專利名稱：一種平面柵型igbt芯片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導體IGBT (Insulted Gate Bipolar Transistor,絕緣柵雙極晶體管)芯片結(jié)構(gòu)，尤其是涉及一種具有雙重空穴阻擋效應的平面柵型IGBT芯片結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
絕緣柵雙極晶體管(IGBT )具有通態(tài)壓降低、電流容量大、輸入阻抗高、響應速度快和控制簡單的特點，被廣泛用于工業(yè)、信息、新能源、醫(yī)學、交通、軍事和航空領(lǐng)域。如附圖I所示為一種常規(guī)平面柵型IGBT的結(jié)構(gòu)示意圖，常規(guī)平面柵型IGBT包括門極I、發(fā)射極2、集電極3、P-阱4、N漂移區(qū)5和N緩沖區(qū)6。為了降低IGBT的導通壓降，人們采用溝槽柵結(jié)構(gòu)。然而，溝槽刻蝕后表面粗糙，損傷大，會影響載流子的遷移率；槽邊緣不光滑的棱角會導致電場集中，影響器件的擊穿電壓。此外，溝槽柵的柵電容大，減弱了其短路能力。而平面柵型IGBT柵氧化層質(zhì)量好，且隨著各種增強型技術(shù)的應用，其性能也得到顯著的提高。因此，在各種電壓等級，特別是高壓IGBT，平面柵結(jié)構(gòu)仍然被廣泛采用。新一代IGBT朝著更高功率密度，更高工作結(jié)溫，更低功耗的方向發(fā)展。而眾所周知，IGBT的導通壓降Vceon與關(guān)斷損耗存在矛盾關(guān)系。歸根到底是因為IGBT的電導調(diào)制效應，即大的注入效率能增強器件在導通時的電導調(diào)制效應，降低導通壓降。然而在關(guān)斷時，大量的少數(shù)載流子需要更長的時間來完成復合，增加了關(guān)斷損耗。為了改善這一矛盾關(guān)系，人們致力于對IGBT的注入效率進行研究，一方面降低IGBT集電極(陽極)的空穴注入效率，另一方面提高發(fā)射極(陰極)的電子注入效率。這樣可以很好地改善IGBT的導通壓降與關(guān)斷損耗的折中關(guān)系。對于平面柵型IGBT，現(xiàn)有技術(shù)中主要有以下幾種改變發(fā)射極(陰極)電子注入效率的方法。現(xiàn)有技術(shù)I是電子科技大學于2011年03月10日申請，并于2011年08月17日公開，公開號為CN102157551A的中國發(fā)明專利申請《一種具有載流子存儲層和額外空穴通路的IGBT》，該發(fā)明專利申請通過局部載流子存儲層來提高IGBT發(fā)射極附近的電導調(diào)制效應，還通過大P+歐姆接觸區(qū)提高抗閂鎖能力。 現(xiàn)有技術(shù)2是電子科技大學于2011年03月09日申請，并于2011年08月31日公開，公開號為CN102169892A的中國發(fā)明專利申請《一種增強型平面絕緣柵雙極型晶體管》，其結(jié)構(gòu)與功能都與前述現(xiàn)有技術(shù)I很相似?，F(xiàn)有技術(shù)3是電子科技大學于2011年05月09日申請，并于2011年09月14日公開，公開號為CN102184950A的中國發(fā)明專利申請《一種具有空穴阻擋層的絕緣柵雙極型晶體管》，這是另外一種載流子存儲層的結(jié)構(gòu)專利，它與一般的載流子存儲層設置在P-基區(qū)附近，包圍(或部分包圍)著P-基區(qū)不同，這里的載流子存儲層遠離P-基區(qū)，位于N-漂移區(qū)中間位置?，F(xiàn)有技術(shù)4是電子科技大學于2011年05月10日申請，并于2011年09月28日公開，公開號為CN102201439A的中國發(fā)明專利申請《一種體內(nèi)電導調(diào)制增強的溝槽型絕緣柵雙極型晶體管》，該發(fā)明專利申請通過介質(zhì)層對空穴形成物理阻擋作用，使空穴載流子在IGBT發(fā)射極附近積聚。一方面提高了空穴載流子的濃度，另一方面也增強了吸引電子的能力，因而也就增強了電子的注入效應。但該專利只是針對溝槽柵IGBT，沒有提及平面柵型IGBT結(jié)構(gòu)。此外，該專利不涉及N型載流子埋層結(jié)構(gòu)。前面所述的各種現(xiàn)有技術(shù)均在一定程度上增強了 IGBT的電導調(diào)制效應，因而降低了導通壓降，但是這些方案都是只具有單一空穴阻擋效應(只具有勢壘阻擋效應)。前述專利提出一種具有物理 阻擋效應的方法，但是只限于溝槽柵IGBT。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種平面柵型IGBT芯片，提高了 IGBT芯片的功率密度，工作結(jié)溫，以及長期工作的可靠性，同時優(yōu)化并降低了 IGBT芯片的導通壓降與關(guān)斷損耗的折中關(guān)系，實現(xiàn)了更低的功耗。為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明具體提供了一種平面柵型IGBT芯片的技術(shù)實現(xiàn)方案，一種平面柵型IGBT芯片，包括至少一個元胞，元胞包括依次排列的集電極金屬電極、P+集電極區(qū)、N-漂移區(qū)、P-基區(qū)、P+歐姆接觸區(qū)、N+源極區(qū)、柵氧化層、多晶硅柵和柵極金屬電極，以及設置在P+歐姆接觸區(qū)上方的發(fā)射極金屬電極。平面柵型IGBT芯片的多晶硅柵采用平面柵結(jié)構(gòu)。平面柵型IGBT芯片還包括N型載流子埋層，N型載流子埋層包括第一 N型載流子埋層，第一 N型載流子埋層位于P-基區(qū)的下方。為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明還具體提供了另外一種平面柵型IGBT芯片的技術(shù)實現(xiàn)方案，一種平面柵型IGBT芯片，包括至少一個元胞，元胞包括依次排列的集電極金屬電極、P+集電極區(qū)、N-漂移區(qū)、P-基區(qū)、P+歐姆接觸區(qū)、N+源極區(qū)、柵氧化層、多晶硅柵和柵極金屬電極，以及設置在P+歐姆接觸區(qū)上方的發(fā)射極金屬電極。平面柵型IGBT芯片的多晶硅柵采用平面柵結(jié)構(gòu)。平面柵型IGBT芯片還包括N型載流子埋層，N型載流子埋層包括第二 N型載流子埋層，第二 N型載流子埋層位于柵氧化層的下方，P-基區(qū)的兩側(cè)。作為上述本發(fā)明另一種平面柵型IGBT芯片技術(shù)方案的進一步改進，N型載流子埋層還包括第一 N型載流子埋層，第一 N型載流子埋層位于P-基區(qū)的下方，第一 N型載流子埋層兩側(cè)的外邊界與第二 N型載流子埋層的端部相接觸。作為本發(fā)明一種平面柵型IGBT芯片技術(shù)方案的進一步改進，平面柵型IGBT芯片還包括介質(zhì)埋層，介質(zhì)埋層位于P-基區(qū)的下方外圍，與第一 N型載流子埋層的交界處，緊緊地包圍著P-基區(qū)。作為本發(fā)明一種平面柵型IGBT芯片技術(shù)方案的進一步改進，平面柵型IGBT芯片還包括介質(zhì)埋層，介質(zhì)埋層位于第一 N型載流子埋層的下方，緊靠著第一 N型載流子埋層設置。作為本發(fā)明一種平面柵型IGBT芯片技術(shù)方案的進一步改進，介質(zhì)埋層為一設置在第一 N型載流子埋層下方的曲面埋層。作為本發(fā)明一種平面柵型IGBT芯片技術(shù)方案的進一步改進，介質(zhì)埋層為一設置在第一 N型載流子埋層下方的平面埋層。作為本發(fā)明一種平面柵型IGBT芯片技術(shù)方案的進一步改進，介質(zhì)埋層的寬度(芯片正面俯視圖的寬度)小于或等于第一 N型載流子埋層的寬度。作為本發(fā)明一種平面柵型IGBT芯片技術(shù)方案的進一步改進，N型載流子埋層的摻雜濃度為 8E15/cm3 2E16/cm3。作為本發(fā)明一種平面柵型IGBT芯片技術(shù)方案的進一步改進，N型載流子埋層的結(jié)深為O. 5um 2um。作為本發(fā)明一種平面柵型IGBT芯片技術(shù)方案的進一步改進，第一N型載流子埋層在芯片正面俯視方向上的形狀與P-基區(qū)的形狀相似。作為本發(fā)明一種平面柵型IGBT芯片技術(shù)方案的進一步改進，第二N型載流子埋層在芯片正面俯視方向上的形狀與多晶硅柵的形狀相似。作為本發(fā)明一種平面柵型IGBT芯片技術(shù)方案的進一步改進，第一N型載流子埋層的寬度大于或小于P-基區(qū)的寬度。
作為本發(fā)明一種平面柵型IGBT芯片技術(shù)方案的進一步改進，第二N型載流子埋層的寬度大于或小于多晶娃柵的寬度。作為本發(fā)明一種平面柵型IGBT芯片技術(shù)方案的進一步改進，第一N型載流子埋層在單個元胞范圍內(nèi)從芯片正面俯視方向上的圖形為條形或方形或正六邊形或圓形或三角形或任意多邊形。作為本發(fā)明一種平面柵型IGBT芯片技術(shù)方案的進一步改進，第二N型載流子埋層在單個元胞范圍內(nèi)從芯片正面俯視方向上的圖形為條形或方形或正六邊形或圓形或三角形或任意多邊形。作為本發(fā)明一種平面柵型IGBT芯片技術(shù)方案的進一步改進，平面柵型IGBT芯片還包括N緩沖層區(qū)，N緩沖層區(qū)位于N-漂移區(qū)和P+集電極區(qū)之間。作為本發(fā)明一種平面柵型IGBT芯片技術(shù)方案的進一步改進，平面柵型IGBT芯片的襯底材料為包括Si半導體材料或SiC或GaN或金剛石在內(nèi)的寬禁帶半導體材料。作為本發(fā)明一種平面柵型IGBT芯片技術(shù)方案的進一步改進，襯底材料的摻雜濃度為 8E12/cm3 5E14/cm3。作為本發(fā)明一種平面柵型IGBT芯片技術(shù)方案的進一步改進，襯底材料的厚度為60um 750um。作為本發(fā)明一種平面柵型IGBT芯片技術(shù)方案的進一步改進，介質(zhì)埋層的材料為包括SiO2或氮氧化物在內(nèi)的絕緣材料。作為本發(fā)明一種平面柵型IGBT芯片技術(shù)方案的進一步改進，介質(zhì)埋層位于第一 N型載流子埋層內(nèi)。作為本發(fā)明一種平面柵型IGBT芯片技術(shù)方案的進一步改進，介質(zhì)埋層的厚度為O. Ium I. 5um。作為本發(fā)明一種平面柵型IGBT芯片技術(shù)方案的進一步改進，介質(zhì)埋層的兩個端部的最上部與柵氧化層非接觸。作為本發(fā)明一種平面柵型IGBT芯片技術(shù)方案的進一步改進，介質(zhì)埋層的兩個端部的最上部與柵氧化層之間的間距為O. 2um lum。作為本發(fā)明一種平面柵型IGBT芯片技術(shù)方案的進一步改進，介質(zhì)埋層的形狀與第一 N型載流子埋層的形狀相似。作為本發(fā)明一種平面柵型IGBT芯片技術(shù)方案的進一步改進，介質(zhì)埋層的厚度均勻設置。
作為本發(fā)明一種平面柵型IGBT芯片技術(shù)方案的進一步改進，介質(zhì)埋層在單個元胞范圍內(nèi)從芯片正面俯視方向上的形狀為條形或方形或正六邊形或圓形或三角形或任意多邊形。作為本發(fā)明一種平面柵型IGBT芯片技術(shù)方案的進一步改進，介質(zhì)埋層在單個元胞內(nèi)設置為多個在芯片正面俯視方向上的形狀為豎條或橫條或圓形或任意多邊形的圖形的組合。作為本發(fā)明一種平面柵型IGBT芯片技術(shù)方案的進一步改進，介質(zhì)埋層在單個元胞內(nèi)的多個圖形為一相同的圖形。作為本發(fā)明一種平面柵型IGBT芯片技術(shù)方案的進一步改進，介質(zhì)埋層在單個元胞內(nèi)的多個圖形之間相互接觸。 作為本發(fā)明一種平面柵型IGBT芯片技術(shù)方案的進一步改進，介質(zhì)埋層兩個端部的厚度比中部的厚度厚O. 2um I. 5um。作為本發(fā)明一種平面柵型IGBT芯片技術(shù)方案的進一步改進，介質(zhì)埋層的兩個端部或其中任意一個端部設置有向下的端頭。作為本發(fā)明一種平面柵型IGBT芯片技術(shù)方案的進一步改進，介質(zhì)埋層的中部設置有多個向下的端頭。作為本發(fā)明一種平面柵型IGBT芯片技術(shù)方案的進一步改進，介質(zhì)埋層的端頭的厚度相同或不相同。作為本發(fā)明一種平面柵型IGBT芯片技術(shù)方案的進一步改進，介質(zhì)埋層的端頭的寬度相同或不相同。作為本發(fā)明一種平面柵型IGBT芯片技術(shù)方案的進一步改進，介質(zhì)埋層的端頭之間的間距相同或不相同。作為本發(fā)明一種平面柵型IGBT芯片技術(shù)方案的進一步改進，當平面柵型IGBT芯片包括兩個以上的元胞時，在平面柵型IGBT芯片的所有元胞或部分元胞設置有第一N型載
流子埋層。作為本發(fā)明一種平面柵型IGBT芯片技術(shù)方案的進一步改進，當平面柵型IGBT芯片包括兩個以上的元胞時，在平面柵型IGBT芯片的所有元胞或部分元胞設置有第二N型載
流子埋層。作為本發(fā)明一種平面柵型IGBT芯片技術(shù)方案的進一步改進，當平面柵型IGBT芯片包括兩個以上的元胞時，在平面柵型IGBT芯片的所有元胞或部分元胞設置有介質(zhì)埋層。通過實施上述本發(fā)明一種平面柵型IGBT芯片的技術(shù)方案，具有以下技術(shù)效果 本發(fā)明提出了一種具有雙重空穴阻擋效應的平面柵型IGBT結(jié)構(gòu)，可以同時對IGBT發(fā)
射極附近的空穴起到勢壘阻擋和物理阻擋的效果。與單重阻擋效應結(jié)構(gòu)相比，該結(jié)構(gòu)可以極大地提高IGBT發(fā)射極附近區(qū)域的空穴濃度，相應地提高該處的電子注入效率，從而進一步增強了 IGBT漂移區(qū)的電導調(diào)制效應，使IGBT的導通壓降更小，最終獲得更優(yōu)的導通壓降與關(guān)斷損耗的折中關(guān)系。


為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖I是現(xiàn)有技術(shù)一種常規(guī)平面柵型IGBT的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)常規(guī)平面柵型IGBT的導通壓降對比示意圖。圖3是本發(fā)明平面柵型IGBT芯片一種具體實施方式
中單個元胞的縱向剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本發(fā)明平面柵型IGBT芯片一種具體實施方式
單個元胞內(nèi)N型載流子埋層的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是本發(fā)明平面柵型IGBT芯片一種具體實施方式
多個元胞內(nèi)N型載流子埋層 的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。圖6是本發(fā)明平面柵型IGBT芯片另一種具體實施方式
多個元胞內(nèi)N型載流子埋層的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。圖7是本發(fā)明平面柵型IGBT芯片另一種具體實施方式
單個元胞的縱向剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖8是本發(fā)明平面柵型IGBT芯片一種具體實施方式
單個元胞內(nèi)介質(zhì)埋層的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。圖9是本發(fā)明平面柵型IGBT芯片一種具體實施方式
多個元胞內(nèi)介質(zhì)埋層的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。圖10是本發(fā)明平面柵型IGBT芯片另一種具體實施方式
多個元胞內(nèi)介質(zhì)埋層的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。圖11是本發(fā)明平面柵型IGBT芯片另一種具體實施方式
單個元胞中介質(zhì)埋層的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。圖12是本發(fā)明平面柵型IGBT芯片一種具體實施方式
單個元胞中介質(zhì)埋層的縱向剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖13是本發(fā)明平面柵型IGBT芯片第三種具體實施方式
單個元胞的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖14是本發(fā)明平面柵型IGBT芯片第三種具體實施方式
多個元胞內(nèi)N型載流子埋層的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。圖15是本發(fā)明平面柵型IGBT芯片第四種具體實施方式
單個元胞的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1-門極，2-發(fā)射極，3-集電極，4-P-阱，5-N漂移區(qū)，6-N緩沖區(qū)，10-N-漂移區(qū)，Il-N緩沖層區(qū)，12-P+集電極區(qū)，13-P-基區(qū)，14-P+歐姆接觸區(qū)，15-N+源極區(qū)，16-第一 N型載流子埋層，17-第二 N型載流子埋層，20-柵氧化層，21-介質(zhì)埋層，30-多晶硅柵，40-集電極金屬電極,41-發(fā)射極金屬電極,42-柵極金屬電極。
具體實施例方式下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。如附圖2至附圖15所示，給出了本發(fā)明一種平面柵型IGBT芯片的具體實施例，下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。如附圖7所示是本發(fā)明平面柵型IGBT芯片一種具體實施方式
中單個元胞的剖面結(jié)構(gòu)示意圖，平面柵型IGBT芯片通常包括多個元胞，采用這種芯片結(jié)構(gòu)的絕緣柵雙極型晶體管具有雙重空穴阻擋效應。作為一種較佳的實施方式，附圖7所示的具體技術(shù)方案是一種平面柵型IGBT芯片，包括至少一個元胞，元胞包括集電極金屬電極40、P+集電極區(qū)12、N-漂移區(qū)10、P-基區(qū)13、P+歐姆接觸區(qū)14、N+源極區(qū)15、柵氧化層20、多晶硅柵30、發(fā)射極金屬電極41和柵極金屬電極42。集電極金屬電極40、P+集電極區(qū)12、N-漂移區(qū)10、P-基區(qū)13、P+歐姆接觸區(qū)14、N+源極區(qū)15、柵氧化層20、多晶硅柵30和 柵極金屬電極42從下至上依次排列。P+歐姆接觸區(qū)14的上方設置有發(fā)射極金屬電極41。絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)芯片的多晶硅柵30進一步采用平面柵結(jié)構(gòu)。在平面柵型IGBT芯片單個元胞的P-基區(qū)13的下方設置第一 N型載流子埋層16，該第一 N型載流子埋層16包圍著P-基區(qū)13。并在P-基區(qū)13與第一 N型載流子埋層16的交界處設置介質(zhì)埋層21，介質(zhì)埋層21包圍著P-基區(qū)13，但介質(zhì)埋層21與柵氧化層20不接觸。在采用這種芯片結(jié)構(gòu)的絕緣柵雙極型晶體管導通時，絕緣柵雙極型晶體管發(fā)射極附近的空穴受到載流子存儲層的勢壘阻擋及介質(zhì)層的物理阻擋的雙重阻擋作用。因此，大大地提高了絕緣柵雙極型晶體管發(fā)射極附近區(qū)域的空穴濃度。相應地，大大提高了該處的電子注入效率，從而進一步增強了絕緣柵雙極型晶體管漂移區(qū)的電導調(diào)制效應，使絕緣柵雙極型晶體管的導通壓降更小，最終獲得更優(yōu)的導通壓降與關(guān)斷損耗的折中關(guān)系。本發(fā)明平面柵型IGBT芯片采用的雙重空穴阻擋原理為當IGBT正向?qū)〞r，從IGBT背部的P+集電極區(qū)12注入到N-漂移區(qū)10的少數(shù)載流子空穴，會通過N-漂移區(qū)10向IGBT發(fā)射極附近的P-基區(qū)13運動(被P-基區(qū)13抽取)。當?shù)竭_N型載流子埋層時，由于勢壘的阻擋作用，空穴載流子受到阻擋，在N型載流子埋層附近集聚，相應地增加了電子注入效率。當空穴透過N型載流子埋層后，還繼續(xù)受到介質(zhì)埋層21的物理阻擋，繼續(xù)進行集聚，進一步增加電子注入效率。由于空穴受到雙重阻擋，可以形成更多的集聚，電子注入效率就更大，電導調(diào)制效應就更強。在如附圖7所示的平面柵型IGBT剖視圖中，IGBT從下到上，依次為集電極金屬電極40、P+集電極區(qū)12、N緩沖層區(qū)11 (可以有，如果有，則器件的縱向耐壓結(jié)構(gòu)為SPT, Soft-Punch Through,軟穿通結(jié)構(gòu)，也稱FS, field stop,電場截止結(jié)構(gòu)，或者LPT,Low-Punch Through,弱穿通結(jié)構(gòu)，或者TPT, Thin-Punch through,薄穿通結(jié)構(gòu)等。也可以沒有，如果沒有，則器件的縱向耐壓結(jié)構(gòu)為NPT, Non-Punch through,非穿通結(jié)構(gòu))、N-漂移區(qū)10、N型載流子埋層(包括第一 N型載流子埋層16和第二 N型載流子埋層17)、介質(zhì)埋層21、P-基區(qū)13、P+歐姆接觸區(qū)14、N+源極區(qū)15、柵氧化層20、多晶硅柵30、發(fā)射極金屬電極41和柵極金屬電極42。其中，設置有發(fā)射極金屬電極41和柵極金屬電極42的這一面為本發(fā)明平面柵型IGBT芯片的正面，而設置有集電極金屬電極40的這一面為平面柵型IGBT芯片的反面。如附圖7所示的具體實施方式
，可以對IGBT的每個元胞都設置第一 N型載流子埋層16和/或第二 N型載流子埋層17，也可以是進行選擇性的設置(不是每個元胞都設置)，即可以任意選擇N (N為整數(shù)，I彡N彡IGBT芯片的元胞總數(shù))個元胞來進行設置。還可以是某些元胞只有第一 N型載流子埋層16，而沒有第二 N型載流子埋層17，或者是某些元胞只有第二 N型載流子埋層17而沒有第一 N型載流子埋層16，如附圖14所示。如附圖14所示，元胞a只有第一 N型載流子埋層16，元胞b沒有第一 N型載流子埋層16和第二 N型載流子埋層17，元胞c只有第二 N型載流子埋層17，元胞d中既有第一N型載流子埋層16，又有第二 N型載流子埋層17。這里僅以六邊形元胞為例，對其他形狀的元胞也適用。IGBT芯片的襯底材料可以為普通的Si半導體材料或者SiC、GaN及金剛石等寬禁帶半導體材料；襯底材料的摻雜濃度為8E12/cm3 5E14/cm3 ;厚度為60um 750um。襯底材料是指除了金屬電極之外的所有部分，只是在后來的加工過程中，對襯底的上、下表面都進行了摻雜，改變了襯底的濃度，形成N-漂移區(qū)10、N緩沖層區(qū)11、P+集電極區(qū)12、P-基區(qū)13、P+歐姆接觸區(qū)14、N+源極區(qū)15，以及N型載流子埋層等結(jié)構(gòu)。其中，唯有N-漂移區(qū)10的濃度沒有改變，維持與襯底材料的濃度一致。但是盡管其他區(qū)都經(jīng)過了摻雜，改變了濃 度，但是還是Si或其他半導體材料。IGBT的柵極進一步為平面柵結(jié)構(gòu)。具有雙重空穴阻擋效應的平面柵型IGBT結(jié)構(gòu)為N型載流子埋層與介質(zhì)埋層21的組合。具體如下
I、N型載流子埋層
(Al)N型載流子埋層包括第一及第二兩部分，第一部分(第一 N型載流子埋層16)位于P-基區(qū)13的下方；在單個元胞中，第二部分(第二 N型載流子埋層17)位于柵氧化層20的下方，P-基區(qū)13的兩側(cè)；當本發(fā)明平面柵型IGBT芯片包括多個元胞時，第二 N型載流子埋層17位于相鄰的兩個P-基區(qū)13之間，并在柵氧化層20的下方。這兩部分可同時有，如附圖3所示，也可只有其中之一。(A2)在Al的基礎上，第一 N型載流子埋層16和/或第二 N型載流子埋層17可以對IGBT的每個元胞都設置，也可以任意選擇N (N為整數(shù)，I彡N彡IGBT芯片的元胞總數(shù))個元胞來進行設置。(A3)第一 N型載流子埋層16和/或第二 N型載流子埋層17的摻雜濃度為8E15/cm3 2E16/cm3，第一 N型載流子埋層16和/或第二 N型載流子埋層17的濃度可相同，也可不同。(A4)第一 N型載流子埋層16和/或第二 N型載流子埋層17的結(jié)深為O. 5um 2um，第一 N型載流子埋層16和/或第二 N型載流子埋層17的結(jié)深可相同，也可不同。(A5)第一 N型載流子埋層16在P-基區(qū)13的外圍，緊緊包圍著P-基區(qū)13 (如附圖3芯片的縱向剖面圖所示)。第二 N型載流子埋層17在柵氧化層20的下方，兩端與第一N型載流子埋層16的外邊界接觸。(A6)如附圖4、5和6所示，第一 N型載流子埋層16的形狀與P-基區(qū)13的形狀在俯視方向上(俯視方向，從IGBT芯片的正面向下看)相似，第二 N型載流子埋層17的形狀與多晶硅柵30的形狀在俯視方向上相似。具體地，第一 N型載流子埋層16和/或第二N型載流子埋層17可為條形或方形或正六邊形或圓形或三角形或其他多邊形(如附圖4、附圖5和附圖6中示出的條形、方形和正六邊形)。如果P-基區(qū)13的形狀是方形，第一 N型載流子埋層16也是方形；如果P-基區(qū)13的形狀是正六邊形，則第一 N型載流子埋層16也是正六邊形；如果P-基區(qū)13的形狀是其它形狀，第一 N型載流子埋層16的形狀也與之相同。如附圖4和7所示，第一 N型載流子埋層16的寬度L2大于或小于P-基區(qū)13的寬度LI，第二 N型載流子埋層17的寬度L4大于或小于多晶硅柵30的寬度L5。2、介質(zhì)埋層21
(BI)介質(zhì)埋層21的材料進一步采用SiO2,氮氧化物等絕緣材料。(B2)介質(zhì)埋層21進一步位于P-基區(qū)13的下方與第一 N型載流子埋層16的交界處，在P-基區(qū)13的外圍，緊緊地包圍著P-基區(qū)13。(B3)如附圖7所示,介質(zhì)埋層21的厚度為O. Ium I. 5um,并進一步位于第一 N型載流子埋層16內(nèi)。
(B4)介質(zhì)埋層21包圍圈的兩頭最上端與柵氧化層20不接觸(如附圖13的剖視圖所示)，間距為O. 2um lum。(B5)介質(zhì)埋層21的形狀與第一 N型載流子埋層16的形狀在俯視方向上(俯視方向，從IGBT芯片的正面向下看)相似。具體地，介質(zhì)埋層21可進一步為條形或方形或正六邊形或圓形或三角形或其他多邊形(如附圖8、附圖9和附圖10中所示的俯視圖，圖中示出了條形、方形和正六邊形)。(B6)如附圖11所示，介質(zhì)埋層21的形狀還可以是在單個元胞內(nèi)為多個豎條或橫條或圓形或任意多邊形。既可以由一種形狀的圖形重復設置，也可以是多種形狀的圖形的組合設置。只要保證介質(zhì)埋層21的邊緣不與柵氧化層20接觸(間距為B4中所述的O. 2um lum)，介質(zhì)埋層21在單個元胞內(nèi)的多個圖形與圖形之間可以接觸，也可以不接觸。(B7)在前述B6的基礎上，介質(zhì)埋層21的厚度可以均勻設置，也可以不均勻設置。具體為從如附圖12所示的剖視圖中，兩端(端頭朝下)的厚度比中間的厚度厚O. 2um
I.5um,可以兩端設置向下的端頭，還可以只在一端設置向下的端頭，還可以在中間設置多個向下的端頭。每個端頭的厚度可以相同，也可以不相同。每個端頭的寬度可以相同，也可以不相同。端頭之間的間距可以相同，也可以不相同。這樣的形狀對空穴的阻擋效應更強。此外，介質(zhì)埋層21也可以進行選擇性設置，即可以對所有的元胞都設置介質(zhì)埋層21，也可以對部分元胞設置介質(zhì)埋層21，可參照前述的第一 N型載流子埋層16和/或第二N型載流子埋層17選擇性地設置。如附圖13所示，作為另一種實施方式，具有雙重空穴阻擋效應的結(jié)構(gòu)還可以考慮N型載流子埋層與介質(zhì)埋層21的相關(guān)形狀、濃度、厚度等信息同上(包括前述的所有可能情況)，只是在縱向位置設置上將介質(zhì)埋層21下移至N-漂移區(qū)10內(nèi)，第一 N型載流子埋層16的下方，緊靠著第一 N型載流子埋層16設置。如附圖13所示，介質(zhì)埋層21可以為一設置在第一 N型載流子埋層16下方的曲面埋層。如附圖15所示，介質(zhì)埋層21也可為一設置在第一 N型載流子埋層16下方的平面埋層。即具有雙重空穴阻擋效應的結(jié)構(gòu)還考慮N型載流子埋層與介質(zhì)埋層21的相關(guān)形狀、濃度、厚度等信息同上(包括前述的所有可能情況)。而介質(zhì)埋層21的相關(guān)信息如前述的BI、B3、B5和B6所述，但其在縱剖面方向上設置為一平面，并位于第一 N型載流子埋層16的下方，緊靠著第一 N型載流子埋層16設置。如附圖7和8所示，在單個元胞內(nèi)，介質(zhì)埋層21的寬度L3等于或小于第一 N型載流子埋層16的寬度L2。
如附圖2所示為常規(guī)平面柵型IGBT(E線)、只有N型載流子埋層的平面柵型IGBT(D線)、只有介質(zhì)埋層21的平面柵型IGBT(C線)及具有雙重空穴阻擋效應的平面柵型IGBT(B線、A線)的導通壓降的對比。可以看出，具有雙重空穴阻擋效應的平面柵型IGBT的導通壓降得到明顯的降低。本發(fā)明提出了一種具有雙重空穴阻擋效應的平面柵型IGBT結(jié)構(gòu)，利用N型載流子埋層的勢壘阻擋及介質(zhì)埋層21的物理阻擋。雙重空穴阻擋效應使得IGBT發(fā)射極附近的空穴濃度大大提高，IGBT的N-漂移區(qū)10內(nèi)電導調(diào)制效應大大增強，從而大大降低IGBT的導通壓降。同時，從提高IGBT發(fā)射極電子注入效率出發(fā)來增強電導調(diào)制效應，因而在降低IGBT正向壓降的同時，對IGBT的關(guān)斷時間沒有什么影響。介質(zhì)埋層21可以設置在P-基區(qū)13與N型載流子埋層之間的PN結(jié)處，盡可能地減小了相關(guān)的寄生效應。以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制。雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明。任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi)容對本發(fā)明技術(shù)方案做出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此，凡是未脫離 本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所做的任何簡單修改、等同替換、等效變化及修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案保護的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種平面柵型IGBT芯片，包括至少一個元胞，其特征在于，所述元胞包括依次排列的集電極金屬電極(40)、P+集電極區(qū)(12)、N-漂移區(qū)(10)、P-基區(qū)(13)、P+歐姆接觸區(qū)(14)、N+源極區(qū)(15)、柵氧化層(20)、多晶硅柵(30)和柵極金屬電極(42)，以及設置在所述P+歐姆接觸區(qū)(14)上方的發(fā)射極金屬電極(41);所述平面柵型IGBT芯片的多晶硅柵(30)采用平面柵結(jié)構(gòu)；所述平面柵型IGBT芯片還包括N型載流子埋層，所述N型載流子埋層包括第一 N型載流子埋層(16)，所述第一 N型載流子埋層(16)位于P-基區(qū)(13)的下方。
2.一種平面柵型IGBT芯片，包括至少一個元胞，其特征在于，所述元胞包括依次排列的集電極金屬電極(40)、P+集電極區(qū)(12)、N-漂移區(qū)(10)、P-基區(qū)(13)、P+歐姆接觸區(qū)(14)、N+源極區(qū)(15)、柵氧化層(20)、多晶硅柵(30)和柵極金屬電極(42)，以及設置在所述P+歐姆接觸區(qū)(14)上方的發(fā)射極金屬電極(41);所述平面柵型IGBT芯片的多晶硅柵(30)采用平面柵結(jié)構(gòu)；所述平面柵型IGBT芯片還包括N型載流子埋層，所述N型載流子埋層包括第二 N型載流子埋層(17)，所述第二 N型載流子埋層(17)位于柵氧化層(20)的下方，P-基區(qū)(13)的兩側(cè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種平面柵型IGBT芯片，其特征在于所述N型載流子埋層還包括第一 N型載流子埋層(16)，所述第一 N型載流子埋層(16)位于P-基區(qū)(13)的下方，第一 N型載流子埋層(16)兩側(cè)的外邊界與第二 N型載流子埋層(17)的端部相接觸。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種平面柵型IGBT芯片，其特征在于所述平面柵型IGBT芯片還包括介質(zhì)埋層(21)，所述介質(zhì)埋層(21)位于P-基區(qū)(13)的下方外圍，與第一 N型載流子埋層(16)的交界處，緊緊地包圍著P-基區(qū)(13)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種平面柵型IGBT芯片，其特征在于所述平面柵型IGBT芯片還包括介質(zhì)埋層(21)，所述介質(zhì)埋層(21)位于P-基區(qū)(13)的下方外圍，與第一 N型載流子埋層(16)的交界處，緊緊地包圍著P-基區(qū)(13)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I或3所述的一種平面柵型IGBT芯片，其特征在于所述平面柵型IGBT芯片還包括介質(zhì)埋層(21)，所述介質(zhì)埋層(21)位于第一 N型載流子埋層(16)的下方，緊靠著第一 N型載流子埋層(16)設置。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種平面柵型IGBT芯片，其特征在于所述介質(zhì)埋層(21)為一設置在第一 N型載流子埋層(16)下方的曲面埋層。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種平面柵型IGBT芯片，其特征在于所述介質(zhì)埋層(21)為一設置在第一 N型載流子埋層(16)下方的平面埋層。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種平面柵型IGBT芯片，其特征在于所述介質(zhì)埋層(21)的寬度小于或等于第一 N型載流子埋層(16)的寬度。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-3、4、5、7-9中任一權(quán)利要求所述的一種平面柵型IGBT芯片，其特征在于所述N型載流子埋層的摻雜濃度為8E15/cm3 2E16/cm3。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的一種平面柵型IGBT芯片，其特征在于所述N型載流子埋層的結(jié)深為O. 5um 2um。
12.根據(jù)權(quán)利要求1、3、4、5、7-9中任一權(quán)利要求所述的一種平面柵型IGBT芯片，其特征在于所述第一 N型載流子埋層(16)在芯片正面俯視方向上的形狀與P-基區(qū)(13)的形狀相似。
13.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的一種平面柵型IGBT芯片，其特征在于所述第二N型載流子埋層(17)在芯片正面俯視方向上的形狀與多晶硅柵(30)的形狀相似。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的一種平面柵型IGBT芯片，其特征在于所述第一N型載流子埋層(16)在單個元胞范圍內(nèi)從芯片正面俯視方向上的圖形為條形或方形或正六邊形或圓形或三角形或任意多邊形。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的一種平面柵型IGBT芯片，其特征在于所述第二N型載流子埋層(17)在單個元胞范圍內(nèi)從芯片正面俯視方向上的圖形為條形或方形或正六邊形或圓形或三角形或任意多邊形。
16.根據(jù)權(quán)利要求1-3、4、5、7-9、11、14、15中任一權(quán)利要求所述的一種平面柵型IGBT芯片，其特征在于所述平面柵型IGBT芯片還包括N緩沖層區(qū)(11)，所述N緩沖層區(qū)(11)位于N-漂移區(qū)(10)和P+集電極區(qū)(12)之間。
17.根據(jù)權(quán)利要求1-3、4、5、7-9、11、14、15中任一權(quán)利要求所述的一種平面柵型IGBT芯片，其特征在于所述平面柵型IGBT芯片的襯底材料為包括Si半導體材料或SiC或GaN或金剛石在內(nèi)的寬禁帶半導體材料。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的一種平面柵型IGBT芯片，其特征在于所述襯底材料的摻雜濃度為 8E12/cm3 5E14/cm3。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的一種平面柵型IGBT芯片，其特征在于所述襯底材料的厚度為 60um 750um。
20.根據(jù)權(quán)利要求4、5、7、8、9中任一權(quán)利要求所述的一種平面柵型IGBT芯片，其特征在于所述介質(zhì)埋層(21)的材料為包括SiO2或氮氧化物在內(nèi)的絕緣材料。
21.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的一種平面柵型IGBT芯片，其特征在于所述介質(zhì)埋層(21)位于第一 N型載流子埋層(16)內(nèi)。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的一種平面柵型IGBT芯片，其特征在于所述介質(zhì)埋層(21)的厚度為O. Ium I. 5um。
23.根據(jù)權(quán)利要求4、5、7、8、9中任一權(quán)利要求所述的一種平面柵型IGBT芯片，其特征在于所述介質(zhì)埋層(21)的兩個端部的最上部與柵氧化層(20)非接觸。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的一種平面柵型IGBT芯片，其特征在于所述介質(zhì)埋層(21)的兩個端部的最上部與柵氧化層(20)之間的間距為O. 2um lum。
25.根據(jù)權(quán)利要求4、5、7、8、9中任一權(quán)利要求所述的一種平面柵型IGBT芯片，其特征在于所述介質(zhì)埋層(21)的形狀與第一 N型載流子埋層(16)的形狀相似。
26.根據(jù)權(quán)利要求4、5、7、8、9中任一權(quán)利要求所述的一種平面柵型IGBT芯片，其特征在于所述介質(zhì)埋層(21)的厚度均勻設置。
27.根據(jù)權(quán)利要求4、5、7、8、9中任一權(quán)利要求所述的一種平面柵型IGBT芯片，其特征在于所述介質(zhì)埋層(21)在單個元胞范圍內(nèi)從芯片正面俯視方向上的形狀為條形或方形或正六邊形或圓形或三角形或任意多邊形。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的一種平面柵型IGBT芯片，其特征在于所述介質(zhì)埋層(21)在單個元胞內(nèi)設置為多個在芯片正面俯視方向上的形狀為豎條或橫條或圓形或任意多邊形的圖形組合。
29.根據(jù)權(quán)利要求27所述的一種平面柵型IGBT芯片，其特征在于所述介質(zhì)埋層(21)在單個元胞內(nèi)設置為多個在芯片正面俯視方向上的形狀相同的圖形的組合。
30.根據(jù)權(quán)利要求28或29所述的一種平面柵型IGBT芯片，其特征在于所述介質(zhì)埋層(21)在單個元胞內(nèi)的多個圖形之間相互接觸。
31.根據(jù)權(quán)利要求4、5、7、8、9中任一權(quán)利要求所述的一種平面柵型IGBT芯片，其特征在于所述介質(zhì)埋層(21)兩個端部的厚度比中部的厚度厚O. 2um 1.5um。
32.根據(jù)權(quán)利要求4、5、7、8、9中任一權(quán)利要求所述的一種平面柵型IGBT芯片，其特征在于所述介質(zhì)埋層(21)的兩個端部或其中任意一個端部設置有向下的端頭。
33.根據(jù)權(quán)利要求4、5、7、8、9中任一權(quán)利要求所述的一種平面柵型IGBT芯片，其特征在于所述介質(zhì)埋層(21)的中部設置有多個向下的端頭。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的一種平面柵型IGBT芯片，其特征在于所述介質(zhì)埋層(21)的端頭的厚度相同或不相同。
35.根據(jù)權(quán)利要求33所述的一種平面柵型IGBT芯片，其特征在于所述介質(zhì)埋層(21)的端頭的寬度相同或不相同。
36.根據(jù)權(quán)利要求33所述的一種平面柵型IGBT芯片，其特征在于所述介質(zhì)埋層(21)的端頭之間的間距相同或不相同。
37.根據(jù)權(quán)利要求1、3、4、5、7-9、11、14、18、19、22、24、28、29、34-36 中任一權(quán)利要求所述的一種平面柵型IGBT芯片，其特征在于當所述平面柵型IGBT芯片包括兩個以上的元胞時，在平面柵型IGBT芯片的所有元胞或部分元胞設置有第一 N型載流子埋層(16)。
38.根據(jù)權(quán)利要求2、3、15中任一權(quán)利要求所述的一種平面柵型IGBT芯片，其特征在于當所述平面柵型IGBT芯片包括兩個以上的元胞時，在平面柵型IGBT芯片的所有元胞或部分元胞設置有第二 N型載流子埋層(17)。
39.根據(jù)權(quán)利要求4、5、7-9、22、24、28、29、34-36中任一權(quán)利要求所述的一種平面柵型IGBT芯片，其特征在于當所述平面柵型IGBT芯片包括兩個以上的元胞時，在平面柵型IGBT芯片的所有元胞或部分元胞設置有介質(zhì)埋層(21)。
40.根據(jù)權(quán)利要求1、3、4、5、7-9、11、14、18、19、22、24、28、29、34-36 中任一權(quán)利要求所述的一種平面柵型IGBT芯片，其特征在于所述第一 N型載流子埋層(16)的寬度大于或小于P-基區(qū)(13)的寬度。
41.根據(jù)權(quán)利要求2、3、15中任一權(quán)利要求所述的一種平面柵型IGBT芯片，其特征在于所述第二 N型載流子埋層(17)的寬度大于或小于多晶硅柵(30)的寬度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種平面柵型IGBT芯片，包括依次排列的集電極金屬電極、P+集電極區(qū)、N-漂移區(qū)、P-基區(qū)、P+歐姆接觸區(qū)、N+源極區(qū)、柵氧化層、多晶硅柵和柵極金屬電極，以及設置在P+歐姆接觸區(qū)上方的發(fā)射極金屬電極。平面柵型IGBT芯片的多晶硅柵采用平面柵結(jié)構(gòu)。平面柵型IGBT芯片還包括第一N型載流子埋層和/或第二N型載流子埋層。第一N型載流子埋層位于P-基區(qū)的下方。第二N型載流子埋層位于柵氧化層的下方，P-基區(qū)的兩側(cè)。本發(fā)明優(yōu)化并降低了IGBT芯片的導通壓降與關(guān)斷損耗的折中關(guān)系，實現(xiàn)了更低的功耗，從而提高了IGBT芯片的功率密度，工作結(jié)溫，以及長期可靠性。
文檔編號H01L29/739GK102969351SQ20121052104
公開日2013年3月13日 申請日期2012年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月7日
發(fā)明者劉國友, 覃榮震, 黃建偉 申請人:株洲南車時代電氣股份有限公司