CN103872113A - 一种隧穿型逆导igbt及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧穿型逆导IGBT及其制作方法，属于半导体器件技术领域。该隧穿型逆导IGBT包括P⁺区、P^-基区、N^-漂移区、N⁺缓冲层、P⁺集电极，其特征在于，在P⁺集电极和N⁺缓冲层内引入N⁺⁺区，在P⁺集电极内于N⁺⁺区底部引入P⁺⁺区，P⁺⁺区与N⁺⁺区底部接触，使得P⁺区、P^-基区、N^-漂移区、N⁺缓冲层和N⁺⁺区构成逆导通道，N⁺⁺区和P⁺⁺区形成隧道结，隧道结的掺杂浓度为10¹⁹/cm³～10²⁰/cm³。该隧穿型逆导IGBT芯片面积小、成本低，可靠性高；开关功率损耗少；无回跳。

Description

一种隧穿型逆导IGBT及其制造方法

技术领域

本发明涉及半导体器件技术领域，特别涉及一种隧穿型逆导IGBT及其制作方法。

背景技术

逆导型IGBT是一种在承受反压时，可以允许电流从发射极流向集电极的IGBT。附图1为在同一坐标系中绘制的普通IGBT的“漏电流I_c—反偏电压V_CE”特性曲线图和逆导型IGBT的“漏电流I_c—反偏电压V_CE”特性曲线图。从附图1可以看出，当反偏电压V_CE小于反向截止电压V_CE（max）时，普通IGBT存在极小的漏电流I_c，当反偏电压达到反向截止电压V_CE（max）时，普通IGBT的集电结发生雪崩而击穿，也就是说，普通IGBT的几乎无法实现反向导通。但是，当使用IGBT驱动感性负载时，为了给电感提供续流通道，通常需要IGBT具有反向导通能力。

现有技术中，获得具有反向导通能力的IGBT的方法包括两种，第一种是将一个普通IGBT与同等电压级别的PIN二极管反并联，这种方式的IGBT的缺陷在于，寄生电感较大、可靠性也较差；第二种是将普通IGBT的芯片与FRD的芯片反并联后封装到同一单管或模块中，这种方式的IGBT虽然能够减少寄生电感，但是，成本较高且电路的体积较大。

为了获得具有逆导能力的IGBT，曾有一种短路集电极型逆导IGBT问世，附图2为短路集电极型逆导IGBT的局部结构示意图，从附图2可以看出，该IGBT是在P⁺集电极区04加入N⁺集电极区03，直接将N⁺缓冲层2通过N⁺集电极区03连接到背面金属上，使P⁺区、P^-基区、N^-漂移区01、N⁺集电极区03形成逆导通道。但是，这样形成的短路集电极型逆导IGBT在导通初期，电流密度很小，反偏电压V_CE很小，但是，当反偏电压V_CE大于一特定值V_P时，反偏电压V_CE会陡降，电流密度则陡增，附图3短路集电极型逆导IGBT的“集电极-发射极电流—集电极-发射极电压”特性曲线，在附图3上出现一大段负阻区，即短路集电极型逆导IGBT存在回跳。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种在IGBT的集电结的部分区域引入隧道结结构而使IGBT芯片具有逆导能力的隧穿型逆导IGBT及其制造方法。

本发明提供的隧穿型逆导IGBT包括P⁺区、P^-基区、N^-漂移区、N⁺缓冲层、P⁺集电极，在所述P⁺集电极和N⁺缓冲层内引入N⁺⁺区，在所述P⁺集电极内于所述N⁺⁺区底部引入P⁺⁺区，所述P⁺⁺区与所述N⁺⁺区底部接触，所述使得所述P⁺区、P^-基区、N^-漂移区、N⁺缓冲层、N⁺⁺区和P⁺⁺区构成逆导通道，所述N⁺⁺区和P⁺⁺区形成隧道结，所述隧道结的掺杂浓度为10¹⁹/cm³～10²⁰/cm³。

作为优选，所述掺杂浓度为5×10¹⁹/cm³。

作为优选，所述隧道结为突变结。

本发明提供的隧穿型逆导IGBT的制造方法包括以下步骤：

在IGBT的P⁺集电极和N⁺缓冲层内注入高剂量的N型杂质，

激活所述N型杂质，使之形成N⁺⁺区，

在所述P⁺集电极内加入含有P型掺杂剂的合金，所述P型掺杂剂的合金与所述N⁺⁺区的底部接触，

使所述P型掺杂剂的合金融化，使所述P型掺杂剂从所述合金中扩散出来形成P⁺⁺区，

其中，

所述N⁺⁺区和P⁺⁺区形成隧道结，所述隧道结的掺杂浓度为10¹⁹/cm³～10²⁰/cm³。

作为优选，所述P型掺杂剂的合金融化温度为500℃，融化时间为1min。

本发明提供的隧穿型逆导IGBT的有益效果在于，

1）电流可以从由N⁺⁺区和P⁺⁺区形成隧道结隧穿过去，从而为IGBT提供了逆导通道，这样形成的逆导IGBT芯片面积小、成本低，可靠性高；

2）在该隧穿型逆导IGBT关断时，N^-缓冲层中过剩的载流子可以直接通过该隧道结快速导走，该隧穿型逆导IGBT还可以提高关断速度，进而减少开关功率损耗；

3）无回跳。

附图说明

图1为本发明实施例提供的在同一坐标系中绘制的普通IGBT的“漏电流I_c—反偏电压V_CE”特性曲线图和逆导型IGBT的“漏电流I_c—反偏电压V_CE”特性曲线图；

图2为短路集电极型逆导IGBT的局部结构示意图；

图3为短路集电极型逆导IGBT的“集电极-发射极电流—集电极-发射极电压”特性曲线图；

图4为隧道结的电流电压特性曲线图；

图5为隧道结热平衡时的能带图；

图6为本发明实施例提供的隧穿型逆导IGBT的结构示意图。

具体实施方式

为了深入了解本发明，下面结合附图及具体实施例对本发明进行详细说明。

参见附图6，本发明提供的隧穿型逆导IGBT包括P⁺区1、P^-基区2、N^-漂移区3、N⁺缓冲层4、P⁺集电极5，在P⁺集电极5和N⁺缓冲层4内引入N⁺⁺区6，在P⁺集电极5内于N⁺⁺区6底部引入P⁺⁺区7，P⁺⁺区7与N⁺⁺区底部6接触，使得P⁺区1、P^-基区2、N^-漂移区3、N⁺缓冲层4、N⁺⁺区6和P⁺⁺区7构成逆导通道8，N⁺⁺区6和P⁺⁺区7形成隧道结，该隧道结的掺杂浓度为10¹⁹/cm³～10²⁰/cm³。

其中，典型掺杂浓度为5×10¹⁹/cm³。

其中，隧道结可以为突变结，从而，使所形成的隧道结良好。

本发明提供的隧穿型逆导IGBT的制造方法包括以下步骤：

在IGBT的P⁺集电极5和N⁺缓冲层4内注入高剂量的N型杂质，

激活N型杂质，使之形成N⁺⁺区6，

在P⁺集电极5内加入含有P型掺杂剂的合金，P型掺杂剂的合金与N⁺⁺区6的底部接触，

使P型掺杂剂的合金融化，使P型掺杂剂从合金中扩散出来形成P⁺⁺区7，

其中，

N⁺⁺区6和P⁺⁺区7形成隧道结，隧道结的掺杂浓度为10¹⁹/cm³～10²⁰/cm³。

其中，作为P型掺杂剂的合金融化的具体条件为P型掺杂剂的合金融化温度为500℃，融化时间为1min。

本发明提供的隧穿型逆导IGBT依据的原理如下：

由重掺杂的P区和N区形成的PN结通常称为隧道结，当隧道结两侧的掺杂浓度为10¹⁹/cm³～10²⁰/cm³，这是普通的隧道结的10～1000倍。由于耗尽区形成的势垒特别薄，为

当隧道结承受反应时，有较大的电流通过隧道效应流过隧道结，从而使隧道结具有双向导电能力。

隧道结电流电压特性如图4所示，正向电流一开始随正向电压的增加而迅速上升达到一个极大值I_P，称为峰值电流，对应的正向电压V_P称为峰值电压。随后电压增加，电流反而减小，达到一个极小值I_V，称为谷值电流，对应的电压V_V称为谷值电压。当电压大于谷值电压V_V后，电流又随电流电压特性曲线的斜率为负，随着电压的增大电流反而减小的现象称为负阻，这一段电流电压特性曲线的斜率为负，这一特性称为负阻特性。反向时，反向电流随反向偏压的增大而迅速增加。从图4和图5可以看到，隧道结具有良好的逆向导通特性，这是本发明提供的遂穿型IGBT的关键所在。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种隧穿型逆导IGBT，包括P⁺区、P^-基区、N^-漂移区、N⁺缓冲层、P⁺集电极，其特征在于，在所述P⁺集电极和N⁺缓冲层内引入N⁺⁺区，在所述P⁺集电极内于所述N⁺⁺区底部引入P⁺⁺区，所述P⁺⁺区与所述N⁺⁺区底部接触，使得所述P⁺区、P^-基区、N^-漂移区、N⁺缓冲层和N⁺⁺区构成逆导通道，所述N⁺⁺区和P⁺⁺区形成隧道结，所述隧道结的掺杂浓度为10¹⁹/cm³～10²⁰/cm³。

2.根据权利要求1所述的隧穿型逆导IGBT，其特征在于，所述掺杂浓度为5×10¹⁹/cm³。

3.根据权利要求1或2所述的隧穿型逆导IGBT，其特征在于，所述隧穿型逆导IGBT的PN结为突变结。

4.一种权利要求1中任一所述的隧穿型逆导IGBT的制造方法包括以下步骤：

在IGBT的P⁺集电极和N⁺缓冲层内注入的N型杂质，

激活所述N型杂质，使之形成N⁺⁺区，

在所述P⁺集电极内加入含有P型掺杂剂的合金，所述P型掺杂剂的合金与所述N⁺⁺区的底部接触，

使所述P型掺杂剂的合金融化，使所述P型掺杂剂从所述合金中扩散出来形成P⁺⁺区，

其中，

所述N⁺⁺区和P⁺⁺区形成隧道结，所述隧道结的掺杂浓度为10¹⁹/cm³～10²⁰/cm³。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述P型掺杂剂的合金融化温度为500℃，融化时间为1min。

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