CN1067489C - 锗硅阳极绝缘栅异质结晶体管 - Google Patents

锗硅阳极绝缘栅异质结晶体管 Download PDF

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Abstract

本发明给出了锗硅阳极绝缘栅异质结晶体管(SiGe-A-IGHBT)，其特征是采用不同于器件衬底Si材料的SiCe异质材料作为器件的阳极。在SiGe阳极中Ge的组份含量可从1%～100%变化，以据需要实现对阳极发射极注入水平的调控；其Ge组份可以是均匀分布也可以呈梯度分布；同时还可在SiGe异质阳极区和漂移区之间设置有Si或SiGe缓冲层，以达到提高器件耐压及速度的目的；它可以实现横向和纵向结构，是一种性能优异、实现容易、用途广泛的高速低功耗的MOS型功率器件。

Description

锗硅阳极绝缘栅异质结晶体管
本发明属半导体功率器件技术领域。
众所周知，传统的绝缘栅双极晶体管(IGBT)具有导通电阻Ron很低的优点，但却存在开关速度低，且器件的最大工作电流受到寄生晶闸管闭锁效应的限制等缺点，为了克服传统IGBT器件的缺点，1986年加拿大多伦多大学的C.A.T.Salama等人发明了肖特基注入场效应晶体管(SINFET)，它将肖特基势垒作为器件的阳极，从而使器件既具有Ron低的优点且克服了开关速度慢和容易产生闭锁等缺点，是一种新型高速低功耗MOS功率器件，但SIN-FET器件又有以下问题：首先，肖特基势垒高度对工艺过程过于敏感，难以进行工业化大生产；其次，一旦选定金属-半导体接触材料，就无法按需要调节肖特基势垒阳极的少子注入水平；第三，在肖特基势垒阳极下不能设置较高掺杂浓度的缓冲层，使器件的耐压受到限制等。
本发明的目的在于提出一种新结构的MOS型功率器件，它既具有SINFET器件的优点，又能按需要调节阳极的少子注入水平，适合于工业化大生产，是一种性能更佳的高速低功耗MOS型功率器件，可以满足更广泛应用范围的要求。
依据发明任务，本发明提供的一种锗硅阳极绝缘栅异质结晶体管(SiGe-A-IGHBT)，其特征在于它的阳极采用了不同于硅衬底的异质SiGe材料，它包括：在Si衬底1上有导电类型与衬底1相反的低掺杂浓度漂移区2，在漂移区2的一个面上有导电类型与其相同的高掺杂浓度Si源区5，在其相邻处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，由Si源区5和源极短路区4构成阴极区4、5，高掺杂浓度异质SiGe阳极区6可以设置在阴极区4、5同一平面的相隔处，也可以设置在漂移区2的另一个面上，其导电类型均与漂移区2相反，当异质SiGe阳极区6与阴极区4、5在同一平面上时，在所述的阴极区与阳极区之间的Si表面和部分阴极区的Si表面上形成有绝缘介质膜8，在所述的阴极区4、5表面、沟道区3上方绝缘介质膜8表面和阳极区6表面形成导电性能良好的电极并引出阴极(K)、栅极(G)和阳极(A)，构成了SiGe-A-IGHBT；当异质SiGe阳极区6设置在漂移区2的另一个面上时，在部分阴极区Si表面和阴极区以外的Si表面上形成有绝缘介质膜8，在所述的阴极区4、5表面、沟道区3上方绝缘介质膜8表面和阳极区6背面形成有导电性能良好的电极并相应引出阴极(K)、栅极(G)和阳极(A)，也构成了SiGe-A-IGHBT。
在本发明提供的SiGe-A-IGHBT中，当高掺杂浓度异质SiGe阳极6设置区在漂移区2上与阴极区4、5同一平面的相隔处时则构成横向SiGe-A-IGHBT，如图1a所示，对应于图1a的阳极异质结能带图如图1b所示；当高掺杂浓度异质SiGe阳极6设置在漂移区2的另一个面上则构成纵向SiGe-A-IGHBT，如图2所示。
在本发明提供的SiGe-A-IGHBT中，还可以在高掺杂浓度异质SiGe阳极区6与漂移区2之间设置有一个导电类型与漂移区2相同的较高掺杂浓度缓冲层7，从而构成了具有缓冲层SiGe-A-IGHBT，如图2、图4所示。
从图1(b)可以看出(以n沟器件为例)，p+SiGe阳极空穴注入n-区要越过的势垒高度比n-区电子注入p+SiGe阳极要高ΔEv(ΔEv为价带断裂)，即p+SiGe阳极空穴要注入到n-区，只能在高电平下实现，也就是说SiGe-A-IGHBT器件只有当阳极电压足够高时，阳极才会向n-区注入一定量的少数载流子，从而起到对n-区的电导调制作用，由于少数载流子的注入水平较低，没有明显的少子存储效应，因此器件速度快，且电导调制效应使器件Ron低，使SiGe-A-IGHBT的优值1/(Ron+toff)高，还由于SiGe阳极6的发射极注入效率低使器件具有较强的抗闭锁能力。以上原理同样适合于P沟器件。
在SiGe-A-IGHBT器件中的SiGe阳极6中的组份可从1％～100％之间变化，比如当采用化学汽相淀积(CVD)方法来制造SiGe时，能方便地控制其Ge组份的含量。SiGe阳极6中，Ge组份的不同意味着材料的禁带宽度不同，因而可利用Ge组份的改变来达到改变阳极发射极注入水平的目的，从而可灵活地实现器件的速度和导通电阻Ron参数间的折衷选择，采用CVD方法易于实现工业化大生产。
在SiGe阳极6及SiGe缓冲层7中Ge组份的分布可以是均匀的，也可以是梯度分布，比如Ge组份从SiGe/Si异质结界面到SiGe阳极6与阳极电极界面处逐渐增加，成为梯度分布。当呈梯度分布时，可在SiGe阳极6和缓冲层7中形成对非平载流子的加速电场，在关断瞬态中，起到抽出非平衡载流子的作用，从而可以提高器件速度。
图3和图4所示的SiGe-A-IGHBT中的SiGe阳极6与漂移区2之间的较高掺杂浓度缓冲层n+(或p+)7，它可以是较高掺杂浓度的Si层，也可以是较高掺杂浓度的SiGe层。对Si层，可采用注入、扩散或CVD方法制作；若用SiGe层，仍可采用CVD方法，在SiGe-A-IGHBT中可采用二次CVD的方法制作，第一次制作缓冲层7，第二次制作阳极6。当SiGe阳极下有高浓度的缓冲层后，可进一步降低寄生晶体管EB结的开启电压，既可防止基区穿通，提高器件的耐压，又可有提高器件在大电流下瞬态特性的作用，这是SINFET器件不能实现的。
本发明还很容易实现图3和图4所示的纵向SiGe-A-IGHBT器件，它比横向结构更节约芯片面积，特别是在单管分立器件、混合集成电路、智能功率模块等方面有广泛的用途，而SINFET器件则因它的阳极的肖特基势垒工艺与衬度背面金属化工艺不兼容，而无法实现纵向结构。
在本发明的SiGe-A-IGHBT中SiGe阳极与金属电极之间是欧姆接触，比SINFET中阳极是肖特基势垒的串联电阻大大减小，使器件的损耗大大降低。
从上述分析明显得出：本发明的SiGe-A-IGHBT器件集一般MOS功率器件(LDMOS、VDMOS)、传统IGBT、SINFET的优点于一身，例如，在相同的器件结构参数的条件下，SiGe-A-IGHBT比MOS功率器件的电流处理能力大43％～230％，其导通电阻Ron小43％～230％和相同的高的开关速度(toff)，因而使优值(1/Ron×toff)高43％～230％；SiGe-A-IGHBT比传统IGBT类似具有低Ron，但有高得多的速度；与SINFET相比，具有相同的高速度、高的抗闭锁能力和低Ron的优点，又可据需要调节阳极的少子注入水平且工艺过程易于控制，适合工化大生产，器件的耐压又可更高，还可实现纵向结构。是一种性能更佳的新型高速、低功耗的MOS型功率器件。
图1(a)本发明中横向SiGe-A-IGHBT器件结构示意图
(b)对应图1(a)的SiGe阳极能带示意图(以n沟器件为例)
图2：具有缓冲层的横向SiGe-A-IGHBT结构示意图
图3：纵向SiGe-A-IGHBT结构示意图
图4：具有缓冲层的纵向SiGe-A-IGHBT结构示意图
图中：(1)是Si衬底；(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；(6)是SiGe阳极区；(7)是SiGe或Si缓冲层；(8)是绝缘介质膜。
下面结构图1(a)进一步来说明本发明。
采用n-/p-外延片，在经过一系列横向双扩散n沟道MOS功率器件的常规制作工艺制成沟道区、阴极区、和n+多晶栅极及表面SiO2后，刻蚀去掉器件阳极(6)位置处SiO2，用CVD方法淀积一层p+SiGe薄膜，其中Ge的含量为30％，均匀分布，NB=1020cm-3，然后光刻并用RIE刻蚀掉多余区域的SiGe，随后光刻腐蚀开出阴极、栅极引线孔，再按常规MOS功率器件工艺蒸Al、反刻Al、合金，即可获得横向SiGe-A-IGHBT器件。

Claims (5)

1．一种锗硅阳极绝缘栅异质晶体管，其特征在于它的阳极采用了不同于硅衬底的异质SiGe材料，它包括：在Si衬底(1)上有导电类型与衬底(1)相反的低掺杂浓度漂移区(2)，在漂移区(2)的一个面上有导电类型与其相同的高掺杂浓度Si源区(5)，在其相邻处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)，由Si源区(5)和源极短路区(4)构成阴极区(4、5)，高掺杂浓度异质SiGe阳极区(6)可以设置在阴极区(4、5)同一平面的相隔处，也可以设置在漂移区(2)的另一个面上，其导电类型均与漂移区(2)相反，当异质SiGe阳极区(6)与阴极区(4、5)在同一平面上时，在所述的阴极区与阳极区之间的Si表面和部分阴极区的Si表面上形成有绝缘介质膜(8)，在所述的阴极区(4、5)表面、沟道区(3)上方绝缘介质膜(8)表面和阳极区(6)表面形成导电性能良好的电极并引出阴极(K)、栅极(G)和阳极(A)，构成了SiGe-A-IGHBT；当异质SiGe阳极区(6)设置在漂移区(2)的另一个面上时，在部分阴极区Si表面和阴极区以外的Si表面上形成有绝缘介质膜(8)，在所述的阴极区(4、5)表面、沟道区(3)上方绝缘介质膜(8)表面和阳极区(6)背面形成有导电性能良好的电极并相应引出阴极(K)、栅极(G)和阳极(A)，也构成了SiGe-A-IGHBT。
2．根据权利要求1所述的锗硅阳极绝缘栅异质结晶体管，其特征在于它的异质SiGe阳极区(6)与漂移区(2)之间设置有一个导电类型与漂移区(2)相同的较高掺杂浓度缓冲层(7)，从而构成具有缓冲层的SiGe-A-IGHBT。
3．根据权利要求1所述的锗硅阳极绝缘栅异质结晶体管，其特征在于所述的异质SiGe阳极(6)中Ge组份的含量可以从1％～100％变化。
4．根据权利要求1所述的锗硅阳极绝缘栅异质结晶体管，其特征在于所述的异质SiGe阳极(6)中Ge组份的分布可以是呈均匀分布；也可以是从SiGe/Si异质结界面到SiGe阳极与阳极金属电极界面处呈逐渐增加的梯度分布。
5．根据权利要求2所述的具有缓冲层的锗硅阳极绝缘栅异质结晶体管，其特征在于所述的较高浓度缓冲层(7)可以是Si层；也可以是SiGe层，其SiGe层中的Ge组份可以呈均匀分布；也可以从SiGe/Si异质结界面到SiGe阳极与阳极金属电极界面处呈逐渐增加的梯度分布。
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