專利名稱：一種陽極短路的隧道泵igbt的制作方法
技術領域：
一種陽極短路的隧道泵IGBT，屬于半導體功率器件技術領域。
背景技術：
對于低壓應用，功率MOS可以同時得到較理想的比導通電阻特性和較理想的開關特性。 但是對于中高壓應用環(huán)境，功率MOS的比導通電阻會隨著耐壓的升高更快的升高。而IGBT 是一種由BJT和MOSFET復合而成的全控型電壓驅動式功率半導體開關器件，兼有功率MOS 的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優(yōu)點，旨在解決功率MOS由于導通電阻與耐壓 的矛盾關系而難以高壓應用的問題。IGBT適合用于制作中等到大功率應用器件，是功率電子 的重要基礎，IGBT器件以其高耐壓、低導通壓降等特性常用于功率集成電路和功率集成系統(tǒng) 中。圖1是傳統(tǒng)的IGBT的結構示意圖。其中，1、是柵極、3是發(fā)射極、ll是集電極、2是
隔離介質(zhì)、4是N+源區(qū)、5是P區(qū)、6是N—漂移區(qū)、9是P+襯底。
隨著IGBT的應用越來越廣泛，新的問題隨之出現(xiàn)，由于IGBT是雙載流子導電，故在關 斷過程中需要將漂移區(qū)的過剩載流子抽取或者復合掉，這就形成了拖尾電流，使得關斷時間 被大大延長和關斷損耗大大增加，使得傳統(tǒng)結構IGBT在高頻應用上沒有優(yōu)勢。
為了解決關斷時間和正向壓降之間的矛盾問題，研究者們提出了許多新結構和方法，比 如陽極短路、透明陽極、壽命控制等等，這些新的方法和結構有各自的優(yōu)點也有各自的缺點。 文獻1 (David W. Green, Student Member, IEEE, Konstantin V. Vershinin, Mark Sweet, and Ekkanath Madathil Sankara Narayanan, Senior Member, IEEE， "Anode Engineering for the Insulated Gate Bipolar Transistor—A Comparative Review"絕緣柵雙極晶體管的陽極工程一對照 評論，IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL. 22, NO. 5, SEPTEMBER 2007)對幾種陽極結構進行了比較分析。文獻2 ("陽極短路垂直型IGBT的優(yōu)化模型"劉海濤、 陳啟秀，浙江大學信電系功率器件研究所)提出了陽極短路垂直IGBT的優(yōu)化模型，闡述了 導通壓降、關斷時間及閉鎖電流之間的關系。具有陽極短路結構的IGBT如圖2所示，其集 電區(qū)由P+區(qū)9和N+區(qū)10相間組成，N+區(qū)10可以在關斷過程中為電子的釋放提供通道。但是 由于短路結構的存在，使得P+區(qū)9向漂移區(qū)的注入效率大為降低，從而正向壓降也隨之大大 升高，這一點在以上的兩篇文獻中均有不同程度的表述。
隧道泵結構如圖3所不，在其P+襯底9和N'漂移區(qū)6之間增加了一層P區(qū)7與N+區(qū)8
相間的薄層，利用N+區(qū)8和P+襯底9之間形成的隧道結，在關斷時加速抽取過剩載流子，以 達到提高開關速度的目的。但是隧道泵結構只能在一定程度上提高開關速度，而且是以犧牲 導通時的正向壓降為代價，即它的導通壓降較普通IGBT有一定幅度的上升。而這正是我們 所不希望看到的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種陽極短路的隧道泵IGBT，能夠在降低傳統(tǒng)IGBT的關斷時間的同時，具 有較低的導通壓降。在關斷時間方面，本發(fā)明提供的陽極短路的隧道泵IGBT與單純的陽極 短路的IGBT相當，但比單純的隧道泵IGBT的關斷時間更??；在導通壓降方面，本發(fā)明提 供的陽極短路的隧道泵IGBT比單純的陽極短路的IGBT更低，而與單純的隧道泵IGBT相當。 如果說隧道泵IGBT較陽極短路IGBT有更優(yōu)秀的導通特性，而陽極短路IGBT比隧道泵IGBT 有更優(yōu)秀的關斷特性，那么，本發(fā)明則集二者優(yōu)點于一身，在關斷特性和陽極短路一樣優(yōu)秀 的同時，導通壓降則向著隧道泵結構趨近。
本發(fā)明的實質(zhì)是在傳統(tǒng)IGBT中同時引入陽極短路結構和隧道泵結構，或是在單純的陽 極短路的IGBT中引入隧道泵結構，或是在單純的隧道泵的IGBT中引入陽極短路結構，使 得本發(fā)明所述的陽極短路的隧道泵IGBT兼具陽極短路IGBT和隧道泵IGBT的優(yōu)點，即在提
高器件的關斷特性的同吋具有較低的導通壓降。
本發(fā)明技術方案如下
一種陽極短路的隧道泵IGBT，如圖4所示，包括柵極l、隔離介質(zhì)2、發(fā)射極3、 N+源 區(qū)4、 P型基區(qū)5、 N—漂移區(qū)6和集電極11。其特征在于，它還包括一個陽極短路結構層和 一個隧道泵結構層。所述陽極短路結構層由一個P+區(qū)9和第一N+區(qū)10在橫向并排而成；所 述隧道泵結構層由第二 N+區(qū)8和圍繞第二 N+區(qū)8的P型區(qū)7構成；所述陽極短路結構層位 于集電極11和所述隧道泵結構層之間，所述隧道泵結構層位于所述陽極短路結構層和N—漂 移區(qū)6之間；所述第二 N+區(qū)8與P+區(qū)9之間形成一個隧道結。
需要說明的是
1、 所述由兩個P型區(qū)7和第二 N+區(qū)8相間構成的隧道泵結構層可與陽極短路襯底直接 鍵合而成，亦可基于薄片加工工藝的基礎上通過離子注入退火的方式在陽極短路襯底上形成。
2、 所述第二 N+8區(qū)和四周的P型區(qū)7區(qū)在垂直于電流方向上的面積之比定義為K值。K 值的大小將影響關斷時問與正向壓降的高低，其值可選為0.05~0.5的范圍內(nèi)；第一N+區(qū)10
的形狀可為任意形狀，包括方形、矩形或圓形以及非規(guī)則圖形，第一N+區(qū)IO的面積在工藝 允許的范圍選做較小的尺寸。
3、 所述第二N+8區(qū)的形狀視具體情況而定，包括一切規(guī)則與非規(guī)則圖形。
4、 所述P+區(qū)9與第一N+區(qū)10的寬度之比既要考慮陽極短路結構自身作用的發(fā)揮，還要 考慮它可能對隧道泵泄放電子產(chǎn)生的不利影響。復合隧道結硅層和陽極短路硅層的厚度也要 根據(jù)耐壓與導通電阻的要求適當進行選取。
本發(fā)明的工作原理
傳統(tǒng)IGBT器件給定一大于閾值電壓的柵電壓后，由于P+集電區(qū)9與N—漂移區(qū)6構成一 P 結。要使空穴注入，IGBT管子的正向壓降必須大于該P 結的內(nèi)建電壓。引入隧道泵后， 由于集電區(qū)和漂移區(qū)之間存在N+重摻雜，此隧道泵所產(chǎn)生的隧道效應將使得IGBT開啟過程 中，在很小的正向電壓下就可以有相當大的電流，故降低了正向飽和壓降，同時在關斷的過 程中，漂移區(qū)中的過剩載流子，可以很順利地通過隧道結以及陽極短路結構很快的被釋放。 較之陽極短路結構圖2進一歩降低拖尾電流的時間。


圖l.普通NPT-IGBT結構；l-柵極、2-隔離介質(zhì)(柵氧化層)、3-金屬發(fā)射極、4-N+源區(qū)、 5-P型基區(qū)、6-N—漂移區(qū)、9-P+單晶Si襯底、11-金屬集電極。
圖2.陽極短路NPT-IGBT結構；在圖1的普通NPT-IGBT基礎之上，將P+單晶Si襯底9
換成了 P+區(qū)9、 N+區(qū)10并排的結構。
圖3.隧道泵NPT-IGBT結構；此種結構在圖1的普通IGBT的N-漂移區(qū)6和P+襯底9之 間加入了 P型區(qū)7、 N+區(qū)8相間的薄層(隧道泵結構層)。
圖4.本發(fā)明所述的陽極短路的隧道泵IGBT結構。
圖5.本發(fā)明所述的陽極短路的隧道泵IGBT和隧道泵IGBT在關斷時間上的比較。 圖6.本發(fā)明所述的陽極短路的隧道泵IGBT和陽極短路IGBT在導通特性上的比較。
具體實施例方式
本發(fā)明的陽極短路的隧道泵IGBT能夠大大優(yōu)化正向飽和壓降和關斷時間之間的矛盾關系。
一種陽極短路的隧道泵IGBT，如圖4所示，包括柵極l、隔離介質(zhì)2、發(fā)射極3、 N+源 區(qū)4、 P型基區(qū)5、 N—漂移區(qū)6和集電極11。其特征在于，它還包括一個陽極短路結構層和 一個隧道泵結構層。所述陽極短路結構層由一個P+區(qū)9和第一N+區(qū)10在橫向并排而成；所 述隧道泵結構層由第二 N+區(qū)8和圍繞第二 N+區(qū)8的P型區(qū)7構成；所述陽極短路結構層位 于集電極11和所述隧道泵結構層之間，所述隧道泵結構層位于所述陽極短路結構層和N—漂 移區(qū)6之間；所述第二 N+區(qū)8與P+區(qū)9之間形成一個隧道結。
具體實施時，可以通過N—單品的一拋光面上由離子注入或雜質(zhì)擴散的方式形成由P型區(qū) 7和第二 N+區(qū)8構成的隧道泵結構層。而陽極短路結構是在P+襯底上進行離子注入形成由P+ 區(qū)9和第一N+區(qū)IO構成的陽極短路結構層。然后把隧道結硅片與陽極短路硅片通過直接鍵 合起來作為一個復合陽極。也可以基于先進加工工藝的基礎上通過背面離子注入退火KTA的 方式形成隧道結以及形成陽極短路結構的集電極。器件結構的制作隨工藝的發(fā)展有一定的變 通設計。
權利要求
1、一種陽極短路的隧道泵IGBT，包括柵極(1)、隔離介質(zhì)(2)、發(fā)射極(3)、N+源區(qū)(4)、P型基區(qū)(5)、N-漂移區(qū)(6)和集電極(11)；其特征在于，它還包括一個陽極短路結構層和一個隧道泵結構層；所述陽極短路結構層由一個P+區(qū)(9)和第一N+區(qū)(10)在橫向并排而成；所述隧道泵結構層由第二N+區(qū)(8)和圍繞第二N+區(qū)(8)的P型區(qū)(7)構成；所述陽極短路結構層位于集電極(11)和所述隧道泵結構層之間，所述隧道泵結構層位于所述陽極短路結構層和N-漂移區(qū)(6)之間；所述第二N+區(qū)(8)與P+區(qū)(9)之間形成一個隧道結。
2、 根據(jù)權利要求1所述的陽極短路的隧道泵IGBT，其特征在于，所述第二N+ (8)區(qū) 和四周的P型區(qū)(7)區(qū)在垂直于電流方向上的面積之比定義為K， K取值范圍為0.05~0.5 之間。
3、 根據(jù)權利要求1所述的陽極短路的隧道泵IGBT，其特征在于，所述第一N+區(qū)(10) 的形狀為任意形狀。
4、 根據(jù)權利要求1所述的陽極短路的隧道泵IGBT，其特征在于，所述第一N+區(qū)(10) 的形狀為方形、矩形或圓形以及非規(guī)則圖形。
5、 根據(jù)權利要求1所述的陽極短路的隧道泵IGBT，其特征在于，所述第二N+區(qū)(8)的形狀為規(guī)則或非規(guī)則形狀。
6、 根據(jù)權利要求1所述的陽極短路的隧道泵IGBT，其特征在于，所述隧道泵結構層是 通過N—單晶的一拋光面上由離子注入或雜質(zhì)擴散的方式形成的。
7、 根據(jù)權利要求1所述的陽極短路的隧道泵IGBT，其特征在于，所述陽極短路結構層是在P+襯底上進行離子注入形成的。
全文摘要
一種陽極短路的隧道泵IGBT，屬于半導體功率器件技術領域。本發(fā)明是在傳統(tǒng)IGBT中同時引入陽極短路結構和隧道泵結構，或是在單純的陽極短路的IGBT中引入隧道泵結構，或是在單純的隧道泵的IGBT中引入陽極短路結構，使得本發(fā)明所述的陽極短路的隧道泵IGBT兼具陽極短路IGBT和隧道泵IGBT的優(yōu)點，即在提高器件的關斷特性的同時具有較低的導通壓降。本發(fā)明可以很好折衷正向飽和壓降與關斷時間之間的矛盾，且優(yōu)化器件的導通特性，更適用于高壓大電流高頻率的應用環(huán)境。
文檔編號H01L29/66GK101393928SQ20081004641
公開日2009年3月25日 申請日期2008年10月31日 優(yōu)先權日2008年10月31日
發(fā)明者廖忠平, 波 張, 李澤宏, 剛 謝, 俊 馬 申請人:電子科技大學