CN103258848A - 一种具有正温度系数发射极镇流电阻的igbt器件 - Google Patents

Abstract

一种具有正温度系数发射极镇流电阻（EBR）的IGBT器件，属于功率半导体器件技术领域。常规EBR结构的IGBT器件中，发射极镇流电阻由距离发射极接触区较远的条状N⁺发射区条构成，其电阻值通常呈现负温度系数，即：温度越高，电阻值越小，IGBT的饱和电流增大，器件短路能力在高温环境下将显著减弱。本发明通过在N⁺发射区里面深能级受主杂质（包括In、Ti、Co或Ni），使得深能级受主杂质电离后产生的空穴对N型杂质具有一定的补偿作用，以提高增大EBR电阻，这样就实现了正温度系数的发射极镇流电阻，使得IGBT器件随温度升高，发射极镇流电阻增大，提高IGBT的短路和抗闩锁能力。

Description

一种具有正温度系数发射极镇流电阻的IGBT器件

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（Insulated Gate BipolarTransistor，IGBT）。

背景技术

半导体功率器件是电力电子系统进行能量控制和转换的基本电子元器件，电力电子技术的不断发展为半导体功率器件开拓了广泛的应用领域。以IGBT、VDMOS、CoolMOS为标志的MOS型半导体功率器件是当今电力电子领域器件的主流，其中，最具代表性的半导体功率器件当属IGBT。

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管）是一种电压控制的MOS/BJT复合型器件。从结构上，IGBT的结构与VDMOS极为相似，只是将VDMOS的N⁺衬底调整为P⁺衬底，但是引入的电导调制效应克服了VDMOS本身固有的导通电阻与击穿电压的矛盾，从而使IGBT同时具有双极型功率晶体管和功率MOSFET的主要优点：输入阻抗高、输入驱动功率小、导通压降低、电流容量大、开关速度快等。正是由于IGBT独特的、不可取代的性能优势使其自推出实用型产品便在诸多领域得到广泛的应用，例如：新能源技术、以动车、高铁为代表的先进交通运输工具、混合动力汽车、办公自动化以及家用电器等领域。在倡导低碳环保的资源节约型社会需求下，IGBT作为高性能、高效率的开关控制元器件，得到更多的重视与发展，并且对安全性、可靠性、智能化提出了更高的要求。

具有发射极镇流电阻的IGBT器件（简称为EBR结构IGBT，其中EBR指Emitter BallastResistance，即发射极镇流电阻），通过由一定长度的远离发射极金属接触孔的条状N⁺发射区引入发射极镇流电阻，并加以版图的改进，降低饱和电流。这样可以有效地提高IGBT的短路和抗闩锁能力。EBR-IGBT结构的版图单元、纵向结构图分别如图1、2、3所示。然而传统EBR-IGBT结构中，发射极镇流电阻是由远离发射极金属接触孔的条状N⁺发射区形成，因为N⁺发射区掺杂浓度较高，迁移率主要有电离杂质散射作为主导，该电阻值通常呈现负温度系数。在小电流低温条件下，EBR电阻值较大，会增大IGBT功率器件的导通损耗，而在高温大电流条件下，EBR电阻值变小，又起不到抑制IGBT器件闩锁的效果。因此需要设计一种具有正温度系数电阻的EBR结构的IGBT器件，在小电流情况下，电阻值很小，正向压降很低，大电流情况下，电阻值变大，能够有效降低器件饱和电流，抑制IGBT器件PNPN结构的开启。本发明以此为契机，提出了一种具有正温度系数电阻的EBR-IGBT，使器件随着温度的升高，EBR电阻增大，能够有效的限制器件饱和电流，提高器件的短路和抗闩锁能力。

发明内容

在传统EBR结构IGBT中，发射极镇流电阻由距离发射极接触区较远的条状N⁺发射区构成，该电阻值通常呈现负温度系数特性，即：温度越高，电阻值越小，IGBT的饱和电流增大，因此，短路能力在高温环境下将显著减弱。本发明提出一种具有正温度系数发射极镇流电阻的IGBT器件，通过在N⁺发射区内引入深能级受主杂质，形成深能级杂质注入的N⁺发射区。所述深能级杂质注入的N⁺发射区，在大电流情况下，器件温度升高，杂质电离度增大，电离后的杂质成为带电中心，对载流子起散射作用，使载流子迁移率减小，EBR有效电阻增大；采用受主深能级杂质，电离后产生的空穴可以对N型杂质有一定的补偿作用，也可以增大EBR电阻。这样就实现了正温度系数电阻的EBR结构，随温度升高，IGBT发射极镇流电阻增大，提高IGBT的抗闩锁能力。

本发明的技术方案如下：

一种具有正温度系数发射极镇流电阻的IGBT器件，其版图结构如图4所示，版图单元中对应的A-A’单元、B-B’单元连线的纵向剖面结构图如图5、6所示，包括P⁺集电区7、位于P⁺集电区7背面的金属集电极8、N^-漂移区5、位于N^-漂移区5和P⁺集电区7之间的N型缓冲层6；所述N^-漂移区5顶层中间区域为P型基区4，P型基区4中具有N⁺发射区11，N⁺发射区11通过位于N⁺发射区2中心处的接触孔3与金属发射极9相连；所述IGBT器件还包括栅极结构，栅极结构由相互接触的多晶硅栅电极1和栅氧化层构成，其中栅氧化层与N^-漂移区5、P型基区4和N⁺发射区2均接触，多晶硅栅电极1与金属发射极9之间具有隔离介质10（硼磷硅玻璃BPSG）。所述N⁺发射区11内掺入了深能级受主杂质，所述深能级受主杂质的掺入浓度不低于1e18cm^-3，使得远离发射极接触孔3的条状N⁺发射区形成具有正温度系数的发射极镇流电阻。所述深能级受主杂质包括In、Ti、Co、Ni等受主杂质。

本发明的工作原理：

单晶硅在常温范围内杂质已经全部电离，本征激发微弱，载流子浓度基本上不随温度变化而变化。但是由于晶格的振动散射，迁移率随温度升高而降低，致使电阻率随温度升高而增大。而当杂质浓度大于10¹⁹cm^-3，迁移率开始随温度升高而增加，这是因为杂质浓度很高，杂质的电离散射不可忽略。

在传统EBR结构IGBT中，发射极镇流电阻由距离发射极接触区较远的条状N⁺发射区构成，而发射区的杂质浓度通常大于10¹⁹cm^-3，对应的迁移率趋于呈现正温度系数特性，其后果是发射极镇流电阻表现出随温度升高而减小的趋势，从而减弱其有效限制饱和电流的作用，短路能力也将随温度上升而不断减弱。

本发明提出的一种具有正温度系数发射极镇流电阻的IGBT器件，在发射区的N+层11内引入深能级受主杂质，利用深能级受主杂质层随着温度的升高而电离度增大，使载流子的迁移率下降并且对N⁺区形成杂质补偿的效果，来增大EBR电阻，从而有效限制饱和电流，增强器件的抗闩锁和短路能力。深能级受主杂质的电离度与深能级的掺杂浓度和温度有关，如图7所示，掺杂浓度越高，电离度越小，在N⁺区掺杂的深能级受主杂质浓度需不低于1e18cm^-3才能有效的补偿N区掺杂，达到降低N⁺区电导率的效果，并且随着温度的升高，深能级受主杂质电离率提高，电离后的杂质成为带电中心，对载流子起散射作用，使载流子迁移率减小，EBR有效电阻增大；采用受主深能级杂质，电离后产生的空穴可以对N型杂质有一定的补偿作用，也可以提高增大EBR电阻。这样就设计成正温度系数电阻的EBR-IGBT结构，对着电流的增大，温度的升高，EBR电阻增大，能够有效限制饱和电流的作用，提高IGBT的短路能力和抗闩锁能力。

综上所述，本发明提出的具有正温度系数发射极镇流电阻的IGBT器件，当器件小电流时，温度较低，EBR电阻较小，能够有效降低正向压降，当器件通过大电流时，温度升高，EBR电阻增大，能够有效限制饱和电流的作用，提高IGBT的短路能力和抗闩锁能力。

附图说明

图1是传统EBR结构IGBT的版图单元。

图2是图1中对应A-A’单元连线的纵向剖面结构图。

图3是图1中对应B-B’单元连线的纵向剖面结构图。

图4是本发明提出的一种具有正温度系数发射极镇流电阻的IGBT器件的版图单元。

图5是图4中对应A-A’单元连线的纵向剖面结构图。

图6是图4中对应B-B’单元连线的纵向剖面结构图。

图1至图6中：1为多晶硅栅极，2为N⁺发射区，3为接触孔，4为P型基区，5为N^-漂移区，6为N型缓冲层，7为P⁺集电区，8为金属集电极，9为金属发射极，10为隔离介质（通常选取硼磷硅玻璃BPSG），11为掺入了深能级受主杂质的N⁺发射区。

图7是深能级杂质电离率随温度和杂质浓度变化关系图。

具体实施方式

一种具有正温度系数发射极镇流电阻的IGBT器件，其版图结构如图4所示，版图单元中对应的A-A’单元、B-B’单元连线的纵向剖面结构图如图5、6所示，包括P⁺集电区7、位于P⁺集电区7背面的金属集电极8、N^-漂移区5、位于N^-漂移区5和P⁺集电区7之间的N型缓冲层6；所述N^-漂移区5顶层中间区域为P型基区4，P型基区4中具有N⁺发射区11，N⁺发射区11通过位于N⁺发射区2中心处的接触孔3与金属发射极9相连；所述IGBT器件还包括栅极结构，栅极结构由相互接触的多晶硅栅电极1和栅氧化层构成，其中栅氧化层与N^-漂移区5、P型基区4和N⁺发射区2均接触，多晶硅栅电极1与金属发射极9之间具有隔离介质10（硼磷硅玻璃BPSG）。所述N⁺发射区11内掺入了深能级受主杂质，所述深能级受主杂质的掺入浓度不低于1e18cm^-3，使得远离发射极接触孔3的条状N⁺发射区形成具有正温度系数的发射极镇流电阻。所述深能级受主杂质包括In、Ti、Co、Ni等受主杂质。

现以一种平面栅穿通型IGBT的制造工艺为例讲述本发明提供的具有正温度系数发射极镇流电阻的IGBT器件的制作方法，其具体工艺过程如下：P⁺衬底的制备，N^-缓冲层的外延生长，N^-漂移区的外延生长，1-3μm场氧化层的生长，终端处场限环区的光刻，场限环的硼注入与推阱，有源区的光刻，80-120nm栅氧化层的生长，0.5-1μm N⁺多晶硅的淀积，多晶硅的光刻，Pbody区的自对准硼注入与推阱，N⁺发射区的光刻，N⁺发射区的砷注入与推阱，N⁺深能级杂质的注入，防闩锁P⁺层的硼注入，金属介质层的刻蚀，淀积0.8-1.2μm的钝化层，接触孔的光刻，接触孔的硼注入与退火，3-4μm铝层的淀积，铝层的光刻。

最后，应当说明的是，本发明中关于EBR结构及其制作工艺，不仅适用于穿通型IGBT，还可以用于非穿通型IGBT、场截止型IGBT等类型的IGBT结构；而且，该结构及其制作工艺不仅适用于IGBT，还可以用于DMOS、MOSFET、MCT等可以引入镇流电阻概念的功率半导体器件。

Claims (3)

1.一种具有正温度系数发射极镇流电阻的IGBT器件，包括P⁺集电区（7）、位于P⁺集电区（7）背面的金属集电极（8）、N^-漂移区（5）、位于N^-漂移区（5）和P⁺集电区（7）之间的N型缓冲层（6）；所述N^-漂移区（5）顶层中间区域为P型基区（4），P型基区（4）中具有N⁺发射区（11），N⁺发射区（11）通过位于N⁺发射区（2）中心处的接触孔（3）与金属发射极（9）相连；所述IGBT器件还包括栅极结构，栅极结构由相互接触的多晶硅栅电极（1）和栅氧化层构成，其中栅氧化层与N^-漂移区（5）、P型基区（4）和N⁺发射区（2）均接触，多晶硅栅电极（1）与金属发射极（9）之间具有隔离介质（10）；所述N⁺发射区（11）内掺入了深能级受主杂质，所述深能级受主杂质的掺入浓度不低于1e18cm^-3，使得远离发射极接触孔（3）的条状N⁺发射区形成具有正温度系数的发射极镇流电阻。

2.根据权利要求1所述的具有发射极镇流电阻的IGBT器件，其特征在于，所述深能级受主杂质包括In、Ti、Co或Ni。

3.根据权利要求1所述的具有发射极镇流电阻的IGBT器件，其特征在于，所述具有发射极镇流电阻的IGBT器件为穿通型IGBT、非穿通型IGBT或场截止型IGBT。

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