CN104167356B - 绝缘栅双极型晶体管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种绝缘栅双极型晶体管及其制备方法,该IGBT包括N型基区、P型基区、背P+集电极区、背N+集电极区、N+发射极区、栅氧化层、发射极、P‑缓冲层、栅电极和集电极,N型基区由依次层叠的N+扩散残留层、N‑基区和N+缓冲层组成,N+扩散残留层和N+缓冲层从N‑基区的边界起始向外掺杂浓度逐渐增加。IGBT在N‑基区上设置了N+残留层,有效地提高了N型正面的离子掺杂浓度,有效地提高了器件对电流的处理能力,从而降低了器件的导通饱和压降;而在背面依上而下设置的N+缓冲层、P‑缓冲层、背P+集电极区、背N+集电极区构成了嵌入的NPN晶体管,起到了一个少子的快速通道的作用,帮助少子能尽快地扫出N‑基区,从而减少了器件的关断时间与关断损耗。
Description
技术领域
本发明涉及高压功率半导体器件领域,尤其涉及一种绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。
背景技术
作为最新一代的复合全控型功率半导体器件,绝缘栅双极型晶体管(InsulatedGate Bipolar Transistor,简称IGBT)将功率MOSFET和双极晶体管的优点集于一身,具有电压控制、输入阻抗大、驱动功率小、控制电路简单、开关损耗小、通断速度快和工作频率高等优点,是国际公认的电力电子技术第三次革命最具代表性的产品,电机控制、新能源、高铁、智能电网、电动汽车等领域当中必不可少的功率“芯脏”。小到PDP开关,大到高铁建设,无一例外的都有IGBT身影的出现。IGBT功率大、耐压高、节能效果好等特点决定了其不但是现在,也是未来相当长的一段时间之内高端功率半导体的主流技术,市场前景十分广阔。
自IGBT器件研制成功以来,经过三十多年的发展,其工艺技术和各项指标不断改进和提高,IGBT器件已经由第一代发展到第六代,其各种性能参数也日趋成熟。但是在向高频大功率化的发展方面,仍需在减小通态压降和提高开关速度之间进行折衷。
IGBT根据背面分布的不同,可以分为穿通型(PT-IGBT)与非穿通型(NPT-IGBT)两种结构。PT-IGBT会在均匀掺杂的P+衬底上通过外延生长的方式形成N+缓冲层与N-基区,然后再在N-基区上制作所需的正面结构即可。NPT-IGBT则是在均匀掺杂的厚度为数百微米的N-单晶衬底上先制作正面结构,然后对背面通过研磨刻蚀等工艺方法将N-基区减薄至正向阻断电压所需的厚度,再采用离子注入的方式在背面形成背P+集电极。与PT-IGBT有区别的是,NPT型IGBT不需要厚层外延,适合制造高正向阻断电压的IGBT,但由于没有N+缓冲层,因此达到相同的正向阻断电压所需的N-基区要比PT-IGBT更厚,这会导致其正向导通压降比PT-IGBT更大。但是由于PT-IGBT的集电极掺杂浓度过高,使得其在开启时电导调制效应相对于NPT型要更明显,即关断时,在漂移区中的空穴会更多,因此在关断过程中,大量的空穴不能及时得到复合,使其关断时间更长,关断功耗也会更大。为此,必须通过少子寿命控制技术来降低少子寿命,这样才使器件在关断过程中电流拖尾的幅度与持续时间都减小,而NPT-IGBT的透明集电极可以使少子在关断时迅速到达金属电极,因此无需采用辐照等技术减小载流子寿命。
中国专利申请CN201010290339.1公开了一种IGBT的新结构,如图1所示。其中包括背面的集电极10、背P+集电极区11、背N+缓冲层12、N-基区13、栅氧化层14、栅电极15、N+发射极区16、发射极17、P+发射极区18、N+残留层19。此发明所述的结构通过在正面使用N+扩散残留层可以有效地减弱JFET电阻的影响,从而使器件的导通压降降低,集电极电流得到提高。但是该结构对于器件的关断时间性能没有任何改善,在导通压降与关断时间之间没有形成一个有效的折衷。
发明内容
本发明提供一种绝缘栅双极型晶体管及其制备方法,其通过在正面高温深结扩散、再减薄后形成的扩散残留层能够有效的提高正面载流子浓度;在背面嵌入的NPN管则起到了一个少子的快速通道的作用,帮助少子能够尽快地扫出N-基区。器件得以在导通压降与关断时间形成一个更好的折衷,更适用于快速开关应用领域。
一种绝缘栅双极型晶体管,包括N型基区、P型基区、背P+集电极区、N+发射极区、栅氧化层、发射极、栅电极和集电极;所述的N型基区包括依次层叠的N+扩散残留层、N-基区和N+缓冲层,所述的N+扩散残留层和N+缓冲层从N-基区的边界起始向外掺杂浓度逐渐增加,所述的绝缘栅双极型晶体管进一步设有P-缓冲层、背N+集电极区,所述的P-缓冲层位于N+缓冲层和背P+集电极区之间,所述的背N+集电极区位于背P+集电极区的两端。
所述的N-基区为掺杂浓度恒定区,其厚度和掺杂浓度由器件所需的正向阻断电压决定,正向阻断电压与其厚度正相关,与掺杂浓度负相关。
所述的N+扩散残留层,若厚度过小,表面的杂质掺杂浓度会较低,电导调制作用较弱,导通压降下降程度较低;若厚度过大,表面的杂质掺杂浓度会较高,电导调制作用较强,导通压降虽然下降的较多,但这也会引起正向阻断电压的降低,同时也会导致关断时间的增加。因此,N+扩散残留层的厚度以5~15um为宜。
所述的P-缓冲层,若厚度过小,则P型集电极区域将会被压缩,因此导通时集电极的注入就会减少,因此导通压降将有所增加;若厚度过大,则P型集电极区域将会有所扩展,此时电导调制效应将会加强,导通压降将会有所降低,但是另一方面,由于在背面嵌入的NPN管基区的扩展会限制少子的抽取,关断时间也会相应的上升,因此P-缓冲层的厚度以1~5um为宜。
本发明还提供了该绝缘栅双极型晶体管的制备方法,包括:
(1)在N型单晶硅两侧通过高温扩散分别形成第一N+扩散区和第二N+扩散区;
(2)分别对第一N+扩散区和第二N+扩散区进行加工形成N+扩散残留层和N+
缓冲层;
(3)在N+扩散残留层上形成P型基区、N+发射极区、发射极;
(4)在N+缓冲层上通过注入离子形成P-缓冲层、背P+集电极区、背N+集电极区,背P+集电极区与背N+集电极区金属化后形成集电极。
本发明绝缘栅双极型晶体管,由于其特殊的制备方法:N+扩散残留层和N+缓冲层是在同一步双面高温深结扩散,并分别经过减薄而形成的扩散残留层;在N-基区上面的N+扩散残留层,提高了N型基区正面的杂质离子掺杂浓度,形成了较强的电导调制作用,从而有效地降低了IGBT的导通压降,提高IGBT的电流能力。同时,通过在背面N+缓冲层通过一系列工艺步骤形成的嵌入NPN晶体管,则起到了一个少子的快速通道的作用,在关断时,帮助少子能够尽快地扫出N-基区,从而减少了器件的关断时间。
本发明绝缘栅双极型晶体管的N+扩散残留层与背面的N+缓冲层的形成均为同一次高温深结扩散后,再经过研磨、抛光等减薄工艺形成,这些均属于原有的正常工艺,不需要额外增加工艺步骤形成,从而降低了制造成本。而背面的扩散残留层在经过减薄后形成的N+缓冲层,可以使IGBT在达到相同的正向阻断电压时所需的N-基区的厚度更小,而背面嵌入的NPN晶体管又可以减少器件的关断时间与关断损耗。
附图说明
图1为现有IGBT的剖面结构示意图。
图2为本发明IGBT的剖面结构示意图。
图3a-3g为本发明IGBT制造过程示意各结构剖面图;其中,图3a为原始N-型硅片的剖面图,图3b为图3a所示硅片高温扩散形成两扩散区后的剖面图;图3c为图3b所示硅片正面扩散区经加工后的剖面图;图3d为图3c所示硅片形成IGBT正面结构后的剖面图;图3e为图3d所示硅片背面扩散区加工后的结构示意图;图3f为图3e所示硅片背面注入离子形成背P+集电极区的剖面图;图3g为图3f所示硅片背P+集电极区背面金属化形成集电极后剖面图。
图4为传统PT-IGBT器件和本发明IGBT器件的导通压降仿真对比图。
图5为传统PT-IGBT器件和本发明IGBT器件的关断仿真波形图。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案和改进效果更加清楚明白,以下结合附图,对本发明进行进一步的详细说明。
如图2所示,绝缘栅双极型晶体管,包括N型基区、P型基区30、背P+集电极区22、背N+集电极区21、N+发射极区28、栅氧化层26、发射极29、栅电极27和集电极20;所述的N型基区由依次层叠的N+扩散残留层31、N-基区25和N+缓冲层24组成,该绝缘栅双极型晶体管制造过程如图3a-3g所示,具体如下:
选用如图3a所示的晶向为<100>的N型单晶衬底32,其掺杂浓度为4.2×1013cm-3,衬底厚度为400um,根据正向阻断电压即耐压的需求(比如1700V,下同),可调整掺杂浓度至1×1013cm-3~1×1014cm-3。
如图3b所示,N型单晶衬底经一次双面高温深结扩散后形成依次层叠的第一N+扩散区34、N-基区25和第二N+扩散区33,其中N-基区25厚度根据正向阻断电压的要求可调整到100~300um,第一N+扩散区34与第二N+扩散区33均为非均匀掺杂。
如图3c所示,第一N+扩散区34经研磨和抛光等工艺步骤后形成N+扩散残留层31,该层厚度控制在数微米之内(5~15um之间为佳)。减薄后衬底厚度不低于280um,这样可以保证后期加工中,硅片不易碎裂。
如图3d所示,在N+扩散残留层31上先通过氧化、P+基区光刻、刻蚀、硼离子注入、扩散等工艺步骤形成P型基区30,接着在其表面氧化形成栅氧化层26,然后在栅氧化层上淀积多晶硅形成栅电极27,再通过N+发射极区光刻、刻蚀、砷离子注入、扩散等步骤形成N+发射区28,最后再通过光刻、刻蚀之后在N+集电极区上淀积金属形成发射极29,这样IGBT的正面结构基本就形成了。
如图3e、3f所示,第二N+扩散区33经背面研磨和抛光等减薄之后形成了背面的N+缓冲层24,其厚度控制在数十微米左右(8~20um为宜),先通过硼离子注入、扩散等工艺步骤分别形成P-缓冲层23,P-缓冲层厚度厚度控制在数微米之内(1~5um为宜),再通过硼离子注入、激活等工艺步骤形成背P+集电极区22,然后再通过光刻、刻蚀、磷离子注入、扩散等工艺步骤形成背N+集电极区21。
如图3g所示,在背P+集电极区22与背N+集电极区21上淀积金属后形成集电极20,至此,一个完整的IGBT就已经完成了。
本发明使用了器件仿真软件Medici对本实施方式进行了仿真验证。
图4比较了传统PT-IGBT与本实施方案器件的电流处理处理能力,从图中可以看出,在集电极电流密度同为100A/cm2时,传统PT-IGBT的导通压降为1.65V,本实施方案器件的导通压降为1.52V。本实施方案器件的导通压降降低了9%,这是因为正面的N+残留层增加了表面的电子浓度,从而改善了电导调制效应。
图5比较了传统PT-IGBT与本实施方案器件的关断时间,从图中可以看出,以电流密度下降到10%为判断依据,NFS-IGBT与传统的PT-IGBT的关断时间分别为0.33u和0.7us。也就是说,NFS的关断速度要比传统的PT-IGBT快1倍以上,也更好地实现了导通压降与关断时间的折衷关系,特别适用于快速开关应用领域。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,凡是本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种绝缘栅双极型晶体管的制备方法,其特征在于:
所述的绝缘栅双极型晶体管,包括N型基区、P型基区、背P+集电极区、N+发射极区、栅氧化层、发射极、栅电极和集电极;所述的N型基区包括依次层叠的N+扩散残留层、N-基区和N+缓冲层,所述的N+扩散残留层和N+缓冲层从N-基区的边界起始向外掺杂浓度逐渐增加,其特征在于:所述的绝缘栅双极型晶体管进一步设有P-缓冲层、背N+集电极区,所述的P-缓冲层位于N+缓冲层和背P+集电极区之间,所述的背N+集电极区位于背P+集电极区的两端;所述的N-基区掺杂浓度为恒定的;
所述的制备方法包括:
(1)在N型单晶硅两侧通过高温扩散分别形成第一N+扩散区和第二N+扩散区;
(2)分别对第一N+扩散区和第二N+扩散区进行加工形成N+扩散残留层和N+
缓冲层;
(3)在N+扩散残留层上形成P型基区、N+发射极区、发射极;
(4)在N+缓冲层上通过注入离子形成P-缓冲层、背P+集电极区、背N+集电极区,背P+集电极区与背N+集电极区金属化后形成集电极;
所述的N+缓冲层是对第二N+扩散区使用减薄工艺制得的。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |