專利名稱：一種平面柵電荷存儲型igbt的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于功率半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域，涉及絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)，更具體的說，涉及平面柵電荷存儲型絕緣柵雙極型晶體管。
背景技術(shù)：
絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)是一種MOS場效應(yīng)和雙極型晶體管復(fù)合的新型電力電子器件。它既有MOSFET易于驅(qū)動、控制簡單的優(yōu)點，又有功率晶體管導(dǎo)通壓降低、通態(tài)電流大、損耗小的優(yōu)點，已成為現(xiàn)代電力電子電路中的核心電子元器件之一，廣泛地應(yīng)用在諸 如通信、能源、交通、工業(yè)、醫(yī)學(xué)、家用電器及航空航天等國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域。IGBT的應(yīng)用對電力電子系統(tǒng)性能的提升起到了極為重要的作用。從IGBT發(fā)明以來，人們一直致力于改善IGBT的性能。經(jīng)過二十幾年的發(fā)展，IGBT的器件性能得到了穩(wěn)步的提升。由于平面柵IGBT器件相比于溝槽柵IGBT器件具有優(yōu)越的可靠性，平面柵IGBT在具有較高可靠性要求的領(lǐng)域得到了大規(guī)模的應(yīng)用。在平面柵IGBT器件中，平面柵電荷存儲型絕緣柵雙極型晶體管由于采用了 N型電荷存儲層結(jié)構(gòu)，使IGBT器件靠近柵極和發(fā)射極位置的載流子濃度分布得到了極大的改善，從而提高了 N型漂移區(qū)的電導(dǎo)調(diào)制，使IGBT獲得了低的正向?qū)▔航?。對于平面柵電荷存儲型絕緣柵雙極型晶體管，N型電荷存儲層的摻雜濃度越高，正向?qū)▔航翟叫?；同時電荷存儲層的存在，改善了 N型漂移區(qū)的載流子分布，在一定的正向?qū)▔航迪?，可獲得小的關(guān)斷時間。因此，平面柵電荷存儲型絕緣柵雙極型晶體管具有較好的正向?qū)▔航岛完P(guān)斷時間的折中。但是，對于平面柵電荷存儲型IGBT，由于較高摻雜濃度的N型電荷存儲層的存在，使器件的擊穿電壓顯著降低，N型電荷存儲層的摻雜濃度越高，器件的擊穿電壓越小。N型電荷存儲層摻雜濃度對器件擊穿電壓的影響限制了平面柵電荷存儲型絕緣柵雙極型晶體管結(jié)構(gòu)擊穿電壓、正向?qū)▔航岛完P(guān)斷時間的優(yōu)化折中。

發(fā)明內(nèi)容
為了抑制N型電荷存儲層摻雜濃度對器件擊穿電壓的不利影響，進一步提升平面柵電荷存儲型IGBT的性能，本發(fā)明提供了一種高性能的平面柵電荷存儲型IGBT。所提供的IGBT在傳統(tǒng)的平面柵電荷存儲型IGBT的基礎(chǔ)上(如圖I所示)，在器件的N型漂移區(qū)(14)和N型電荷存儲層(21)之間通過離子注入/擴散工藝引入一層P型埋層(22)。本發(fā)明通過P型埋層(22)引入的附加PN結(jié)和電荷的電場調(diào)制作用，屏蔽了高摻雜N型電荷存儲層
(21)對器件擊穿電壓的不利影響，從而使器件獲得高的擊穿電壓。同時由于P型埋層(22)對N型電荷存儲層(21)的電場屏蔽作用，本發(fā)明結(jié)構(gòu)可采用較高的N型電荷存儲層(21)摻雜濃度，從而可增強器件N型漂移區(qū)(14)內(nèi)的電導(dǎo)調(diào)制并優(yōu)化N型漂移區(qū)(14)內(nèi)的載流子分布，從而使器件獲得更低的正向?qū)▔航狄约案玫恼驅(qū)▔航岛完P(guān)斷損耗的折中?；诖耍ㄟ^器件參數(shù)的優(yōu)化，本發(fā)明結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)更好的擊穿電壓、正向?qū)▔航岛完P(guān)斷時間的優(yōu)化折中?？蛇m用于從小功率到大功率的半導(dǎo)體功率器件和功率集成電路領(lǐng)域。
本發(fā)明技術(shù)方案如下一種平面柵電荷存儲型IGBT，如圖2至圖3所示，包括P+集電極12，位于P+集電極12背面的金屬集電極11，位于P+集電極12正面的N+電場阻止層13，位于N+電場阻止層13表面的N—漂移區(qū)14，位于N—漂移區(qū)14頂部中間的P型基區(qū)20，位于P型基區(qū)20內(nèi)部的兩個N+接觸區(qū)19，位于P型基區(qū)20內(nèi)部且位于兩個N+接觸區(qū)19之間的P+接觸區(qū)18，位于器件表面且與兩個N+接觸區(qū)19和P+接觸區(qū)18接觸的金屬發(fā)射極17，位于器件表面且與兩個N+接觸區(qū)19、P型基區(qū)20和漂移區(qū)14均接觸的柵極氧化層15，位于柵極氧化層15表面的柵電極16 ;金屬發(fā)射極17與柵電極16之間相互絕緣；P型基區(qū)20與N_漂移區(qū)14之間具有N型電荷存儲層21。所述平面柵電荷存儲型IGBT還具有一層P型埋層22，所述P型埋層22位于N型電荷存儲層21與N—漂移區(qū)14之間。上述方案中所述P型埋層22可以將N型電荷存儲層21全部包圍(如圖2所示)；或?qū)型電荷存儲層21部分包圍(如圖3所示)。 所述P型埋層22的濃度、厚度、形狀等可根據(jù)設(shè)計要求而相應(yīng)變化。所述平面柵電荷存儲型IGBT的P+集電極12可以是電場終止結(jié)構(gòu)、透明陽極結(jié)構(gòu)或陽極短路結(jié)構(gòu)。所述平面柵電荷存儲型IGBT的半導(dǎo)體材料可采用硅(Si)、碳化硅(SiC)、砷化鎵(GaAs)或者氮化鎵(GaN)等。本發(fā)明的有益效果表現(xiàn)在本發(fā)明提供的平面柵電荷存儲型IGBT通過P型埋層22的引入屏蔽了高摻雜N型電荷存儲層21對器件擊穿電壓的不利影響，可實現(xiàn)更好的擊穿電壓、正向?qū)▔航岛完P(guān)斷時間的優(yōu)化折中。本發(fā)明適用于從小功率到大功率的半導(dǎo)體功率器件和功率集成電路領(lǐng)域。


圖I是傳統(tǒng)的平面柵電荷存儲型IGBT結(jié)構(gòu)示意圖。圖2至圖3是本發(fā)明提供的具有P型埋層的平面柵電荷存儲型IGBT結(jié)構(gòu)示意圖。圖I 3中，11為金屬集電極，12為P+集電極，13為N+電場阻止層，14為K漂移區(qū)，15為柵極氧化層，16為柵電極，17為金屬發(fā)射極，18為P+接觸區(qū)，19為N+接觸區(qū)，20為P型基區(qū)，21為N型電荷存儲層，22為P型埋層。圖4是仿真獲得的傳統(tǒng)的平面柵電荷存儲型IGBT和本發(fā)明提供的高性能平面柵電荷存儲型IGBT耐壓和正向?qū)▔航堤匦詫Ρ?。圖5是仿真獲得的傳統(tǒng)的平面柵電荷存儲型IGBT和本發(fā)明提供的高性能平面柵電荷存儲型IGBT正向?qū)▔航?關(guān)斷損耗折中特性對比。
具體實施例方式一種平面柵電荷存儲型IGBT，如圖2至圖3所示，包括P+集電極12，位于P+集電極12背面的金屬集電極11，位于P+集電極12正面的N+電場阻止層13，位于N+電場阻止層13表面的N—漂移區(qū)14，位于N—漂移區(qū)14頂部中間的P型基區(qū)20，位于P型基區(qū)20內(nèi)部的兩個N+接觸區(qū)19，位于P型基區(qū)20內(nèi)部且位于兩個N+接觸區(qū)19之間的P+接觸區(qū)18，位于器件表面且與兩個N+接觸區(qū)19和P+接觸區(qū)18接觸的金屬發(fā)射極17，位于器件表面且與兩個N+接觸區(qū)19、P型基區(qū)20和漂移區(qū)14均接觸的柵極氧化層15，位于柵極氧化層15表面的柵電極16 ;金屬發(fā)射極17與柵電極16之間相互絕緣；P型基區(qū)20與N_漂移區(qū)14之間具有N型電荷存儲層21。所述平面柵電荷存儲型IGBT還具有一層P型埋層22，所述P型埋層22位于N型電荷存儲層21與N—漂移區(qū)14之間。上述方案中所述P型埋層22可以將N型電荷存儲層21全部包圍(如圖2所示)；或?qū)型電荷存儲層21部分包圍(如圖3所示)。所述P型埋層22可以在傳統(tǒng)的平面柵電荷存儲型絕緣柵雙極型晶體管結(jié)構(gòu)的N型電荷存儲層形成之前通過高能離子注入或擴散工藝形成。所述P型埋層22的濃度、厚度、形狀等可根據(jù)設(shè)計要求而相應(yīng)變化，其形狀可以是規(guī)則的或不規(guī)則的方形、圓形或條形等，可連續(xù)或不連續(xù)。
所述平面柵電荷存儲型IGBT的P+集電極12可以是電場終止結(jié)構(gòu)、透明陽極結(jié)構(gòu)或陽極短路結(jié)構(gòu)。所述平面柵電荷存儲型IGBT的半導(dǎo)體材料可采用硅(Si)、碳化硅(SiC)、砷化鎵(GaAs)或者氮化鎵(GaN)等。圖4是仿真獲得的傳統(tǒng)的平面柵電荷存儲型IGBT和本發(fā)明提供的高性能平面柵電荷存儲型IGBT耐壓和正向?qū)▔航堤匦詫Ρ?。從圖中可以看出本發(fā)明提出的高性能平面柵電荷存儲型IGBT具有較高的耐壓并且隨N型電荷存儲層21摻雜濃度的提高，耐壓基本保持不變；但是對于傳統(tǒng)平面柵電荷存儲型IGBT耐壓較小并且隨N型電荷存儲層21摻雜濃度的提高耐壓急劇降低。對于正向?qū)▔航?，兩種結(jié)構(gòu)的正向?qū)▔航刀茧SN型電荷存儲層21摻雜濃度的提高而降低。對于本發(fā)明結(jié)構(gòu)由于可采用較高的N型電荷存儲層摻雜濃度，因而可以在一定耐壓下獲得小的正向?qū)▔航?。圖5是仿真獲得的傳統(tǒng)的平面柵電荷存儲型IGBT和本發(fā)明提供的高性能平面柵電荷存儲型IGBT正向?qū)▔航?關(guān)斷損耗折中特性對比。從圖中可以看出與傳統(tǒng)的平面柵電荷存儲型IGBT相比，本發(fā)明提供的高性能平面柵電荷存儲型IGBT具有更好的正向?qū)▔航岛完P(guān)斷損耗特性折中。
權(quán)利要求
1.一種平面柵電荷存儲型IGBT，包括P+集電極(12)，位于P+集電極(12)背面的金屬集電極(11)，位于P+集電極(12)正面的N+電場阻止層(13)，位于N+電場阻止層(13)表面的N—漂移區(qū)(14)，位于N—漂移區(qū)(14)頂部中間的P型基區(qū)(20)，位于P型基區(qū)(20)內(nèi)部的兩個N+接觸區(qū)(19)，位于P型基區(qū)(20)內(nèi)部且位于兩個N+接觸區(qū)(19)之間的P+接觸區(qū)(18)，位于器件表面且與兩個N+接觸區(qū)(19)和P+接觸區(qū)(18)接觸的金屬發(fā)射極(17)，位于器件表面且與兩個N+接觸區(qū)(19)、P型基區(qū)(20)和漂移區(qū)(14)均接觸的柵極氧化層(15)，位于柵極氧化層(15)表面的柵電極(16);金屬發(fā)射極(17)與柵電極(16)之間相互絕緣；P型基區(qū)(20)與漂移區(qū)(14)之間具有N型電荷存儲層(21)； 其特征在于，所述平面柵電荷存儲型IGBT還具有一層P型埋層(22)，所述P型埋層(22)位于N型電荷存儲層(21)與漂移區(qū)(14)之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的平面柵電荷存儲型IGBT，其特征在于，所述P型埋層(22)將N型電荷存儲層(21)全部包圍或部分包圍。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的平面柵電荷存儲型IGBT，其特征在于，所述P型埋層(22)在傳統(tǒng)平面柵電荷存儲型IGBT的N型電荷存儲層(21)形成之前通過高能離子注入或擴散工藝形成。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的平面柵電荷存儲型IGBT，其特征在于，所述P型埋層(22)的濃度、厚度、形狀根據(jù)設(shè)計要求相應(yīng)變化。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的平面柵電荷存儲型IGBT，其特征在于，所述平面柵電荷存儲型IGBT的P+集電極(12)為電場終止結(jié)構(gòu)、透明陽極結(jié)構(gòu)或陽極短路結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的平面柵電荷存儲型IGBT，其特征在于，所述平面柵電荷存儲型IGBT的半導(dǎo)體材料為硅、碳化硅、砷化鎵或氮化鎵。
全文摘要
一種平面柵電荷存儲型IGBT，屬于功率半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明在傳統(tǒng)平面柵電荷存儲型IGBT的基礎(chǔ)上，在N型漂移區(qū)和N型電荷存儲層之間引入一層P型埋層；通過P型埋層引入的附加PN結(jié)和電荷的電場調(diào)制作用，屏蔽了高摻雜N型電荷存儲層對器件擊穿電壓的不利影響，從而使器件獲得高的擊穿電壓；同時由于P型埋層對N型電荷存儲層的電場屏蔽作用，本發(fā)明可采用較高的N型電荷存儲層摻雜濃度，從而可增強器件N型漂移區(qū)內(nèi)的電導(dǎo)調(diào)制并優(yōu)化N型漂移區(qū)內(nèi)的載流子分布，從而使器件獲得更低的正向?qū)▔航狄约案玫恼驅(qū)▔航岛完P(guān)斷損耗的折中。本發(fā)明適用于從小功率到大功率的半導(dǎo)體功率器件和功率集成電路領(lǐng)域。
文檔編號H01L29/739GK102683402SQ20121012300
公開日2012年9月19日 申請日期2012年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月24日
發(fā)明者任敏, 夏小軍, 張波, 張蒙, 張金平, 李澤宏, 李長安, 王娜 申請人:電子科技大學(xué)