專利名稱：積累層控制的絕緣柵雙極型晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
積累層控制的絕緣柵雙極型晶體管，屬于半導(dǎo)體功率器件技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
絕緣柵雙極型晶體管，是一種發(fā)展迅速、應(yīng)用廣泛的電力電子器件。它是利用MOSFET 的輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單和雙極型晶體管電流密度大、飽和壓降低的優(yōu)點(diǎn)而組合成的新 器件?，F(xiàn)廣泛應(yīng)用于電磁爐、UPS不間斷電源、汽車電子點(diǎn)火器、變頻器、馬達(dá)傳動(dòng)系統(tǒng)及
其它能量轉(zhuǎn)換裝置。
IGBT最初于1982年提出，為穿通型結(jié)構(gòu)，如圖1所示，它是在高濃度的P+襯底2上依 次外延N型緩沖層3、N—基區(qū)層4后制造成的絕緣柵雙極型晶體管結(jié)構(gòu)。由于存在N型緩沖 層3，電場(chǎng)在N型緩沖層3中得到終止，從而形成一個(gè)梯形的電場(chǎng)分布，如圖1所示，故可 利用較薄的N—基區(qū)即可得到較高的擊穿電壓，有利于降低導(dǎo)通電阻，從而降低靜態(tài)功耗，但 是由于P+襯底相對(duì)較厚，濃度很高，使得背發(fā)射結(jié)的注入效率很高，關(guān)斷時(shí)電子基本不能從 背發(fā)射區(qū)流出，只靠在基區(qū)的復(fù)合消失，從而其關(guān)斷時(shí)間很長(zhǎng)，增大了開關(guān)損耗，在制造時(shí) 往往需要增加壽命控制。同時(shí)，在制造大于600V的高壓穿通型IGBT時(shí)，所需外延層厚度的 增加，使得制造成本大大增加。其后，發(fā)展了非穿通型絕緣柵雙極型晶體管，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示，它是在單晶N—襯底上制造的，在表面結(jié)構(gòu)完成以后通過離子注入形成薄且較輕摻雜的 背P"區(qū)22 (通常稱為透明集電極)，降低背發(fā)射區(qū)注入效率。由于采用了透明集電區(qū)技術(shù)， 使得非穿通型絕緣柵雙極型晶體管與穿通型絕緣柵雙極型晶體管相比，具有以下主要性能特 點(diǎn)導(dǎo)通壓降呈正溫度系數(shù)，功耗和電流拖尾隨溫度的變化?。挥捎趯?duì)縱向PNP的發(fā)射效率 有所降低和控制，明顯改善了關(guān)態(tài)的延遲；因不用外延片和不用壽命控制技術(shù)而成本低。但 是，非穿通型絕緣柵雙極型品體管在采用透明集電區(qū)技術(shù)提高開關(guān)速度的同時(shí)，由于沒有了 N型緩沖層，電場(chǎng)將終止于N—基區(qū)，從而形成一個(gè)三角形的電場(chǎng)分布，如圖2所示，故為了 保證耐壓必須采用相對(duì)較寬的N—基區(qū)，導(dǎo)致導(dǎo)通電阻的增大，也就增加了靜態(tài)損耗。特別是 在承受高電壓時(shí)，電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)將會(huì)明顯減弱，導(dǎo)通損耗增加將更為顯著。所以，只通過降 低背發(fā)射區(qū)注入效率來優(yōu)化正向?qū)▔航岛完P(guān)斷損耗的矛盾關(guān)系，其作用是很有限的，文獻(xiàn) K. Sheng, F. Udrea, G.A丄Amaratunga， "Optimum carrier distribution of the IGBT"(絕緣柵雙極 型晶體管載流子濃度分布的優(yōu)化)，Solid-State Electronics 44 ， 1573-1583， 2000指出，要實(shí) 現(xiàn)正向?qū)▔航岛完P(guān)斷損耗之間較好的優(yōu)化，這和載流子在N'基區(qū)的分布密切相關(guān)，增大發(fā)
射極一側(cè)載流子的濃度，降低集電極一側(cè)載流子的濃度有利于實(shí)現(xiàn)它們之間更好的優(yōu)化。
為了實(shí)現(xiàn)更好的導(dǎo)通壓降和關(guān)斷損耗之間的折衷，文獻(xiàn)T. Laska, M. Miinzer, F. Pfirsch， C. Schaeffer， T. Schmidt, "The Field Stop IGBT (FS IGBT)— A New Power Device Concept with a Great Improvement Potential"(電場(chǎng)終止型絕緣柵雙極型晶體管一一種具有極大提升潛力的新 型功率器件)，ISPSD'2000, May 22-25, Toulouse, France ，提出了一種電場(chǎng)終止型絕緣柵雙極 型晶體管，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，它采用離子注入的方法在硅片背面先制造一個(gè)N型緩沖層3， 再注硼形成背P+區(qū)22，由于N型緩沖層3的存在，電場(chǎng)將終止于N型緩沖層3，從而形成 一個(gè)梯形的電場(chǎng)分布，如圖3所示，故可使得N—基區(qū)4可以作的較薄。但是電場(chǎng)終止型絕緣 柵雙極型晶體管的N型緩沖層3是在表面結(jié)構(gòu)都制作完畢以后背面注入形成的，因而不可能 進(jìn)行高溫長(zhǎng)時(shí)間的退火，因此N型緩沖層3的厚度和雜質(zhì)的激活濃度都是很有限的，用如此 薄的緩沖層作高壓器件的強(qiáng)電場(chǎng)中止層在物理上很不可靠，容易失效；而且，電場(chǎng)終止型絕 緣柵雙極型晶體管要求的硅片厚度很薄， 一般在70pm左右，要確保如此薄的硅片在流片的 過程中不破裂，不彎曲，是相當(dāng)困難的；再者，電場(chǎng)終止型絕緣柵雙極型晶體管對(duì)N—基區(qū)中 載流子的分布改變并不顯著，故正向?qū)▔航岛完P(guān)斷損耗之間的優(yōu)化還可再進(jìn)一步提高。
溝槽絕緣柵雙極型晶體管，如圖4所示，是絕緣柵雙極型晶體管的另一個(gè)發(fā)展方向，它 采用溝槽柵代替平面柵，改善了器件的導(dǎo)通特性，降低導(dǎo)通電阻，增加了電流密度。在溝槽 柵結(jié)構(gòu)中，平面柵結(jié)構(gòu)中的JFET被干法刻蝕的工藝很好地挖去了，連同包圍這個(gè)區(qū)域、延 伸到原來柵極下形成溝道的部分P型基區(qū)也都挖掉。于是N+源區(qū)9和留下的P型基區(qū)8就暴 露在該溝槽的側(cè)壁，通過側(cè)壁氧化等一系列特殊加工，側(cè)壁氧化層外側(cè)的P型基區(qū)8內(nèi)形成 了垂直于硅片表面的溝道。工作時(shí)電流從N—基區(qū)4直接流進(jìn)垂直溝道而進(jìn)入源區(qū)9,使得原 胞密度增加，電流密度增加，閂鎖效應(yīng)減小。但是溝槽柵型絕緣柵雙極型晶體管在高溫工作 時(shí)， 一方面由于溫度升高，載流子壽命增加，PNP晶體管放大系數(shù)變大，導(dǎo)致流過P型基區(qū) 8的空穴電流變大；另一方面，溫度升高使得空穴的遷移率大大降低，P型基區(qū)8的電阻增加； 這兩方面原因都會(huì)導(dǎo)致傳統(tǒng)溝槽絕緣柵雙極型晶體管由于溫度的升高，抗閂鎖能力大幅度降 低，安全工作區(qū)也隨之減小，可靠性降低，如何尋求具有更好的高溫抗閂鎖能力是迫切需要 解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供積累層控制的絕緣柵雙極型晶體管，它通過P+N—結(jié)的內(nèi)建電場(chǎng)形 成的電子勢(shì)壘來控制器件的阻斷，通過積累層來控制器件的正常工作，因而可獲得更低的導(dǎo) 通壓降，更大的飽和電流密度，器件的安全工作區(qū)、可靠性和高溫工作特性都得到大幅度的
提升；同時(shí)，由于積累層的作用，使得發(fā)射極電子的注入效率大大增強(qiáng)，優(yōu)化了N—基區(qū)中的 載流子濃度的分布，使得本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)更好的導(dǎo)通壓降和關(guān)斷損耗之間的折衷，且制作工藝 得到簡(jiǎn)化，制造成本降低。
本發(fā)明提供的積累層控制的絕緣柵雙極型晶體管，以積累層取代了傳統(tǒng)絕緣柵雙極型晶 體管中的P型基區(qū)和MOS反型溝道，消除了傳統(tǒng)絕緣柵雙極型晶體管結(jié)構(gòu)中的寄生晶閘管 效應(yīng)。器件的安全工作區(qū)、可靠性和高溫工作特性都得到大幅度的提升，可獲得更低的導(dǎo)通 壓降，更大的飽和電流密度，N—基區(qū)中的載流子濃度分布得到有效的優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通壓降 和關(guān)斷損耗之間更好的折衷。并且采用本發(fā)明省去了傳統(tǒng)絕緣柵雙極型晶體管中P型基區(qū)的 制造，使得結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，制造工藝也得到了簡(jiǎn)化。
本發(fā)明技術(shù)方案如下
一種積累層控制的溝槽絕緣柵雙極型晶體管，如圖5所示，包括集電極l， P型集電區(qū) 23， N—基區(qū)4，柵氧化層5，溝槽多晶硅柵6，發(fā)射極7， N+源區(qū)9， P+體區(qū)10; P型集 電區(qū)23背面是集電極1，其正面是N.基區(qū)4; N—基區(qū)4頂部一側(cè)是溝槽絕緣柵，所述溝槽絕 緣柵由柵氧化層5和溝槽多晶硅柵6構(gòu)成，其中柵氧化層5位于溝槽多晶硅柵6的表面;N'基 區(qū)4頂部的另一側(cè)是P+體區(qū)10; N—基區(qū)4頂部的中間是N+源區(qū)9;發(fā)射極7位于P+體區(qū) 10、 N+源區(qū)9和柵氧化層5的上表面。所述一種積累層控制的溝槽絕緣柵雙極型晶體管在阻 斷狀態(tài)下，P+體區(qū)10和N—基區(qū)4形成的內(nèi)建電場(chǎng)構(gòu)成了一個(gè)電子的勢(shì)壘，阻止了電子由W 源區(qū)9流入N—基區(qū)4，以使器件能承受高的耐壓。所述一種積累層控制的溝槽絕緣柵雙極型 晶體管在導(dǎo)通狀態(tài)下，在N—基區(qū)4與柵氧化層5之間形成一個(gè)積累層，電子可通過N+源區(qū)9 經(jīng)積累層到達(dá)N—基區(qū)4，從而控制器件的正常工作。
一種積累層控制的平面絕緣柵雙極型晶體管，如圖6所示，包括集電極1， P型集電區(qū) 23， N—基區(qū)4，柵氧化層5，平面多晶硅柵6，發(fā)射極7， N+源區(qū)9， P+體區(qū)10; P型集 電區(qū)23背面是集電極1，其正面是N—基區(qū)4; N—基區(qū)4頂部的一側(cè)是P+體區(qū)10; N—基區(qū)4 頂部的中間是N+源區(qū)9，所述！^+源區(qū)9的一側(cè)及下表面與P+體區(qū)10相連，所述>^+源區(qū) 9的另一側(cè)與N—基區(qū)4相連；發(fā)射極7位于P+體區(qū)10和N+源區(qū)9的部分的上表面，且分別 與P+體區(qū)10和N+源區(qū)9相連；柵氧化層5位于N+源區(qū)9的另一部分和M基區(qū)4的上表 面，平面多品硅柵6位于柵氧化層5的上表面且通過柵氧化層5與發(fā)射極7相隔離。所述一 種積累層控制的平面絕緣柵雙極型晶體管在阻斷狀態(tài)下，P+體區(qū)10和M基區(qū)4形成的內(nèi)建 電場(chǎng)構(gòu)成了一個(gè)電子的勢(shì)壘，阻止了電子由N+源區(qū)9流入N—基區(qū)4，以使器件能承受高的耐 壓。所述一種積累層控制的平面絕緣柵雙極型晶體管在導(dǎo)通狀態(tài)下，在N—基區(qū)4與柵氧化層
5之間形成一個(gè)積累層，電子可通過N+源區(qū)9經(jīng)積累層到達(dá)N—基區(qū)4，從而控制器件的正 常工作。
一種積累層控制的橫向絕緣柵雙極型晶體管，如圖7所示，包括P+襯底2， N'基區(qū)4， P+體區(qū)10，發(fā)射極7， N+源區(qū)9，柵氧化層5，多晶硅柵6，厚氧化層88，集電極l， P型 集電區(qū)23; N—基區(qū)4位于P+襯底2的上面，N—基區(qū)4頂部的一側(cè)具有P型集電區(qū)23， P型集 電區(qū)23的上面是集電極l; >^基區(qū)4頂部的另一側(cè)具有？+體區(qū)10和N+源區(qū)9，所述N+源 區(qū)9的一側(cè)及下表面與P+休區(qū)10相連，所述N+源區(qū)9的另一側(cè)與N—基區(qū)4相連；發(fā)射極7 位于P+體區(qū)10和N+源區(qū)9的部分的上表面，且分別與P+體區(qū)10和N+源區(qū)9相連；柵氧 化層5位丁- N+源區(qū)9的另一部分和N—基區(qū)4的部分上表面，多晶硅柵6位于柵氧化層5的 上表面且通過柵氧化層5與發(fā)射極7相隔離并通過厚氧化層88與集電極1相隔離。所述一種 積累層控制的橫向絕緣柵雙極型晶體管在阻斷狀態(tài)下，P+體區(qū)10和N—基區(qū)4形成的內(nèi)建電 場(chǎng)構(gòu)成了一個(gè)電子的勢(shì)壘，阻止了電子由N+源區(qū)9流入N—基區(qū)4，以使器件能承受高的耐壓。 所述一種積累層控制的橫向絕緣柵雙極型晶體管在導(dǎo)通狀態(tài)下，在N—基區(qū)4與柵氧化層5之 間形成一個(gè)積累層，電子可通過N+源區(qū)9經(jīng)積累層到達(dá)N—基區(qū)4，從而控制器件的正常工 作。
本發(fā)明的工作原理
本發(fā)明提供的一種積累層控制的絕緣柵雙極型晶體管，可以進(jìn)一步減小導(dǎo)通電阻，增加 飽和電流密度，優(yōu)化導(dǎo)通壓降與關(guān)斷損耗之間的關(guān)系，增強(qiáng)器件的安全工作區(qū)和可靠性，簡(jiǎn) 化器件制作工藝，降低生產(chǎn)成本。這里以一種積累層控制的溝槽柵絕緣柵雙極型晶體管(附 有內(nèi)建電場(chǎng)示意，如圖8所示)，說明本發(fā)明的工作原理。
當(dāng)溝槽柵5不加電壓時(shí)，因?yàn)镹+源9的長(zhǎng)度較小，P+N—結(jié)(由P+體區(qū)10和N'基區(qū)4 組成)形成的內(nèi)建電場(chǎng)18 (圖8中虛線所示的橫向電場(chǎng))形成一個(gè)電子的勢(shì)壘，阻斷電子由 N+源9到N—基區(qū)4的通路，故當(dāng)集電極1相對(duì)于發(fā)射極7為高電位時(shí)，只有極小的泄漏電 流，而且隨著集電極l電壓的不斷升高，耗盡區(qū)將在低摻雜的N—基區(qū)4不斷擴(kuò)展，從而使所 述的一種積累層控制的絕緣柵雙極型晶體管可以承受很高的耐壓；當(dāng)多晶硅柵6加正電壓時(shí)， 在N—基區(qū)4與柵氧化層5之間形成一個(gè)積累層，電子可通過1^+源區(qū)9經(jīng)積累層到達(dá)N.基區(qū) 4，為寬基區(qū)PNP晶體管(由P型集電區(qū)23， N-基區(qū)4和P+體區(qū)10組成)提供了基極電流， 空穴由P型集電區(qū)23注入到N—基區(qū)4，對(duì)其進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，N—基區(qū)4的載流子不斷升高，隨 著集電極電壓的不斷升高，發(fā)射極一側(cè)的電子注入效率也不斷提高，從而可實(shí)現(xiàn)提高發(fā)射極 一側(cè)載流子濃度的作用。對(duì)于傳統(tǒng)的絕緣柵雙極型晶體管而言，越靠近發(fā)射極載流子的濃度
就越低，電導(dǎo)調(diào)制作用減弱，導(dǎo)通損耗增加，對(duì)高耐壓器件越是如此。而本發(fā)明所提供的一 種積累層控制的溝槽絕緣柵雙極型晶體管由于采用了積累層代替了反型層，積累層中的電子 濃度極高，因此電子注入效率也很高，在靠近發(fā)射極的N—基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制作用反而更強(qiáng)，實(shí)現(xiàn) 了發(fā)射極一側(cè)載流子濃度大于集電極一側(cè)的載流子濃度分布，這種載流子分布相對(duì)于傳統(tǒng)的 集電極一側(cè)載流子濃度大于發(fā)射極的分布可以實(shí)現(xiàn)更好的導(dǎo)通壓降和關(guān)斷損耗之間的折衷， 而且通過調(diào)整背發(fā)射極的注入效率，可對(duì)N-基區(qū)中載流子的分布進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)。由 于積累層的形成較反型層更為容易，載流子濃度更高(電子注入效率更高)，遷移率更大，所 以本發(fā)明所提供的積累層控制的絕緣柵雙極型晶體管較傳統(tǒng)的絕緣柵雙極型晶體管具有更小 的柵電荷，更低的導(dǎo)通壓降和更大的飽和電流密度。
本發(fā)明除了大幅提高傳統(tǒng)的絕緣柵雙極型晶體管的飽和電流密度和降低導(dǎo)通壓降，實(shí)現(xiàn) 更好的導(dǎo)通壓降和關(guān)斷損耗之間的折衷外，還具有的優(yōu)點(diǎn)是消除了傳統(tǒng)絕緣柵雙極型晶體管 的寄生晶閘管效應(yīng)，器件的安全工作區(qū)和可靠性都得到大幅度的提升，而且制造工藝得到了 簡(jiǎn)化，使得制造成本降低。
對(duì)于傳統(tǒng)的絕緣柵雙極型晶體管，在此以傳統(tǒng)溝槽柵型絕緣柵雙極型晶體管(如圖4所 示)為例，當(dāng)空穴電流流過P型基區(qū)8產(chǎn)生的壓降大于PN結(jié)的內(nèi)建電勢(shì)時(shí)，電子將由N+源 區(qū)9注入到P型基區(qū)8，從而觸發(fā)由P型集電區(qū)23， N—基區(qū)4， P型基區(qū)8 , N+源區(qū)9組成 的寄生晶閘管開啟，導(dǎo)致柵失去控制作用，器件的安全工作區(qū)也由此而受限；而采用本發(fā)明 的一種積累層控制的溝槽絕緣柵雙極型晶體管(如圖5所示)則去除了P型基區(qū)，以積累層 取代了反型層，消除了寄生晶閘管效應(yīng)，使器件的安全工作區(qū)大大增加，同時(shí)，由于不再需 要制作P型基區(qū)，工藝步驟也得到了簡(jiǎn)化，生產(chǎn)成本也由此而降低。
借助MEDICI仿真工具，對(duì)所提供的一種積累層控制的溝槽絕緣柵雙極型晶體管(如圖 5所示)和傳統(tǒng)的溝槽柵絕緣柵雙極型晶體管(如圖4所示)進(jìn)行了仿真比較。仿真模擬薄 片工藝制造的600V溝槽柵非穿通型絕緣柵雙極型晶體管，且仿真參數(shù)為P型集電區(qū)摻雜 2xl016cm—3，厚度為5^mi; N—基區(qū)摻雜1 x 10"cm—3，厚度為95pm;柵氧化層厚度為30nm， N+源區(qū)摻雜lxl(^cm—3， P+源區(qū)摻雜5xlO'Scm—3，仿真元胞寬度為lnm。仿真所得的一種積 累層控制的溝槽絕緣柵雙極型品體管和傳統(tǒng)的溝槽柵絕緣柵雙極型晶體管的電流曲線分別如 圖9和圖10所示，由圖可知，兩者皆為電子電流為寬基區(qū)PNP晶體管提供基極電流的工作 方式，不同只是電子電流提供的途徑不同，前者是通過積累層提供，而后者則通過反型MOS 溝道來提供。圖11是所提供的一種積累層控制的溝槽絕緣柵雙極型晶體管與傳統(tǒng)的溝槽柵絕 緣柵雙極型品體管擊穿Hi壓的仿真比較結(jié)果，由圖可知，兩者幾乎可實(shí)現(xiàn)相同的擊穿電壓。
本發(fā)明所提供的一種積累層控制的溝槽絕緣柵雙極型晶體管與傳統(tǒng)的溝槽柵絕緣柵雙極型晶 體管飽和工作時(shí)的空穴濃度分布情況如圖12所示，由圖可知，對(duì)于傳統(tǒng)的溝槽柵絕緣柵雙極 型晶體管而言，集電極一側(cè)的空穴濃度較高，越靠近發(fā)射極空穴的濃度就越低；而本發(fā)明所 提供的積累層控制的溝槽絕緣柵雙極型晶體管由于采用了積累層代替了反型層，提高了發(fā)射 極一側(cè)電子的注入效率，實(shí)現(xiàn)了發(fā)射極一側(cè)空穴濃度大于集電極一側(cè)的載流子濃度分布，可 以實(shí)現(xiàn)更好的導(dǎo)通壓降和關(guān)斷損耗之間的折衷。本發(fā)明所提供的一種積累層控制的溝槽絕緣 柵雙極型晶體管與傳統(tǒng)的溝槽柵絕緣柵雙極型晶體管在不同電流密度條件下的正向?qū)▔航?如圖13所示，由圖可知，本發(fā)明所提供的一種積累層控制的溝槽絕緣柵雙極型品體管在 200A/cm2的電流密度下，正向?qū)▔航迪鄬?duì)于傳統(tǒng)的溝槽柵絕緣柵雙極型晶體管降低了 0.5 伏。圖14是本發(fā)明所提供的一種積累層控制的溝槽絕緣柵雙極型晶體管與傳統(tǒng)的溝槽柵絕緣 柵雙極型晶體管在柵壓為20伏的條件下的I-V曲線比較圖，從圖中可以看出，所提供的一種 積累層控制的溝槽絕緣柵雙極型晶體管的最大飽和電流密度是相同條件下傳統(tǒng)溝槽柵絕緣柵 雙極型晶體管的3倍以上。
綜上所述，本發(fā)明提供的一種積累層控制的溝槽絕緣柵雙極型晶體管，通過在傳統(tǒng)絕緣 柵雙極型品體管內(nèi)部引入內(nèi)建電場(chǎng)，以形成一個(gè)電子的勢(shì)壘，以積累層取代了傳統(tǒng)絕緣柵雙 極型晶體管的P型基區(qū)和MOS反型溝道，從而獲得更低的導(dǎo)通壓降和更大的飽和電流密度， 而且消除了傳統(tǒng)絕緣柵雙極型晶體管的寄生晶閘管效應(yīng)，器件的安全工作區(qū)、可靠性和高溫 工作特性都得到大幅度的提升。而且，采用本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了更好的導(dǎo)通壓降和關(guān)斷損耗的優(yōu)化 和簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)絕緣柵雙極型晶體管的制造工藝，使制造成本得到降低。


圖1是傳統(tǒng)的穿通型絕緣柵雙極型晶體管結(jié)構(gòu)示意圖。
其中，l是器件的集電極，2是P+襯底，3是N型緩沖層，4是N—基區(qū)，5是柵氧化層， 6是多晶硅柵，7是器件的發(fā)射極，8是P型基區(qū)，9是N+源區(qū)，10是P+體區(qū)。
圖2是傳統(tǒng)的非穿通型絕緣柵雙極型晶體管結(jié)構(gòu)示意圖。
其中，l是器件的集電極，22是背P+區(qū)，4是N—基區(qū)，5是柵氧化層，6是多晶硅柵，7 是器件的發(fā)射極，8是P型基區(qū)，9是N+源區(qū)，10是P+體區(qū)。
圖3是電場(chǎng)終止型絕緣柵雙極型晶體管結(jié)構(gòu)示意圖。
其中，l是器件的集電極，22是背P+區(qū)，3是N型緩沖層，4是N—基區(qū)，5是柵氧化層，
6是多晶硅柵，7是器件的發(fā)射極，8是P型基區(qū)，9是N+源區(qū)，10是P+體區(qū)。 圖4是傳統(tǒng)溝槽柵絕緣柵雙極型晶體管結(jié)構(gòu)示意圖。
其中，l是器件的集電極，23是P型集電區(qū)，4是N—基區(qū)，5是柵氧化層，6是多晶硅柵， 7是器件的發(fā)射極，9是N+源區(qū)，10是P+體區(qū)，8是P型基區(qū)。
圖5是本發(fā)明提供的一種積累層控制的溝槽柵絕緣柵雙極型晶體管結(jié)構(gòu)示意圖。
其中，I是器件的集電極，23是P型集電區(qū)，4是N—基區(qū)，5是柵氧化層，6是溝槽多晶 硅柵，7是器件的發(fā)射極，9是N+源區(qū)，10是P+體區(qū)。
圖6是本發(fā)明提供的一種積累層控制的平面柵絕緣柵雙極型晶體管結(jié)構(gòu)示意圖。
其中，l是器件的集電極，23是P型集電區(qū)，4是N—基區(qū)，5是柵氧化層，6是平面多品 硅柵，9是N+源區(qū)，7是器件的發(fā)射極，10是P+體區(qū)。
圖7是本發(fā)明提供的一種積累層控制的橫向絕緣柵雙極型晶體管結(jié)構(gòu)示意圖。
其中，2是P+襯底，4是N—基區(qū)，10是P+體區(qū)，7是器件的發(fā)射極，9是N+源區(qū)，5 是柵氧化層，6是多晶硅柵，88是厚氧化層，l是器件的集電極，23是P型集電區(qū)。
圖8是本發(fā)明提供的一種積累層控制的溝槽絕緣柵雙極型晶體管結(jié)構(gòu)示意及內(nèi)建電場(chǎng)示 意圖。
其中，l是器件的集電極，23是P型集電區(qū)，4是N—基區(qū)，5是柵氧化層，6是多晶硅柵， 7是器件的發(fā)射極，9是N+源區(qū)，10是P+體區(qū)，18是內(nèi)建電場(chǎng)。
圖9是本發(fā)明提供的一種積累層控制的溝槽絕緣柵雙極型晶體管正常工作時(shí)近表面部分 的電流分布曲線圖。
圖IO是傳統(tǒng)溝槽絕緣柵雙極型晶體管正常工作時(shí)近表面部分的電流分布曲線圖。
圖11是本發(fā)明提供的一種積累層控制的溝槽絕緣柵雙極型晶體管與傳統(tǒng)溝槽絕緣柵雙 極型晶體管的擊穿電壓比較圖。
圖12是本發(fā)明提供的一種積累層控制的溝槽絕緣柵雙極型晶體管與傳統(tǒng)溝槽絕緣柵雙 極型晶體管飽和工作時(shí)的空穴濃度分布比較圖。
圖13是本發(fā)明提供的一種積累層控制的溝槽絕緣柵雙極型晶體管與傳統(tǒng)溝槽絕緣柵雙 極型晶體管在不同電流密度條件下的正向?qū)▔航凳疽鈭D。
圖14是本發(fā)明提供的一種積累層控制的溝槽絕緣柵雙極型晶體管與傳統(tǒng)溝槽絕緣柵雙 極型晶體管在柵壓為20伏條件下的I-V特性曲線比較圖。
具體實(shí)施例方式
釆用本發(fā)明的積累層控制結(jié)構(gòu)，可以得到低導(dǎo)通壓降，高電流密度，大安全工作區(qū)，低 成本，且能實(shí)現(xiàn)更好導(dǎo)通壓降和關(guān)斷損耗折衷的絕緣柵雙極型晶體管?？梢赃m用于平面柵結(jié) 構(gòu)，溝槽柵結(jié)構(gòu)和橫向結(jié)構(gòu)等。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，采用本發(fā)明還可以制作更多的低壓 降，大電流、高可靠性的功率器件。
引入積累層控制結(jié)構(gòu)的溝槽絕緣柵雙極型晶體管，如圖5所示，包括集電極l， P型集 電區(qū)23， N-基區(qū)4，柵氧化層5，多晶硅柵6，發(fā)射極7， N+源區(qū)9， P+體區(qū)10。
一種積累層控制的平面柵絕緣柵雙極型晶體管，如圖6所示，包括集電極l， P型集電區(qū) 23， N—基區(qū)4，柵氧化層5，多晶硅柵6， N+源區(qū)9，發(fā)射極7， P+體區(qū)10。
一種積累層控制的橫向絕緣柵雙極型晶體管，如圖7所示，包括P+襯底2， N—基區(qū)4， P+體區(qū)10，發(fā)射極7， N+源區(qū)9，柵氧化層5，多晶硅柵6，厚氧化層88，集電極l， P型
集電區(qū)23。
具體實(shí)施時(shí)，若采用外延工藝，則對(duì)一種積累層控制的平面柵絕緣柵雙極型晶體管而言， 其主要制造歩驟包括P+襯底的制備，N+外延，N—外延，場(chǎng)氧化，光刻及硼注入，氧化及光 刻有源區(qū)，柵氧化，淀積多品硅，光刻多晶硅，源光刻及N+源區(qū)注入，高能量高劑量的硼 離子注入，LPCVD 二氧化硅，光刻孔，淀積鋁，光刻鋁，BPSG鈍化，光刻PAD，正面涂 膠背面腐蝕，背面金屬化等；對(duì)一種積累層控制的溝槽柵絕緣柵雙極型晶體管而言，則主要 制造步驟為P+襯底的制備，N+外延，N—外延，P+源光刻及P+源區(qū)注入，氧化并光刻?hào)?Trench窗口，刻蝕柵Trench，柵氧化并淀積多晶硅，以氧化層為硬掩模反刻多晶硅，N+源 光刻及N+源區(qū)注入，去除覆蓋在源上的氧化層，淀積金屬,完成柵源的金屬化，鈍化等；對(duì) 一種積累層控制的橫向絕緣柵雙極型晶體管而言，其主要制造歩驟包括P+襯底的制備， N—外延，場(chǎng)氧化，光刻及硼注入，氧化及光刻有源區(qū)，柵氧化，淀積多晶硅，光刻多晶硅， 源光刻及N+源區(qū)注入，高能量高劑量的硼離子注入，LPCVD 二氧化硅，光刻孔，淀積鋁， 光刻鋁，BPSG鈍化等。
具體實(shí)施時(shí)，若采用薄片工藝，則對(duì)一種積累層控制的平面柵絕緣柵雙極型晶體管而言， 其主要制造步驟包括區(qū)熔N—單晶襯墊的制備，場(chǎng)氧化，光刻及硼注入，氧化及光刻有源區(qū)， 柵氧化，淀積多晶硅，光刻多晶硅，源光刻及N+源區(qū)注入，高能量高劑量的硼離子注入，
LPCVD 二氧化硅，光刻孔，淀積鋁，光刻鋁完成柵源的金屬化，背面N+緩沖層注入(可選)， 背面P型集電區(qū)注入，背面金屬化，鈍化等；對(duì)一種積累層控制的溝槽柵絕緣柵雙極型晶體 管而言，則主要制造步驟為區(qū)熔N—單晶襯墊的制備，P+源光刻及P+源區(qū)注入，氧化并光 刻?hào)臫rench窗口 ，刻蝕柵Trench，柵氧化并淀積多晶硅，以氧化層為硬掩模反刻多晶硅， 源光刻及討+源區(qū)注入，去除覆蓋在源上的氧化層，淀積金屬，完成柵源的金屬化，背面N4緩 沖層注入(可選)，背面P型集電區(qū)注入，背面金屬化，鈍化等。
在實(shí)施過程中，可以根據(jù)具體情況，在基本結(jié)構(gòu)不變的情況下，進(jìn)行一定的變通設(shè)計(jì)， 例如在采用外延工藝制造一種積累層控制的平面柵絕緣柵雙極型晶體管時(shí)，光刻及硼注入可 以放在光刻多晶硅之后制造，或者放在源光刻及N+源區(qū)注入之后制造；在采用外延工藝制 造一種積累層控制的溝槽柵絕緣柵雙極型晶體管時(shí)，N+源光刻及N+源區(qū)注入可以放在氧化 并光刻?hào)臫rench窗口之前制造等。制作器件時(shí)還可用碳化硅、砷化鎵、磷化銦或鍺硅等半導(dǎo) 體材料代替體硅。
權(quán)利要求
1、一種積累層控制的溝槽絕緣柵雙極型晶體管，包括集電極(1)、P型集電區(qū)(23)、N-基區(qū)(4)、柵氧化層(5)、溝槽多晶硅柵(6)、發(fā)射極(7)、N+源區(qū)(9)和P+體區(qū)(10)；P型集電區(qū)(23)背面是集電極(1)，其正面是N-基區(qū)(4)；N-基區(qū)(4)頂部一側(cè)是溝槽絕緣柵，所述溝槽絕緣柵由柵氧化層(5)和溝槽多晶硅柵(6)構(gòu)成，其中柵氧化層(5)位于溝槽多晶硅柵(6)的表面；N-基區(qū)(4)頂部的另一側(cè)是P+體區(qū)(10)；N-基區(qū)(4)頂部的中間是N+源區(qū)(9)；發(fā)射極(7)位于P+體區(qū)(10)、N+源區(qū)(9)和柵氧化層(5)的上表面；其特征在于所述一種積累層控制的溝槽絕緣柵雙極型晶體管在阻斷狀態(tài)下，P+體區(qū)(10)和N-基區(qū)(4)形成的內(nèi)建電場(chǎng)構(gòu)成了一個(gè)電子的勢(shì)壘，阻止了電子由N+源區(qū)(9)流入N-基區(qū)(4)，以使器件能承受高的耐壓；所述一種積累層控制的溝槽絕緣柵雙極型晶體管在導(dǎo)通狀態(tài)下，在N-基區(qū)(4)與柵氧化層(5)之間形成一個(gè)積累層，電子可通過N+源區(qū)(9)經(jīng)積累層到達(dá)N-基區(qū)(4)，從而控制器件的正常工作。
2、 一種積累層控制的平面絕緣柵雙極型晶體管，包括集電極(1)、 P型集電區(qū)(23)、 N— 基區(qū)(4)、柵氧化層(5)、平面多晶硅柵(6)、發(fā)射極(7)、 N+源區(qū)(9)和P+體區(qū)(10); P型集電區(qū)(23)背面是集電極(1)，其正面是N—基區(qū)(4); N—基區(qū)(4)頂部的一側(cè)是P+體 區(qū)(10); N—基區(qū)(4)頂部的中間是N+源區(qū)(9)，所述N+源區(qū)(9)的一側(cè)及下表面與？+ 體區(qū)(10)相連，所述N+源區(qū)(9)的另一側(cè)與N—基區(qū)(4)相連；發(fā)射極(7)位于P+體 區(qū)(10)和N+源區(qū)(9)的部分的上表面，且分別與P+體區(qū)(10)和N+源區(qū)(9)相連； 柵氧化層(5)位于N+源區(qū)(9)的另一部分和TnT基區(qū)(4)的上表面，平面多晶硅柵(6) 位于柵氧化層(5)的上表面且通過柵氧化層(5)與發(fā)射極(7)相隔離；其特征在于所述一種積累層控制的平面絕緣柵雙極型晶體管在阻斷狀態(tài)下，P+體區(qū) (10)和N—基區(qū)(4)形成的內(nèi)建電場(chǎng)構(gòu)成了一個(gè)電子的勢(shì)壘，阻止了電子由N+源區(qū)(9) 流入N—基區(qū)(4)，以使器件能承受高的耐壓；所述一種積累層控制的平面絕緣柵雙極型晶體 管在導(dǎo)通狀態(tài)下，在N—基區(qū)(4)與柵氧化層(5)之間形成一個(gè)積累層，電子可通過N+源 區(qū)(9)經(jīng)積累層到達(dá)N—基區(qū)(4)，從而控制器件的正常工作。
3、 一種積累層控制的橫向絕緣柵雙極型晶體管，包括P+襯底(2)、 N—基區(qū)(4)、 P+體 區(qū)(10)、發(fā)射極(7)、 N+源區(qū)(9)、柵氧化層(5)、多晶硅柵(6)、厚氧化層(88)、集電 極(1)和P型集電區(qū)(23); N-基區(qū)(4)位于P+襯底(2)的上面，M基區(qū)(4)頂部的一側(cè) 具有P型集電區(qū)(23), P型集電區(qū)(23)的上面是集電極(1); N'基區(qū)(4)頂部的另一側(cè) 具有P+體區(qū)(10)和N+源區(qū)(9)，所述N+源區(qū)(9)的一側(cè)及下表面與P+體區(qū)(10)相 連，所述N+源區(qū)(9)的另一側(cè)與N—基區(qū)(4)相連；發(fā)射極(7)位于P+體區(qū)(10)和W 源區(qū)(9)的部分的上表面，且分別與P+體區(qū)(10)和N+源區(qū)(9)相連；柵氧化層(5) 位于N—源區(qū)(9)的另一部分和N—基區(qū)(4)的部分上表面，多晶硅柵(6)位于柵氧化層(5) 的上表面且通過柵氧化層(5)與發(fā)射極(7)相隔離并通過厚氧化層(88)與集電極(1)相 隔離；其特征在于所述一種積累層控制的橫向絕緣柵雙極型晶體管在阻斷狀態(tài)下，P+體區(qū) (10)和N-基區(qū)(4)形成的內(nèi)建電場(chǎng)構(gòu)成了一個(gè)電子的勢(shì)壘，阻止了電子由N+源區(qū)(9) 流入N—基區(qū)(4),以使器件能承受高的耐壓；所述一種積累層控制的橫向絕緣柵雙極型晶體 管在導(dǎo)通狀態(tài)下，在N—基區(qū)(4)與柵氧化層(5)之間形成一個(gè)積累層，電子可通過N+源 區(qū)(9)經(jīng)積累層到達(dá)N—基區(qū)(4)，從而控制器件的正常工作。
全文摘要
積累層控制的絕緣柵雙極型晶體管，屬于半導(dǎo)體功率器件技術(shù)領(lǐng)域。包括溝槽絕緣柵雙極型晶體管、平面絕緣柵雙極型晶體管和橫向絕緣柵雙極型晶體管。器件在阻斷狀態(tài)下，P⁺體區(qū)(10)和N^-基區(qū)(4)形成的內(nèi)建電場(chǎng)構(gòu)成一個(gè)電子的勢(shì)壘，阻止了電子由N⁺源區(qū)(9)流入N^-基區(qū)(4)，使器件能承受高的耐壓；在導(dǎo)通狀態(tài)下，N^-基區(qū)(4)與柵氧化層(5)之間形成一個(gè)積累層，電子可通過N⁺源區(qū)(9)經(jīng)積累層到達(dá)N^-基區(qū)(4)，從而控制器件的正常工作。本發(fā)明以積累層取代了傳統(tǒng)絕緣柵雙極型晶體管的P型基區(qū)和MOS反型溝道，從而獲得更低的導(dǎo)通壓降和更大的飽和電流密度，而且消除了寄生晶閘管效應(yīng)，器件的安全工作區(qū)、可靠性和高溫工作特性都得到大幅度的提升。
文檔編號(hào)H01L29/66GK101393927SQ20081004641
公開日2009年3月25日 申請(qǐng)日期2008年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月31日
發(fā)明者波 張, 李澤宏, 錢夢(mèng)亮 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)