⁺集电区，3为N^-漂移区，4为栅氧，5为栅极，6为栅极和发射极之间的绝缘层，7为P型基区，8为N型源区，9为P⁺接触区，10为发射极。

图2是本发明提出的抗闩锁效应的绝缘栅双极型晶体管结构示意图，其中1为集电极，2为P⁺集电区，3为N^-漂移区，4为栅氧，5为栅极，6为栅极和发射极之间的绝缘层，7为P型基区，8为N型源区，9为P⁺接触区，10为发射极，11为介质隔离层。

图3(a)为传统IGBT的主要寄生阐述结构图，在P型基区里面有寄生电阻R_pn。图3(b)为传统IGBT的等效电路图，有寄生NPN晶体管及寄生电阻R_pn。

图4(a)为本发明抗闩锁效应IGBT器件结构图，在P型基区和N^-漂移区的界面处设置了一层介质隔离层。图4(b)为本发明抗闩锁IGBT的等效电路图，除寄生NPN晶体管及寄生电阻R_pn外，有电容结构。

图5为传统IGBT器件的MEDICI仿真电流分布图，很大一部分电流通过P型基区流入N^-漂移区。

图6为本发明抗闩锁效应IGBT器件在同等电流密度下MEDICI仿真电流分布图，可以观察到介质层有效的阻挡了N漂移区中的电流通过P型基区流进N型源区。

具体实施方式

上述方案中：

所述隔离介质层11材料可以是SiO₂。

所述隔离介质层11SiO₂可以利用氧离子注入和退火的方法形成。根据所需耐压选择合适电阻率<100>晶向的N型衬底FZ硅片，在特定区域注入氧离子，退火形成所需的介质层，生长场氧，制作终端部分，有源区刻蚀及长栅氧，淀积多晶硅栅，刻蚀多晶硅栅，注入P型基区及退火，注入N型源区及退火，厚氧化层，刻蚀接触孔，注入P+体区，淀积正面金属，刻蚀正面金属，背面减薄中，注入背面P型集电极，P型集电极快速热退火，淀积背面金属。

所述SiO₂介质隔离层11可以采用沉积SiO₂和后续图形刻蚀的方法获得。得到所需硅片的工艺流程为：1)在准备好的硅片上使用气相沉积法沉积所需厚度的SiO₂，根据所需图形进行刻蚀，然后外延一层硅，在特定区域挖槽，沉积SiO₂填充凹槽，磨片去掉表面SiO₂层，再次外延一层硅，得到所需硅片。2)在准备好的硅片上使用气相沉积法沉积所需厚度的SiO₂，根据所需图形进行刻蚀，然后外延一层硅，在特定区域挖槽，用热氧生长SiO₂填充凹槽，磨片去掉表面SiO₂层，再次外延一层硅，得到所需硅片。3)在准备好的硅片上生长SiO₂，使用键和技术将两片硅片在高温下键和形成SOI片，减薄到所需厚度，根据所需图像刻蚀，使用热氧的方法在侧壁生长所需厚度的氧化层，刻蚀不需要部分的二氧化硅，外延沉积硅，填补凹槽，磨片平坦化，得到所需硅片。在得到所需硅片后的工艺为：长场氧，制作终端部分，有源区刻蚀及长栅氧，淀积多晶硅栅，刻蚀多晶硅栅，注入P型基区及退火，注入N型源区及退火，厚氧化层，刻蚀接触孔，注入P+体区，淀积正面金属，刻蚀正面金属，背面减薄中，注入背面P型集电极，P型集电极快速热退火，淀积背面金属。

所述SiO₂介质隔离层11可以采用热氧化生长SiO₂和后续图形刻蚀的方法获得。得到所需硅片的工艺流程可为：1)在准备好的硅片上使用热氧化生长所需厚度的SiO₂，根据所需图形进行刻蚀，然后外延一层硅，在特定区域挖槽，沉积SiO₂填充凹槽，磨片去掉表面SiO₂层，再次外延一层硅，得到所需硅片。2)在准备好的硅片上使用热氧化生长所需厚度的SiO₂，根据所需图形进行刻蚀，然后外延一层硅，在特定区域挖槽，用热氧生长SiO₂填充凹槽，磨片去掉表面SiO₂层，再次外延一层硅，得到所需硅片。然后长场氧，制作终端部分，有源区刻蚀及长栅氧，淀积多晶硅栅，刻蚀多晶硅栅，注入P型基区及退火，注入N型源区及退火，厚氧化层，刻蚀接触孔，注入P+体区，淀积正面金属，刻蚀正面金属，背面减薄中，注入背面P型集电极，P型集电极快速热退火，淀积背面金属。

所述SiO₂隔离介质层11还可以采用部分SOI材料直接获得，然后长场氧，制作终端部分，有源区刻蚀及长栅氧，淀积多晶硅栅，刻蚀多晶硅栅，注入P型基区及退火，注入N型源区及退火，厚氧化层，刻蚀接触孔，注入P+体区，淀积正面金属，刻蚀正面金属，背面减薄中，注入背面P型集电极，P型集电极快速热退火，淀积背面金属。

所述介质隔离层11还可以是Si₃N₄、HfO₂或其他合适介质。

所述绝缘栅双极型晶体管的集电极可以是电场终止结构、透明阳极结构或阳极短路结构。

所述隔离介质层的厚度、形状等可根据设计要求而相应变化。

所述绝缘栅双极型晶体管的半导体材料可采用硅(Si)、碳化硅(SiC)、砷化镓(GaAs)或者氮化镓(GaN)等。

与传统的IGBT器件结构相比，本发明利用离子注入、沉积或热生长方法或直接使用部分SOI硅片，在P型基区7和N^-型漂移区3之间的界面处设置一层介质隔离层11，阻断N漂移区中的空穴电流经过P型基区流进N型源区的电流通路，可以有效防止IGBT结构中寄生NPN晶体管的开启，避免IGBT中NPNP结构所导致的闩锁效应。本发明结构可以提高器件的电流承载能力，提供更大的安全工作区。所述绝缘栅双极型晶体管可适用于从小功率到大功率的半导体功率器件和功率集成电路领域。

Claims

1.抗闩锁效应的绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，所述绝缘栅双极型晶体管的P型基区(7)和N^-型漂移区(3)之间的界面处具有一层介质隔离层(11)。

2.根据权利要求1所述的抗闩锁效应的绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，所述介质隔离层(11)的材料为SiO₂。

3.根据权利要求1或2所述的抗闩锁效应的绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，所述介质隔离层(11)是利用氧离子注入和退火的方法形成的。

4.根据权利要求1或2所述的抗闩锁效应的绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，所述介质隔离层(11)是采用沉积SiO₂和后续图形刻蚀的方法形成的。

5.根据权利要求1或2所述的抗闩锁效应的绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，所述介质隔离层(11)是采用热氧化生长SiO₂和后续图形刻蚀的方法形成的。

6.根据权利要求1或2所述的抗闩锁效应的绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，所述介质隔离层(11)是采用部分SOI材料直接获得的。

7.根据权利要求1所述的抗闩锁效应的绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，所述介质隔离层(11)材料为Si₃N₄或HfO₂。

8.根据权利要求1、2或7所述的抗闩锁效应的绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，所述绝缘栅双极型晶体管的集电极是电场终止结构、透明阳极结构或阳极短路结构。

9.根据权利要求1、2或7所述的抗闩锁效应的绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，所述绝缘栅双极型晶体管的半导体材料为Si、SiC、GaAs或GaN。