CN1053527C

CN1053527C - 绝缘栅异质结双极晶体管

Info

Publication number: CN1053527C
Application number: CN96117550A
Authority: CN
Inventors: 李平; 李肇基
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 1996-05-14
Filing date: 1996-05-14
Publication date: 2000-06-14
Anticipated expiration: 2016-05-14
Also published as: CN1165404A

Abstract

本发明给出了一簇绝缘栅异质结双极晶体管，其特征在于采用了不同于衬底Si材料的窄禁带SiGe材料做为源区，并又采用宽禁带材料作为阳极或短路阳极。在本发明中，SiGe源区窄禁带发射极HBT具有很低的β值，使器件闭锁条件得不到满足，而宽禁带阳极的采用又使器件的阳极发射极注入能力提高，因而本发明从器件结构上彻底地消除了闭锁效应，并使器件的可靠性、电流能力、速度等性能有显著改善，另可作为崭新的小信号超高增益场控器件。

Description

绝缘栅异质结双极晶体管

本发明属半导体器件技术领域。

传统的绝缘栅双极晶体管(IGBT)，由于导通电阻小，电流处理能力强，零温度系数等优点，正日益成为600V以上高压功率器件的主力器件，其结构示意图如图1(以纵向P沟器件为例)。这种器件的阴极区4、5、阳极区1、沟道区3、和漂移区2均采用Si材料制成。从图1可以看出，其结构本身不可避免地存在级联的npn和pnp两支寄生双极晶体管(BJT)构成的pnpn晶闸管，当两只寄生BJT的β_npn同×β_pnp同≥1时(β_npn同和β_pnp同分别为寄生npn和pnp管的共发射极电流增益)，IGBT器件产生静态和动态闭锁，从而影响了器件的可靠性和电流处理能力，并限制了导通电阻Ron的降低等等。为此，人们为抑制闭锁进行了一系列改进，比如从工艺上尽量提高与源区导电类型相反的源极短路区5的掺杂浓度并让高掺杂浓度短路区4尽量靠近沟道区3边缘；或在横向IGBT器件中采用埋层结构等等来减小短路电阻Rs，这些方法均使器件的抗闭锁能力有所增强，但都大大增加了工艺难度，特别是光刻和扩散工艺的难度，进而影响器件的成品率，增加了制造成本，加之源极短路区4存在体电阻，使Rs不能为零，使IGBT器件的闭锁问题得不到根本解决，限制了IGBT器件性能的改进，亦使该结构器件不能成为高增益小信号放大器件。

针对传统IGBT器件结构存在的问题，和改进结构的不足，本发明的目的在于提出一种新结构的器件，使之能有效地消除闭锁效应，并具有明显优于传统IGBT器件的性能，还能扩展器件的应用范围到高增益小信号放大领域。

依据发明任务，本发明提供的绝缘异质结双极晶体管(以下简称IGHBT)，其特征是在已有的Si绝缘栅双极晶体管(IGBT)的基础上采用了窄禁带异质SiGe材料做为源区或采用窄禁带异质SiGe材料做源区和采用宽禁带异质材料非晶Si(αSi)或微晶Si(MCSi)或碳化硅(SiC)做为阳极或短路阳极，构成一簇新型纵向或横向IGHBT，如图2、图3、图4、图5所示。

在本发明中所述的窄禁带材料或宽禁带材料均是指它的禁带宽度与衬底Si材料的禁带宽度相比较而言，比如SiGe0.66ev＜Eg_SiGe＜1.1ev；αSiEg＝1.7ev：mcSiEg＝1.7ev；SiCEg＝2.2ev等等。

在本发明中，由于采用了窄禁带异质SiGe材料做为源区，同时源区又是寄生双极型晶体管BJT的发射区，从而便得该寄生BJT(对P沟器件为寄生pnp管，对n沟器件则为寄生npn管)的发射结成为异质结，异质结寄生晶体管表示为HBT，其HBT的共发射极电流增益β与BJTβ的关系可表示为(以P沟器件为例)：

β_npnp窄异＝exp(-△Eg/KT)·β_npnp同……(1)

(1)式中β_npnp窄异和β_npnp同分别为窄禁带发射区异质HBT和同质BJT由发射极注入效率r决定的最大共发射极电流增益；

△Eg为发射结处窄禁带异质SiGe材料与同质Si材料禁带宽度之差。当△Eg＝0.25ev时(相对于SiGe材料中Ge组份含量为30％)

β_npnp窄异＝6.7×10^-5β_npnp同

可见，在本发明中，当采用窄禁带异质SiGe材料做为源区6后，其寄生双极晶体管的β降低了4个数量级以上。窄禁带异质SiGe发射结HBT具有低β。这使得在本发明的IGHBT器件中闭锁效应产生的条件：

β_npn×β_pnp≥1得不到满足，因而本发明从器件结构上彻底的消除了闭锁效应。

在本发明中，窄禁带异质SiGe源区材料中Ge组份含量选取原则是使得寄生HBT的β_{pnp窄异(npn窄异)}足够小，从而满足：

β_npn同×β_pnp窄异＜＜1 (对P沟器件)

β_pnp同×β_npn窄异＜＜1 (对n沟器件)

在器件的设计中可根据沟道长度、沟道区掺杂浓度、外延层厚度和浓度的不同来决定Ge组份的含量，一般说来，寄生双极晶体管的基区宽度愈小，基区掺杂浓度愈低，则需要较大的Ge组份，反之则需要较小的Ge组份。

在本发明的源区中的窄禁带异质SiGe材料为赝晶或多晶。在SiGe材料中的Ge组份的分布可以是均匀分布也可呈梯度分布，从源区发射结处的低组份逐步过渡到源区表面的高Ge组份，比如从5％～30％，这样可以进一步降低β_pnp窄异(对P沟器件)或β_npn窄异(对n沟器件)，抗闭锁性能将会更好。另外，在发明的所有结构中，源极短路区4没有紧靠沟道区3的边缘，给光刻工艺提供了非常宽松的条件，使工艺容易，有利于提高成品率。

从以上分析看出，本发明由于源区6采用窄禁带异质SiGe材料，β_npn窄异(或β_pnp窄异)很小，从而使得阳极区可以采用宽禁带异质材料，例如非晶Si(αSi)、微晶Si(MCSi)、碳化硅(SiC)等等。仍以P沟器件为例，当设β_pnpn宽异为宽禁带发射区异质结寄生npn管由发射极注入效率r决定的最大共发射极电流增益时，可以写出

β_pnpn窄异＝exp(△Eg/KT)·β_pnpn同……(2)

根据上述分析，从抗闭锁角度，同理，此器件结构中，窄禁带SiGe源区中Ge组份含量和宽禁带材料禁带宽度的选取原则应满足；

β_npn宽异×β_pnp窄异＜＜1 (对P沟器件)

β_pnp宽异×β_npn窄异＜＜1 (对n沟器件)

首先传统的IGBT器件的阳极电流I₆可写为：(以P沟器件为例)

I_A＝(1+β_npn同)Imos ……(3)我们知道，既使源区采用了源极短路等等措施后，在同质结范围内β_pnp同一般只能降低到≥0.1，根据前述的抗闭锁条件，β_npn同最大只能为≤10。从式(3)看出，在传统的IGBT器件中，阳极电流一般最多为其MDS电流的10倍。

而在本发明中，根据前面的分析，当源区采用SiGe材料，而阳极采用宽禁带材料来构成宽禁带发射区异质结HBT后，假定同质结BJTβ_pnp同＝0.1.则β_pnp窄异＝6.7×10^-5·β_pnp同＝6.7×10^-6(相对于SiGe中Ge组份含量为30％时)，此时允许β_npn宽异的范围变成了约≤10⁵均不会发生闭锁，而(3)式中的阳极电流会显著增大，这意味着提高了本发明器件的电流处理能力，并相应地降低其正向压降(或导通电阻)。

其次，传统的IGBT的跨导g_m可表示为(仍以P沟器件为例)

g_m＝(1+β_npn)g_m mos……(4)由于产生闭锁问题的限制，传统IGBT器件的g_m一般小于其MOS器件g_m的10倍。而在本发明中，当采用窄禁带异质^SiGe源区和宽禁带异质阳极后，β_npn宽异可增大到10⁵以下的范围，而目前，宽禁带发射区HBT是很容易实现β_npn宽异≥10⁴。由式(4)可以得出，本发明的第这种结构器件可以很容易获得比其MOS器件高一万倍的g_m增益，这一特性对小信号放大有广泛用途，可利用此结构构成一种小信号放大用高增益场控器件，从而本发明把IGBT器件的应用范围扩展到高增益器件领域。

本发明所述的宽禁带异质阳极中的宽禁带材料可以占据整个阳极区位置，也可以占据其中的部分位置，而未被占据的阳极区可以是与漂移区同型的高掺杂浓度的阳极短路区11，也可以就是漂移区2的一部分，如图6和图7所示。所述的阳极短路区11，在关断过程中提供非平衡载流子通路，从而加速关断过程，提高了本发明IGHBT的开关速度。

本发明中所述的窄禁带异质高掺杂浓度SiGe源区的制备，可在已经制出源区位置的传统IGBT器件上，采用刻蚀工艺，将其源区位置上的Si刻去后，用化学汽相淀积(CVD)方法，在其上生长形成含有所需Ge组份的SiGe晶体，(当然，如果Ge组份为100％，则SiGe晶体就成为Ge晶体)，同时按需要进行自掺杂磷、砷或硼，即可形成n⁺或p⁺SiGe源区；亦可在传统IGBT的源区处，在磷、砷或硼注入时进行Ge离子注入，并进行高温退火来形成n⁺或p⁺SiGe源区。

本发明所述的宽禁带异质阳极材料，也可以采用如上所述的CVD方法，在传统IGBT的阳极处形成高浓度的非晶硅(αsi)、微晶硅(MCSi)或碳化硅(SiC)阳极。

从上可以看出，本发明可在传统IGBT器件制造工艺的基础上，SiGe材料可由CVD或离子注入获得，所述宽禁带材料可由CVD方法得到，因此本发明器件适合批量生产。

采用本发明的结构获得如下优点：

首先，本发明从器件结构上十分有效地消除了闭锁效应，使器件的可靠性大大提高，器件的抗噪声、抗辐射、抗电磁干扰、电感负载等的能力大大增强；

其次，使器件的电流处理能力增强，导通电阻降低，其沟道长度L(即寄生双极晶体管基区宽度)可大大减小，而无需担心寄生双极晶体管的β增高，例如，对耐压在1000V的本发明结构器件，L可从传统IGBT的5～6μm减小到≤1μm，而Imos∝1/L，所以与传统IGBT器件比较本发明器件的电流处理能力可增强5～6倍，Ron则降低了5～6倍。

第三，在相同的电流密度下，若Imos增大5～6倍，则据(3)式β_npn可降低5～6倍。众所周知，IGBT器件的开关速度主要取决于开关下降时间t_off，而t_off∝β_npn(对P沟器件)，故t_off可降低5～6倍，即本发明器件的开关速度被提高了5～6倍。

第四，由于源极短路区不需紧靠沟道区边缘而消除了对源极短路区扩散结深和光刻精度的苛刻要求，使器件成品率提高；对横向器件，也不需在阴极下设埋层来降低Rs，简化了工艺；其窄、宽禁带材料的制备工艺与传统IGBT的制造工艺兼容，且制造工艺适合于工业化大生产，易于推广应用。

第五，采用本发明所述的窄禁带源区和宽禁带阳极结构时，不仅可大大提高器件性能，而且还可获得小信号高增益场控器件，把传统IGBT的应用范围扩展到高增益器件领域。

第六，采用本发明所述的短路阳极IGHBT结构，可以在相当程度上保持前述优点一～四，同时，器件还具备高速的优点。

附图及附图说明：

图1：传统Si IGBT结构示意图

图中：1是高浓度Si衬底，即Si阳极区，2是Si漂移区；3是Si沟道区：4是Si源极短路区：5是Si源区；10是栅绝缘膜。

图2本发明的窄禁带异质SiGe源区纵向IGHBT结构示意图

图3本发明的窄禁带异质SiGe源区横向IGHBT结构示意图

图4本发明的窄禁带异质SiGe源区、宽禁带异质阳极纵向IGHBT结构示意图

图5本发明的窄禁带异质SiGe源区、宽禁带异质阳极横向IGHBT结构示意图

图6阳极短路纵向IGHBT结构示意图

图7阳极短路横向IGHBT结构示意图

图2～7中：1是Si阳极；2是Si漂移区；3是Si沟道区；4是Si源极短路区；6是窄禁带异质SiGe源区；7是横向器件低浓度衬底；8是Si源区；9是宽禁带异质阳极区；10是栅绝缘介质膜；11是阳极短路区。

下面结合图2～5对本发明做进一步的描述：

图2是本发明提供窄禁带异质SiGe源区纵向IGHBT，其特征在于它的源区采用了窄禁带异质SiGe材料，它包括：在高掺杂浓度Si衬底1的一面上有导电类型与其相反的低掺杂浓度漂移区2，在所述的漂移区2的表面附近设置有导电类型与其相同的高掺杂浓度窄禁带异质SiGe源区6，并在其相邻处分别有导电类型与其相反的沟道区3和高掺杂浓度的源极短路区4，所述的4区不须紧靠3区边缘，所述的SiGe源区6和源极短路区4组成阴极区，在所述的阴极区局部表面和阴极区以外的Si表面形成有绝缘介质膜10，高掺杂浓度衬底1作为同质Si阳区，从所述的阴极区表面、沟道区3上方绝缘介质膜10表面和阳极区1背表面形成有导电性能良好的电极并相应引出K、G、A电极构成。

图3是本发明提供的窄禁带异质SiGe源区横向IGHBT，其特征在于它的源区采用了窄禁带异质SiGe材料，它包括在低掺杂浓度Si衬底7的一面上有导电类型与其相反的低掺杂浓度漂移区2，在漂移区2的表面附近相隔设置有导电类型与其相同的高掺杂浓度窄禁带异质SiGe源区6，和导电类型与其相反的高掺杂浓度同质Si阳极区1，在所述的SiGe源区6相邻处分别有导电类型与其相反的沟道区3和高掺杂浓度源极短路区4，所述的4区不须紧靠沟道区3边缘，其所述的SiGe源区6与源极短路区4组成阴极区，在所述的阴极区和阳极区1局部表面及阴极区与阳极区1之间的Si表面形成有绝缘介质膜10，在所述的阴极区表面、沟道区3上方绝缘介质膜10表面和阳极区1表面形成有导电性能良好的电极并相应引出K、G、A电极构成。

图4是本发明给出的窄禁带异质SiGe源区、宽禁带异质阳极纵向IGHBT，其特征在于它的源区采用了窄禁带异质SiGe材料，而阳极区采用了宽禁带异质材料，它包括在作为漂移区的Si衬底2的表面附近设置有导电类型与其相同的高掺杂浓度窄禁带异质SiGe源区6，并在其相邻处分别有导电类型与其相反的沟道区3和高掺杂浓度源极短路区4，所述的4区不须紧靠3区的边缘，所述的异质SiGe源区6和源极短路区4组成阴极区，所述的阴极区局部表面和阴极区以外的Si表面形成有绝缘介质膜10，在源移区2的另一面上有导电类型与其相反的高掺杂浓度宽禁带异质阳极区9，从所述的阴极区表面、沟道区3上方绝缘介质膜10表面和阳极区9背表面形成有导电性能良好的电极并相应引出K、G、A电极构成。

图5是本发明给出的窄禁带异质SiGe源区、宽禁带异质阳极横向IGHBT，其特征在于它的源区采用了窄禁带异质SiGe材料，而阳极区采用了宽禁带异质材料，它包括在低掺杂浓度Si衬底7的一面上有导电类型与其相反的低掺杂浓度漂移区2.在漂移区2的表面附近相隔设置有导电类型与其相同的高掺杂浓度窄禁带异质SiGe源区6和导电类型与其相反的高掺杂浓度宽禁带异质阳极区9，在所述的异质SiGe源区6的相邻处分别有导电类型与其相反的沟道区3和高掺杂浓度源极短路区4，所述的4区不须紧靠3区边缘，所述的异质SiGe源区6与源极短路区4组成阴极区，在所述的阴极区和阳极区9局部表面及阴极区与阳极区9之间的Si表面形成有绝缘介质膜10，在所述的阴极区表面、沟道区3上方绝缘介质膜10表面和阳极区9表面形成导电性能良好的电极并相应引出K、G、A电极构成。

Claims

1、绝缘栅异质结双极晶体管(IGHBT)，其特征是在Si绝缘栅双极晶体管(IGBT)的基础上采用了窄禁带异质SiGe材料做为源区或采用了窄禁带异质SiGe材料做为源区和采用了宽禁带异质材料做为阳极构成一簇纵向或横向IGHBT。

2、根据权利要求1所述的绝缘栅异质结双极晶体管，其特征在于它的源区采用了窄禁带异质SiGe材料，它包括：在高掺杂浓度Si衬底(1)的一面上有导电类型与其相反的低掺杂浓度漂移区(2)，在所述漂移区(2)的表面附近设置有导电类型与其相同的高掺杂浓度窄禁带异质SiGe源区(6)，并在其相邻处分别有导电类型与其相反的沟道区(3)和高掺杂浓度源极短路区(4)，所述的源极短路区(4)不须紧靠沟道区(3)的边缘，由所述的SiGe源区(6)和源极短路区(4)组成阴极区，在所述的阴极区局部表面和阴极区以外的Si表面形成有绝缘介质膜(10)，高掺杂浓度衬底(1)作为同质Si阳极区，从所述的阴极区表面、沟道区(3)上方绝缘介质膜(10)表面和阳极区(1)背面形成有导电性能良好的电极并相应引出K、G、A电极构成窄禁带异质SiGe源区纵向IGHBT。

3、根据权利要求1所述的绝缘栅异质结双极晶体管，其特征在于它的源区采用了窄禁带异质SiGe材料，它包括：在低掺杂浓度Si衬底(7)的一面上有导电类型与其相反的低掺杂浓度漂移区(2)，在所述漂移区(2)的表面附近相隔设置有导电类型与其相同的高掺杂浓度窄禁带异质SiGe源区(6)和导电类型与其相反的高掺杂浓度同质Si阳极区(1)，在所述的SiGe源区(6)的相邻处分别有导电类型与其相反的沟道区(3)和高掺杂浓度源极短路区(4)，由所述的(4)区不须靠近(3)区的边缘，所述的(6)区与(4)区组成阴极区，在所述的阴极区和阳极区(1)局部表面及阴极区与阳极区(1)之间的Si表面形成有绝缘介质膜(10)，从所述的阴极区表面、沟道区(3)上方绝缘介质膜(10)表面和阳极区(1)表面形成有导电性能良好的电极并相应引出K、G、A电极，构成窄禁带异质SiGe源区横向IGHBT。

4、根据权利要求1所述的绝缘栅异质结双极晶体管，其特征在于它的源区采用了窄禁带异质SiGe材料而阳极采用了宽禁带异质材料，它包括：在作为漂移区的Si衬底(2)的表面附近设置有导电类型与其相同的高掺杂浓度窄禁带异质SiGe源区(6)，并在其相邻处分别有导电类型与其相反的沟道区(3)和高掺杂浓度源极短路区(4)，所述的(4)区不须紧靠(3)区的边缘，所述的SiGe源区(6)和源极短路区(4)组成阴极区，在所述的阴极区局部表面和阴极区以外的Si表面形成有绝缘介质膜(10)，在所述的漂移区(2)的另一面上有导电类型与其相反的高掺杂浓度宽禁带异质阳极区(9)，在所述的阴极区表面、沟道区(3)上方绝缘介质膜(10)表面和阳极区(9)背表面形成有导电性能良好的电极并相应引出K、G、A电极，构成窄禁带异质SiGe源区、宽禁带异质阳极纵向IGHBT。

5、根据权利要求1所述的绝缘栅异质结双极晶体管，其特征在于它的源区采用了窄禁带质SiGe材料而阳极采用了宽禁带异质材料，它包括：在低掺杂浓度Si衬底(7)的上面有导电类型与其相反的低掺杂浓度漂移区(2)，在所述漂移区(2)的表面附近相隔设置有导电类型与其相同的高掺杂浓度窄禁带异质SiGe源区(6)和导电类型与其相反的高掺杂浓度宽禁带异质阳极区(9)，在所述的SiGe源区(6)的相邻处分别有导电类型与其相反的沟道区(3)和高掺杂浓度源极短路区(4)，所述的(4)区不须紧靠(3)区边缘，所述的(6)区与(4)区组成阴极区，在所述的阴极区和阳极区(9)局部表面及阴极区与阳极区(9)之间的Si表面形成有绝缘介质膜(10)、在所述的阴极区表面、沟道区(3)上方绝缘介质膜(10)表面和阳极区(9)表面形成导电性能良好的电极并相应引出K、G、A电极，构成窄禁带异质SiGe源区、宽禁带异质阳极横向IGHBT。

6、根据权利要求1所述的绝缘栅异质结双极晶体管，其特征在于所述的窄禁带异质SiGe源区(6)中的Ge组份含量的选取原则是满足：

β_npn同×β_pnp窄异＜＜1 (对P沟器件)

β_pnp同×β_npn窄异＜＜1 (对n沟器件)

7、根据权利要求1所述的绝缘栅异质结双极晶体管，其特征在于所述的窄禁带异质SiGe源区(6)中的Ge组份含量及宽禁带阳极(9)的宽禁带材料的禁带宽度的选取原则是满足：

β_npn宽异×β_pnp窄异＜＜1 (对P沟器件)

β_pnp宽异×β_npn窄异＜＜1 (对n沟器件)

8、根据权利要求1所述的绝缘栅异质结双极晶体管，其特征在于所述的窄禁带异质SiGe源区(6)中的Ge组份：

1)呈梯度分布，即由源结(发射结)处的低组份逐步过渡到SiGe源区表面的高Ge组份的梯度分布；

2)呈均匀分布。

9、根据权利要求1所述的绝缘栅异质结双极晶体管，其特征在于所述的窄禁带异质SiGe源区(6)中的SiGe材料：

1)是赝晶；

2)是多晶。

10、根据权到要求1所述的绝缘栅异质结双极晶体管，其特征在于所述的宽禁带阳极区(9)中的宽禁带材料：

1)占据整个阳极位置；

2)占据部份阳极位置。

11、根据权到要求10所述的绝缘栅异质结双极晶体管，其特征在于未被宽禁带材料占据的部分阳极区：

1)由高掺杂浓度且与漂移区(2)相同导电类型的阳极短路区(11)组成；

2)为漂移区(2)的一部分。