CN102779839A - 一种具有深能级杂质注入的绝缘栅双极性晶体管 - Google Patents

一种具有深能级杂质注入的绝缘栅双极性晶体管 Download PDF

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李巍
张蒙
李长安
张金平
任敏
张波
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一种具有深能级杂质注入的绝缘栅双极性晶体管，属于半导体功率器件技术领域。本发明在传统Planar FS-IGBT基础上，在其N-漂移区（8）中注入深能级N型杂质。通过深能级杂质随着温度升高，电离度升高，杂质浓度上升这一特性，能有效减小IGBT寄生PNP晶体管αPNP，从而减小IGBT的高温漏电流，进一步减少IGBT的整体功耗；N-漂移区（8）增加的电子浓度和空穴在漂移区加速复合，而且深能级杂质本身就是复合中心，进一步加速电子空穴的复合，减少IGBT的关断过程，有效改善关断特性，提高IGBT的可靠性。

Description

一种具有深能级杂质注入的绝缘栅双极性晶体管
技术领域
本发明属于半导体功率技术领域，涉及绝缘栅双极型晶体管（Insulate Gate BipolarTransistor，简称IGBT）。
背景技术
绝缘栅双极型晶体管（IGBT）作为电力电子器件的代表是整机提高性能指标和节能指标的首选产品。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，又具有双极型功率晶体管的电流密度大、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。所以它是电力电子领域非常理想的开关器件，IGBT产品集合了高频、高压、大电流三大技术优势，同时IGBT能够实现节能减排，具有很好的环境保护效益，IGBT广泛应用于电力领域、消费电子、汽车电子、新能源等传统和新兴领域，市场前景非常广阔。
当IGBT正向导通时，正的栅极电压使得沟道开启，发射极电子经过沟道流向漂移区，由于集电极正向偏置，集电区空穴大量涌入漂移区，和漂移区的大量电子发生电导调制效应，从而能使得IGBT相比于VDMOS的导通压降小很多；当IGBT关断时，栅极电压为负电压或者是零电压，发射极电子突然消失，集电极为高电压，大量空穴继续涌向漂移区，形成大的空穴电流，此时IGBT处于反向阻断状态，由于寄生PNP管αPNP随着温度升高而急剧上升，使得IGBT的漏电流随着温度的升高而大幅升高，高温、高电压、高电流很容易引起器件的雪崩击穿乃至烧毁。而涌向漂移区的大量空穴除了和电子一部分分别被阳极和阴极快速抽取，另一部分在没有耗尽的底部漂移区内复合从而产生拖尾电流，相比于VDMOS，IGBT关断时间大得多；虽然IGBT有诸多性能优势，但是减少高温漏电流，改善IGBT的关断特性，提高IGBT的可靠性一直是IGBT研究的重点。本发明以此为契机，目的在于减少高温漏电流，进一步降低IGBT器件的整体功耗，改善IGBT的关断特性，提高IGBT的可靠性。
发明内容
本发明提供一种具有深能级杂质注入的绝缘栅双极性晶体管（IGBT），该IGBT是在传统平面栅电场终止型绝缘栅双极型晶体管（PlanarFS-IGBT）基础上，在其漂移区中注入深能级杂质，形成深能级杂质注入的漂移区，所述深能级杂质注入的漂移区随着IGBT工作温度的升高，杂质电离度升高导致杂质浓度增加，从而有效减少寄生PNP管αPNP的大小，减少高温漏电流，整体上减少IGBT的功率损耗；此外，深能级杂质是复合中心，可加速漂移区内电子空穴对的复合，有效改善关断特性，提高IGBT的可靠性。
本发明的技术方案如下：
一种具有深能级杂质注入的绝缘栅双极性晶体管，其元胞结构如图2所示，包括有源发射极1，多晶硅栅电极2，金属集电极3，二氧化硅栅氧化层4，N+有源区5，P型基区6，P+体区7，N-漂移区8，N+电场终止层9，P+集电区10；器件从底层往上依次是金属化集电极3、P+集电区10、N+电场终止层9、N-漂移区8，P型基区6位于N-漂移区8顶部两侧，P型基区6内具有N+有源区5，P+体区7位于P型基区6下方的N-漂移区8两侧、且与P型基区6和N-漂移区8分别接触；元胞表面两侧分别与N+有源区5和P型基区6接触的是有源发射极1，元胞表面中间分别与N+有源区5、P型基区6和N-漂移区8接触的是二氧化硅栅氧化层4，二氧化硅栅氧化层4表面是多晶硅栅电极2，多晶硅栅电极2与有源发射极1之间填充绝缘介质。所述N-漂移区8内部掺杂了深能级N型杂质。其深能级N型杂质掺杂元素包括硫、硒、金、碲或铂。
本发明的工作原理如下：
本发明所提出的具有深能级杂质注入的绝缘栅双极性晶体管，主要是利用深能级杂质随着温度升高，电离度升高这一特性来改善IGBT的性能，可有效减小高温漏电流，进一步减少IGBT的整体功耗，改善IGBT的关断特性，提高IGBT可靠性，现以示意图2，掺深能级杂质硫元素为例，说明其工作原理。
本发明提出的具有深能级杂质注入的绝缘栅双极性晶体管是在传统Planar FS-IGBT基础上，在其N-漂移区8中注入深能级杂质，利用深能级杂质随着温度升高而电离度增加这一有益特性来改善IGBT的性能。IGBT无论是工作时的正向导通状态还是关断时的反向阻断状态，IGBT的分析都可等效为IGBT器件中寄生的MOSFET+BJT组合模型的分析。当N+有源区5，P型基区6，N-漂移区8组成的MOSFET栅电极电压大于阈值电压时，沟道开启，N+有源区5的电子通过沟道注入到N-漂移区8中，从而为P型基区6，N-漂移区8，N+电场终止层9和P+集电区10组成的PNP晶体管提供了基极电流，从而寄生PNP管也随之开启，从而IGBT器件正向导通。在传统Planar FS-IGBT中，N+有源区5大量电子注入到漂移区内，形成的基极电流，经PNP管的放大作用形成一个很大的阳极电流。当IGBT关断时处于反向阻断状态时，随着温度升高，寄生PNP管的αPNP急剧上升，伴随而来的是阳极漏电流的急剧升高，升高的漏电流反过来又使器件温度升高，从而形成了正反馈使得阳极漏电流持续急剧升高。高温形成的极大阳极漏电流，不仅会产生很大的功耗，而且高温、高压、大电流会引起IGBT动态雪崩击穿乃至于器件烧毁，不利于IGBT的正常工作和应用。本发明提出的具有深能级杂质注入的绝缘栅双极性晶体管，由于N-漂移区8中掺杂了深能级杂质，掺入的深能级杂质随着温度升高，电离度增加，硫电离的电子浓度也随之大幅升高，其体现的有益效果表现为，随着温度升高漂移区8增加的基区载流子浓度有效减少了寄生PNP晶体管的发射效率γE，而寄生PNP管的共基极电流放大倍数αPNP为发射效率γE和基区输运系数αT的积，所以αPNP有效减小。当器件温度升高，αPNP大幅减小，阳极漏电流也随之大幅减小，如图3所示。减小的高温漏电流能降低IGBT的整体功耗，有效防止高温、高压、大电流引起的雪崩击穿乃至烧毁，能极大提高IGBT的工作能力和可靠性。N-漂移区8增加的载流子浓度能加速与空穴复合，而且深能级杂质本身就是复合中心，也能进一步加速电子空穴的复合，有效改善关断特性，提高IGBT的可靠性。
综上所述，本发明所提出的具有深能级杂质注入的绝缘栅双极性晶体管，当器件工作温度升高时，能大幅减少寄生PNP管的αPNP，有效减小高温漏电流，进一步降低IGBT的整体功耗，减少因高温、高压、大电流引起的雪崩击穿，而且深能级杂质本身就是复合中心，能加速电子空穴的复合，有效改善关断特性，提高IGBT的可靠性。
附图说明
图1是传统Planar FS-IGBT结构示意图。
图2是本发明提出的新型IGBT结构示意图
图3是本发明提出的新型IGBT反向阻断状态高温漏电流示意图。
图4是传统Planar FS-IGBT关断时空穴的复合与抽取过程示意图。
图5是本发明提出的新型IGBT关断时空穴的复合与抽取过程示意图。
图1至图5中：1是有源发射极，2是多晶硅栅电极，3是金属集电极，4是二氧化硅栅氧化层，5是N+有源区，6是P型基区，7是P+体区，8是N-漂移区，9是N+电场终止层，10是P+集电区。图2至图5中N-漂移区8中掺入了深能级N型杂质。图3中虚线表示反向阻断状态耗尽区位置，带箭头实线表示漏电流的电流方向。
图4和图5中+符号表示空穴，-符号表示电子，箭头表示载流子运动方向。
具体实施方式
一种具有深能级杂质注入的绝缘栅双极性晶体管，其元胞结构如图2所示，包括有源发射极1，多晶硅栅电极2，金属集电极3，二氧化硅栅氧化层4，N+有源区5，P型基区6，P+体区7，N-漂移区8，N+电场终止层9，P+集电区10；器件从底层往上依次是金属化集电极3、P+集电区10、N+电场终止层9、N-漂移区8，P型基区6位于N-漂移区8顶部两侧，P型基区6内具有N+有源区5，P+体区7位于P型基区6下方的N-漂移区8两侧、且与P型基区6和N-漂移区8分别接触；元胞表面两侧分别与N+有源区5和P型基区6接触的是有源发射极1，元胞表面中间分别与N+有源区5、P型基区6和N-漂移区8接触的是二氧化硅栅氧化层4，二氧化硅栅氧化层4表面是多晶硅栅电极2，多晶硅栅电极2与有源发射极1之间填充绝缘介质。所述N-漂移区8内部掺杂了深能级N型杂质。其深能级N型杂质掺杂元素包括硫、硒、金、碲或铂。
本发明提供的具有深能级杂质注入的绝缘栅双极性晶体管一种新型IGBT，其实现方法如下，选取N型<100>晶向区熔单晶衬垫，注入深能级杂质形成深能级杂质注入的N-漂移区，背面注入FS层，场氧化，刻蚀有源区，栅氧化，淀积多晶硅，光刻多晶硅，P型基区注入，N+源区光刻及注入，P体区注入，P体区推阱，沉积氧化层，刻引线孔，沉积金属，金属曝光刻蚀，背面透明P区注入，背面金属化，钝化等等。与传统Planar FS-IGBT结构相比，没有增加掩膜板，没有增加额外工艺，容易实现。
在具体实施过程中，所述的深能级杂质漂移区中的杂质元素包括：硫、硒、碲、金、铂等。所述的深能级N型杂质在N-漂移区8内可以部分区域或全部区域注入，其注入位置和厚度可调。另外，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 (3)

1.一种具有深能级杂质注入的绝缘栅双极性晶体管，其元胞结构如图2所示，包括有源发射极（1），多晶硅栅电极（2），金属集电极（3），二氧化硅栅氧化层（4），N+有源区（5），P型基区（6），P+体区（7），N-漂移区（8），N+电场终止层（9），P+集电区（10）；器件从底层往上依次是金属化集电极（3）、P型集电区（10）、N+电场终止层（9）、N-漂移区（8），P型基区（6）位于N-漂移区（8）顶部两侧，P型基区（6）内具有N+有源区（5），P+体区（7）位于P型基区（6）下方的N-漂移区（8）两侧、且与P型基区（6）和N-漂移区（8）分别接触；元胞表面两侧分别与N+有源区（5）和P型基区（6）接触的是有源发射极（1），元胞表面中间分别与N+有源区（5）、P型基区（6）和N-漂移区（8）接触的是二氧化硅栅氧化层（4），二氧化硅栅氧化层（4）表面是多晶硅栅电极（2），多晶硅栅电极（2）与有源发射极（1）之间填充绝缘介质；所述N-漂移区（8）内部掺杂了深能级N型杂质。
2.根据权利要求1所述的具有深能级杂质注入的绝缘栅双极性晶体管，其特征在于，所述深能级N型杂质的掺杂元素包括硫、硒、金、碲或铂。
3.根据权利要求1所述的具有深能级杂质注入的绝缘栅双极性晶体管，其特征在于，所述的深能级N型杂质在N-漂移区（8）内部分区域或全部区域注入，其注入位置和厚度可调。
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