一種具有深能級雜質注入的絕緣柵雙極性電晶體的製作方法

2023-07-30 19:55:16 3

專利名稱：一種具有深能級雜質注入的絕緣柵雙極性電晶體的製作方法
技術領域：
本發明屬於半導體功率技術領域，涉及絕緣柵雙極型電晶體(Insulate GateBipolar Transistor,簡稱 IGBT)。
背景技術：
絕緣柵雙極型電晶體(IGBT)作為電力電子器件的代表是整機提高性能指標和節能指標的首選產品。IGBT既有MOSFET的輸入阻抗高、控制功率小、驅動電路簡單、開關速度高的優點，又具有雙極型功率電晶體的電流密度大、飽和壓降低、電流處理能力強的優點。所以IGBT功率器件的三大特點就是高壓、大電流、高速，這是其它功率器件不能比擬的。所以它是電力電子領域非常理想的開關器件，IGBT產品集合了高頻、高壓、大電流三大技術優勢，同時IGBT能夠實現節能減排，具有很好的環境保護效益，IGBT廣泛應用於電力領域、消費電子、汽車電子、新能源等傳統和新興領域，市場前景非常廣闊。當IGBT正嚮導通時，正的柵極電壓使得溝道開啟，發射極電子經過溝道流向漂移區，由於集電極正向偏置，集電區空穴大量湧入漂移區，和漂移區的大量電子發生電導調製效應，從而能使得IGBT相比於VDMOS的導通壓降小很多；當IGBT關斷時，柵極電壓為負電壓或者是零電壓，發射極電子突然消失，集電極為高電壓，大量空穴繼續湧向漂移區，形成大的空穴電流，此時IGBT處於反向阻斷狀態，由於寄生PNP管α ΡΝΡ隨著溫度升高而急劇上升，使得IGBT的漏電流隨著溫度的升高而大幅升高，高溫、高電壓、高電流很容易引起器件的雪崩擊穿乃至燒毀。而湧向漂移區的大量空穴除了和電子一部分分別被陽極和陰極快速抽取，另一部分在沒有耗盡的底部漂移區內複合從而產生拖尾電流，相比於VDMOS，IGBT關斷時間大得多；雖然IGBT有諸多性能優勢，但是減少高溫漏電流，改善IGBT的關斷特性，提高IGBT的可靠性一直是IGBT研究的重點。本發明以此為契機，目的在於減少高溫漏電流，進一步降低IGBT器件的整體功耗，改善IGBT的關斷特性，提高IGBT的可靠性。

發明內容
本發明提供一種具有深能級雜質注入的絕緣柵雙極性電晶體(IGBT)，該IGBT是在傳統平面柵電場終止型絕緣柵雙極型電晶體(PlanarFS-IGBT)基礎上，在其漂移區中注入深能級雜質，形成深能級雜質注入的漂移區，所述深能級雜質注入的漂移區隨著IGBT工作溫度的升高，雜質電離度升高導致雜質濃度增加，從而有效減少寄生PNP管α ΡΝΡ的大小，減少高溫漏電流，整體上減少IGBT的功率損耗；此外，深能級雜質是複合中心，可加速漂移區內電子空穴對的複合，有效改善關斷特性，提高IGBT的可靠性。本發明的技術方案如下—種具有深能級雜質注入的絕緣柵雙極性電晶體,其元胞結構如圖2所示,包括有源發射極1，多晶矽柵電極2，金屬集電極3，二氧化矽柵氧化層4，N+有源區5，P型基區6，P+體區7，N-漂移區8，N+電場終止層9，P+集電區10 ;器件從底層往上依次是金屬化集電極3、Ρ+集電區10、Ν+電場終止層9、Ν-漂移區8，P型基區6位於N-漂移區8頂部兩偵牝P型基區6內具有N+有源區5，P+體區7位於P型基區6下方的N-漂移區8兩側、且與P型基區6和N-漂移區8分別接觸；元胞表面兩側分別與N+有源區5和P型基區6接觸的是有源發射極1，元胞表面中間分別與N+有源區5、P型基區6和N-漂移區8接觸的是二氧化矽柵氧化層4，二氧化矽柵氧化層4表面是多晶矽柵電極2，多晶矽柵電極2與有源發射極I之間填充絕緣介質。所述N-漂移區8內部摻雜了深能級N型雜質。其深能級N型雜質摻雜元素包括硫、硒、金、碲或鉬。本發明的工作原理如下本發明所提出的具有深能級雜質注入的絕緣柵雙極性電晶體，主要是利用深能級雜質隨著溫度升高，電離度升高這一特性來改善IGBT的性能，可有效減小高溫漏電流，進一步減少IGBT的整體功耗，改善IGBT的關斷特性，提高IGBT可靠性，現以示意圖2，摻深能級雜質硫元素為例，說明其工作原理。
本發明提出的具有深能級雜質注入的絕緣柵雙極性電晶體是在傳統PI anarFS-IGBT基礎上，在其N-漂移區8中注入深能級雜質，利用深能級雜質隨著溫度升高而電離度增加這一有益特性來改善IGBT的性能。IGBT無論是工作時的正嚮導通狀態還是關斷時的反向阻斷狀態，IGBT的分析都可等效為IGBT器件中寄生的M0SFET+BJT組合模型的分析。當N+有源區5，P型基區6，N-漂移區8組成的MOSFET柵電極電壓大於閾值電壓時，溝道開啟，N+有源區5的電子通過溝道注入到N-漂移區8中，從而為P型基區6，N-漂移區8，N+電場終止層9和P+集電區10組成的PNP電晶體提供了基極電流，從而寄生PNP管也隨之開啟，從而IGBT器件正嚮導通。在傳統Planar FS-IGBT中，N+有源區5大量電子注入到漂移區內，形成的基極電流，經PNP管的放大作用形成一個很大的陽極電流。當IGBT關斷時處於反向阻斷狀態時，隨著溫度升高，寄生PNP管的α ΡΝΡ急劇上升，伴隨而來的是陽極漏電流的急劇升高，升高的漏電流反過來又使器件溫度升高，從而形成了正反饋使得陽極漏電流持續急劇升高。高溫形成的極大陽極漏電流，不僅會產生很大的功耗，而且高溫、高壓、大電流會引起IGBT動態雪崩擊穿乃至於器件燒毀，不利於IGBT的正常工作和應用。本發明提出的具有深能級雜質注入的絕緣柵雙極性電晶體，由於N-漂移區8中摻雜了深能級雜質，摻入的深能級雜質隨著溫度升高，電離度增加，硫電離的電子濃度也隨之大幅升高，其體現的有益效果表現為，隨著溫度升高漂移區8增加的基區載流子濃度有效減少了寄生PNP電晶體的發射效率Ye，而寄生PNP管的共基極電流放大倍數αΡΝΡ為發射效率Υε和基區輸運係數ατ的積，所以Cipnp有效減小。當器件溫度升高，Cipnp大幅減小，陽極漏電流也隨之大幅減小，如圖3所不。減小的聞溫漏電流能降低IGBT的整體功耗，有效防止聞溫、高壓、大電流引起的雪崩擊穿乃至燒毀，能極大提高IGBT的工作能力和可靠性。N-漂移區8增加的載流子濃度能加速與空穴複合，而且深能級雜質本身就是複合中心，也能進一步加速電子空穴的複合，有效改善關斷特性，提高IGBT的可靠性。綜上所述，本發明所提出的具有深能級雜質注入的絕緣柵雙極性電晶體，當器件工作溫度升高時，能大幅減少寄生PNP管的α ΡΝΡ，有效減小高溫漏電流，進一步降低IGBT的整體功耗，減少因高溫、高壓、大電流引起的雪崩擊穿，而且深能級雜質本身就是複合中心，能加速電子空穴的複合，有效改善關斷特性，提高IGBT的可靠性。


圖I是傳統Planar FS-IGBT結構示意圖。圖2是本發明提出的新型IGBT結構示意3是本發明提出的新型IGBT反向阻斷狀態高溫漏電流示意圖。圖4是傳統Planar FS-IGBT關斷時空穴的複合與抽取過程示意圖。圖5是本發明提出的新型IGBT關斷時空穴的複合與抽取過程示意圖。圖I至圖5中1是有源發射極，2是多晶矽柵電極，3是金屬集電極，4是二氧化矽柵氧化層，5是N+有源區，6是P型基區，7是P+體區，8是N-漂移區，9是N+電場終止層，10是P+集電區。圖2至圖5中N-漂移區8中摻入了深能級N型雜質。圖3中虛線表示反向阻斷狀態耗盡區位置，帶箭頭實線表示漏電流的電流方向。圖4和圖5中+符號表示空穴，-符號表示電子，箭頭表示載流子運動方向。·
具體實施例方式—種具有深能級雜質注入的絕緣柵雙極性電晶體,其元胞結構如圖2所示,包括有源發射極1，多晶矽柵電極2，金屬集電極3，二氧化矽柵氧化層4，N+有源區5，P型基區6，P+體區7，N-漂移區8，N+電場終止層9，P+集電區10 ;器件從底層往上依次是金屬化集電極3、P+集電區10、N+電場終止層9、N-漂移區8，P型基區6位於N-漂移區8頂部兩偵牝P型基區6內具有N+有源區5，P+體區7位於P型基區6下方的N-漂移區8兩側、且與P型基區6和N-漂移區8分別接觸；元胞表面兩側分別與N+有源區5和P型基區6接觸的是有源發射極1，元胞表面中間分別與N+有源區5、P型基區6和N-漂移區8接觸的是二氧化矽柵氧化層4，二氧化矽柵氧化層4表面是多晶矽柵電極2，多晶矽柵電極2與有源發射極I之間填充絕緣介質。所述N-漂移區8內部摻雜了深能級N型雜質。其深能級N型雜質摻雜元素包括硫、硒、金、碲或鉬。本發明提供的具有深能級雜質注入的絕緣柵雙極性電晶體一種新型IGBT，其實現方法如下，選取N型〈100〉晶向區熔單晶襯墊，注入深能級雜質形成深能級雜質注入的N-漂移區，背面注入FS層，場氧化，刻蝕有源區，柵氧化，澱積多晶矽，光刻多晶矽，P型基區注入，N+源區光刻及注入，P體區注入，P體區推阱，沉積氧化層，刻引線孔，沉積金屬，金屬曝光刻蝕，背面透明P區注入，背面金屬化，鈍化等等。與傳統Planar FS-IGBT結構相比，沒有增加掩膜板，沒有增加額外工藝，容易實現。在具體實施過程中，所述的深能級雜質漂移區中的雜質元素包括硫、硒、碲、金、鉬等。所述的深能級N型雜質在N-漂移區8內可以部分區域或全部區域注入，其注入位置和厚度可調。另外，製作器件時還可用碳化矽、砷化鎵、磷化銦或鍺矽等半導體材料代替體矽。
權利要求
1.一種具有深能級雜質注入的絕緣柵雙極性電晶體，其元胞結構如圖2所示，包括有源發射極(1)，多晶矽柵電極(2)，金屬集電極(3)，二氧化矽柵氧化層(4)，N+有源區(5)，P型基區(6)，P+體區(7)，N-漂移區(8)，N+電場終止層(9)，P+集電區(10);器件從底層往上依次是金屬化集電極(3)、P型集電區(10)、N+電場終止層(9)、N-漂移區(8)，P型基區(6)位於N-漂移區(8)頂部兩側，P型基區(6)內具有N+有源區(5)，P+體區(7)位於P型基區(6)下方的N-漂移區(8)兩側、且與P型基區(6)和N-漂移區(8)分別接觸；元胞表面兩側分別與N+有源區(5)和P型基區(6)接觸的是有源發射極(1)，元胞表面中間分別與N+有源區(5)、P型基區(6)和N-漂移區(8)接觸的是二氧化矽柵氧化層(4)，二氧化矽柵氧化層(4)表面是多晶矽柵電極(2)，多晶矽柵電極(2)與有源發射極(I)之間填充絕緣介質；所述N-漂移區(8)內部摻雜了深能級N型雜質。
2.根據權利要求I所述的具有深能級雜質注入的絕緣柵雙極性電晶體，其特徵在於，所述深能級N型雜質的摻雜元素包括硫、硒、金、碲或鉬。
3.根據權利要求I所述的具有深能級雜質注入的絕緣柵雙極性電晶體，其特徵在於，所述的深能級N型雜質在N-漂移區(8)內部分區域或全部區域注入，其注入位置和厚度可調。
全文摘要
一種具有深能級雜質注入的絕緣柵雙極性電晶體，屬於半導體功率器件技術領域。本發明在傳統Planar FS-IGBT基礎上，在其N-漂移區(8)中注入深能級N型雜質。通過深能級雜質隨著溫度升高，電離度升高，雜質濃度上升這一特性，能有效減小IGBT寄生PNP電晶體αPNP，從而減小IGBT的高溫漏電流，進一步減少IGBT的整體功耗；N-漂移區(8)增加的電子濃度和空穴在漂移區加速複合，而且深能級雜質本身就是複合中心，進一步加速電子空穴的複合，減少IGBT的關斷過程，有效改善關斷特性，提高IGBT的可靠性。
文檔編號H01L29/36GK102779839SQ20121024877
公開日2012年11月14日 申請日期2012年7月18日 優先權日2012年7月18日
發明者任敏, 張波, 張蒙, 張金平, 李巍, 李澤宏, 李長安 申請人:電子科技大學