一種逆導(dǎo)型絕緣柵雙極型晶體管的制作方法
【專利摘要】本申請公開了一種逆導(dǎo)型絕緣柵雙極型晶體管，包括集電極、P型集電區(qū)、N型隧道摻雜區(qū)、N型阻擋層、N型漂移區(qū)、MOS區(qū)和柵極。P型集電區(qū)為簡并摻雜區(qū)域，費(fèi)米能級進(jìn)入價(jià)帶中；N型隧道摻雜區(qū)為摻雜濃度接近簡并摻雜的區(qū)域，費(fèi)米能級接近導(dǎo)帶底但不進(jìn)入導(dǎo)帶；P型集電區(qū)的摻雜濃度比N型隧道摻雜區(qū)的摻雜濃度高。該晶體管通過引入N型隧道摻雜區(qū)，實(shí)現(xiàn)反向?qū)?，因此在工藝制作上，背面無須刻蝕工藝。在工作中，由于沒有普通逆導(dǎo)型IGBT集電極端的N型區(qū)域，不存在器件正向?qū)ê头聪驅(qū)〞r(shí)產(chǎn)生的電流集中問題；也不存在器件正向?qū)〞r(shí)的電壓回跳現(xiàn)象。
【專利說明】一種逆導(dǎo)型絕緣柵雙極型晶體管

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本申請涉及功率半導(dǎo)體器件，尤其是涉及一種逆導(dǎo)型絕緣柵雙極型晶體管。

【背景技術(shù)】
[0002] 絕緣柵雙極型晶體管（IGBT，Insulated Gate Bipolar Transistor)是由 金屬-氧化層_半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, M0SFET)和雙極結(jié)型晶體管（Bipolar Junction Transistor, BJT)組成的一.類 新興復(fù)合功率半導(dǎo)體器件，主要應(yīng)用于中高壓大功率范圍。
[0003] 在很多應(yīng)用中IGBT與感性負(fù)載一起工作，比如圖1所示的Η橋結(jié)構(gòu)，交流電極 作為感性負(fù)載，四個(gè)IGBT與反向的二極管并聯(lián)，即IGBT-1、IGBT-2、IGBT-3和IGBT-4分 別與反向的二極管并聯(lián)，起到續(xù)流和保護(hù)的作用。日本三菱公司在2004年以縱向的形式 將二極管集成到IGBT，如圖2所示，這種結(jié)構(gòu)叫作逆導(dǎo)型絕緣柵雙極型晶體管（R everse Conducting-Insulated Gate Bipolar Transistor，RC IGBT),其包括集電極201、P型集電 區(qū)202、N型集電區(qū)203、N型阻擋層204、N型漂移區(qū)205、P型基區(qū)206、N+發(fā)射區(qū)208、發(fā) 射極2〇 9和柵極213。在柵極213不加電壓、發(fā)射極209高電位時(shí)，該IGBT也能導(dǎo)通。這種 逆導(dǎo)型結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的：節(jié)省系統(tǒng)中元器件數(shù)量；將二極管集成到IGBT，共用一 個(gè)終端，硅片消耗更少；工藝成本降低，兩個(gè)器件可以一起封裝。
[0004] 然而，傳統(tǒng)逆導(dǎo)型IGBT的背面集電區(qū)域需要制作N型集電區(qū)和P型集電區(qū)，背面 需要制作圖案，使得薄片IGBT的成品率降低。此外，如果N區(qū)比例過小，則可能導(dǎo)致電流集 中，電流分布不均勻，則傳統(tǒng)逆導(dǎo)型IGBT在安全工作條件下能導(dǎo)通的電流密度不能太大； 如果N區(qū)比例過大，則器件正向?qū)ㄟ^程中可能會出現(xiàn)電壓回跳現(xiàn)象，如圖 3所示，在同一 個(gè)電壓值上對應(yīng)多個(gè)電流值，當(dāng)器件并聯(lián)使用時(shí)，容易發(fā)生一個(gè)器件率先進(jìn)入高電流工作 狀態(tài)，另一個(gè)還在低電流高阻狀態(tài)的情況，這樣可能導(dǎo)致器件被燒毀。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本申請?zhí)峁┝艘环N通過隧道效應(yīng)實(shí)現(xiàn)反向?qū)ǖ哪鎸?dǎo)型絕緣柵雙極型晶體管，本 發(fā)明避免了集電區(qū)制作過程的圖案工藝，避免了一般逆導(dǎo)型IGBT在正向?qū)ㄟ^程中的電 壓回跳現(xiàn)象。由于在器件的背面不需要光刻制造 N+集電區(qū)域，所以本發(fā)明尤其適用于薄片 的逆導(dǎo)型IGBT結(jié)構(gòu)。
[0006] 根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種逆導(dǎo)型絕緣柵雙極型晶體管，包括P型集電區(qū)、N 型隧道摻雜區(qū)、N型阻擋層、N型漂移區(qū)和M0S區(qū)，P型集電區(qū)的底端設(shè)置作為集電極引出的 電極，P型集電區(qū)的上方依次為N型隧道摻雜區(qū)、N型阻擋層、N型漂移區(qū)和M0S區(qū)；P型集 電區(qū)為簡并摻雜區(qū)域，費(fèi)米能級進(jìn)入價(jià)帶中；N型隧道摻雜區(qū)為摻雜濃度接近簡并摻雜的 區(qū)域，費(fèi)米能級接近導(dǎo)帶底但不進(jìn)入導(dǎo)帶；P型集電區(qū)的摻雜濃度比N型隧道摻雜區(qū)的摻雜 濃度高。M0S區(qū)包括位于N型漂移區(qū)上方的P阱基區(qū)、位于P阱基區(qū)上方的P+發(fā)射區(qū)和N+ 發(fā)射區(qū)、以及從P+發(fā)射區(qū)和N+發(fā)射區(qū)的上方引出的作為發(fā)射極的電極。該晶體管還包括 位于N型漂移區(qū)的上方并被MOS區(qū)包圍的柵極，柵極包括多晶硅柵、柵氧化層和柵極電極， 柵氧化層包覆多晶硅柵，柵極電極從多晶硅柵引出。
[0007]本申請的有益效果是，集電極背面不需要圖案工藝，通過引入N型隧道摻雜區(qū)，實(shí) 現(xiàn)反向?qū)ǎ虼嗽诠に囍谱魃?，背面無須刻蝕工藝。在工作中，由于沒有普通逆導(dǎo)型IGBT 集電極端的N型區(qū)域,不存在N型區(qū)域比例過大或者過小的情況，因此器件的正反向?qū)?流密度分布完全一致，不存在N型區(qū)域比例過小而產(chǎn)生的電流集中的問題，使該逆導(dǎo)型器 件的工作電流密度得以提升而不影響器件的穩(wěn)定工作；同時(shí)，處于正向?qū)〞r(shí)，不存在N型 區(qū)域比例過大而產(chǎn)生的電壓回跳現(xiàn)象。

【專利附圖】

【附圖說明】
[000S]圖1是傳統(tǒng)的絕緣柵雙極型晶體管的Η橋應(yīng)用場景示意圖；
[0009]圖2是傳統(tǒng)的逆導(dǎo)型絕緣柵雙極型晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0010]圖3是傳統(tǒng)的逆導(dǎo)型絕緣柵雙極型晶體管的電流電壓曲線圖；
[0011]圖4是本發(fā)明具體實(shí)施例的RC IGBT的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0012]圖5是本發(fā)明具體實(shí)施例的rc IGBT的Ρ型集電區(qū)與Ν型隧道摻雜區(qū)所形成的ΡΝ 結(jié)處于電壓平衡時(shí)的能帶圖； _3]圖6是本發(fā)明具體實(shí)施例的RC IGBT的P型集電區(qū)與N型隧道摻雜區(qū)所形成的PN 結(jié)處于正向電壓偏置時(shí)的能帶圖；
[0014]圖7是本發(fā)明具體實(shí)施例的rc IGBT的P型集電區(qū)與N型隧道摻雜區(qū)所形成的PN 結(jié)處于反向電壓偏置時(shí)的能帶圖；
[0015]圖8是本發(fā)明具體實(shí)施例的RC IGBT的與傳統(tǒng)RC IGBT的正向?qū)↖cVc特性曲 線圖；
[0016]圖9是本發(fā)明具體實(shí)施例的RC IGBT的N型隧道摻雜區(qū)處于不同厚度時(shí)的正向?qū)?通IcVc特性曲線圖；
[0017]圖10是本發(fā)明具體實(shí)施例的Rc IGBT的與傳統(tǒng)RC IGBT的反向?qū)↖cVc特性曲 線圖；
[0018] s 11是本發(fā)明具體實(shí)施例的Rc IGBT的與傳統(tǒng)RC IGBT的正、反向?qū)娏髅芏?分布圖；
[0019]圖12是本發(fā)明具體實(shí)施例的RC IGBT的與傳統(tǒng)RC IGBT的關(guān)斷過程電流密度隨 時(shí)間的變化趨勢圖；
[0020]目I3是本發(fā)明具體實(shí)施例的Rc IGBT的與傳統(tǒng)RC IGBT隨向恢復(fù)過程電流密 度隨時(shí)間的變化趨勢圖。

【具體實(shí)施方式】
[0021]下面通過【具體實(shí)施方式】結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0022] 實(shí)施例一：
[0023]、如圖4所不為發(fā)明具體實(shí)施例的RC IGBT的結(jié)構(gòu)示意圖，本實(shí)施例的RCIGBT包 括P型集電區(qū)〇2: N麵道摻雜區(qū)〇3、N型阻擋層〇4、 N型漂移區(qū)〇5和M〇s區(qū)，p型集電區(qū) 的底端設(shè)置作為集電極引出的極0!，P雖電區(qū)的上方依次為麵隧道摻雜區(qū)、 N型阻擋 層、N型漂移區(qū)和MOS區(qū)；P型集電區(qū)為簡并摻雜區(qū)域，費(fèi)米能級進(jìn)入價(jià)帶中；N型隧道摻雜 區(qū)為摻雜濃度接近簡并摻雜的區(qū)域，費(fèi)米能級接近導(dǎo)帶底但不進(jìn)入導(dǎo)帶；P型集電區(qū)的摻 雜濃度比N型隧道摻雜區(qū)的摻雜濃度高。M0S區(qū)包括位于N型漂移區(qū)上方的P阱基區(qū)06、 位于P阱基區(qū)上方的P+發(fā)射區(qū)07和N+發(fā)射區(qū)08、以及從P+發(fā)射區(qū)和N+發(fā)射區(qū)的上方引 出的作為發(fā)射極的電極09。該晶體管還包括位于N型漂移區(qū)的上方并被M0S區(qū)包圍的柵 極，柵極包括多晶硅柵10、柵氧化層11和柵極電極12,柵氧化層包覆多晶硅柵，柵極電極從 多晶硅柵引出。
[0024] N型隧道摻雜區(qū)的摻雜濃度范圍為8X 1018cm_3至2X 10i9cm p型集電區(qū)的摻雜 濃度為2Χ102°αιΓ3以上，在這個(gè)數(shù)值范圍內(nèi)的參數(shù)值都是合適的，本【具體實(shí)施方式】中的扣 IGBT的具體參數(shù)如下表所示，所列數(shù)值是【具體實(shí)施方式】的一種舉例，只是選了這樣的參數(shù) 來反映本發(fā)明RC IGBT的良好性能，器件由仿真模擬軟件SENTAURUS實(shí)現(xiàn)。
[0025] 器件參數(shù) 數(shù)值 硅片厚度L(um) 70 多晶桂柵厚度Ι1:(μιη) 3?2
[0026] Ν型漂移區(qū)濃度（cm， --Γδ?1 Ν型隧道摻雜區(qū)濃度（cnf3) Ρ型集電區(qū)濃度（cnf3) N型阻擋層濃度（cm"3) N型隧道摻雜區(qū)厚度Ld ( μ m)~ 〇7? ' Ρ型集電區(qū)厚度Lc ( μ m) 0. 4 Ν型阻擋層厚度Ls(ym) 5 柵氧化層厚度tox( μ m) 〇. 04
[0027]為比較本【具體實(shí)施方式】中RC IGBT (以下簡稱新型Rc IGBT，結(jié)構(gòu)如圖4所示）與 傳統(tǒng)RC IGBT (結(jié)構(gòu)如圖2所示）的性能，設(shè)置傳統(tǒng)RC IGBT的參數(shù)，傳統(tǒng)RC 1(；肌相對于 新型RC IGBT在結(jié)構(gòu)上有兩點(diǎn)不同：第一，缺少了 N型隧道摻雜區(qū)；第二，集電區(qū)由N型集 幢和P釀植交観成，N醜電區(qū)和P醜電區(qū)_雜濃度相同并軒麵 RC腿 的P型集電區(qū)摻雜濃度。傳統(tǒng)RC IGBT的其余結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置均與本【具體實(shí)施方式】中相同。 [0028]關(guān)于麵RC IGBT的正、反向?qū)еx幾麵說明，新型RC IGBT性能得以提升的關(guān)鍵 在于P型集電區(qū)與N型隧道摻雜區(qū)所形成的PN結(jié)。由參數(shù)表中的摻雜濃度可知， p型集電 極區(qū)為_摻雜區(qū)域，為簡并摻雜半導(dǎo)體，費(fèi)米能級進(jìn)入價(jià)帶中；N型隧道摻雜區(qū)為較高濃度 摻雜區(qū)域，摻雜濃度設(shè)置為接近簡并摻雜，費(fèi)米能級接近導(dǎo)帶底但不進(jìn)入導(dǎo)帶。PN結(jié)處于電 壓平衡時(shí)的能帶圖如圖5所示，圖左側(cè)（即橫坐標(biāo)的范圍為0. 05-0. 10 μ m)能帶為P型集 電區(qū)能帶，為簡并摻雜；圖右側(cè)（即橫坐標(biāo)的范圍為0. 10-0. 15 μ m)能帶為N型隧道摻雜區(qū) 能帶，為接近簡并摻雜。此時(shí)，擴(kuò)散電流（PN結(jié)兩側(cè)載流子的濃度差）和漂移電流（自建電 場）大小相等，方向相反，處于一個(gè)動態(tài)平衡，二極管沒有電流流過。
[0029] P型集電區(qū)與N型隧道摻雜區(qū)所形成的PN結(jié)處于正向電壓偏置時(shí)的能帶圖如圖6 所示，即P型集電區(qū)的電勢高于N型隧道摻雜區(qū)時(shí)的能帶圖。PN結(jié)內(nèi)建電場的阻擋作用被 外加電壓抵消而大大降低，大量載流子通過擴(kuò)散作用進(jìn)入另一側(cè)，二極管實(shí)現(xiàn)正向?qū)?。?于大量載流子進(jìn)入另一側(cè)的半導(dǎo)體，材料中的載流子濃度分布相比熱平衡態(tài)時(shí)，發(fā)生了很 大的變化，這個(gè)過程叫做非平衡載流子的注入?？梢钥闯鲂滦蚏C IGBT的正向?qū)ㄟ^程與 傳統(tǒng)RC IGBT幾乎沒有區(qū)別。
[0030] 關(guān)于隧道效應(yīng)的機(jī)理，如圖7所示為P型集電區(qū)與N型隧道摻雜區(qū)所形成的PN結(jié) 處于反向電壓偏置時(shí)的能帶圖，即P型集電區(qū)的電勢低于N型隧道摻雜區(qū)時(shí)的能帶圖。在 PN結(jié)的兩側(cè)，N型隧道摻雜區(qū)導(dǎo)帶有大量的空量子態(tài)，未被電子占據(jù)，而p型集電區(qū)價(jià)帶中 費(fèi)米能級以下的量子態(tài)可以認(rèn)為完全被電子占據(jù)，并且有同樣能量大小的能級交疊。P型集 電區(qū)中的價(jià)帶電子可以通過量子效應(yīng)隧穿到N型隧道摻雜區(qū)導(dǎo)帶中，產(chǎn)生反向隧道電流。 外加負(fù)電壓數(shù)值越大，能帶交疊范圍越大，P型集電區(qū)價(jià)帶向N型隧道摻雜區(qū)導(dǎo)帶發(fā)生隧道 效應(yīng)的電子數(shù)也越多，反向隧道電流會大大增加?？梢钥闯?，新型RC IGBT的反向?qū)ㄊ峭?過隧道效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)的，而傳統(tǒng)RC IGBT由于沒有隧道結(jié)的存在，只能通過集成PIN二極管來 實(shí)現(xiàn)反向?qū)ā?br> [0031] 以下通過對新型RC IGBT及傳統(tǒng)RC IGBT在正向?qū)↖cVc特性、反向?qū)↖cVc 特性以及關(guān)斷特性等方面的對比，對新型RC IGBT在性能上的提升作進(jìn)一步說明。
[0032] (1)正向?qū)↖cVc特性
[0033] 新型RC IGBT (TRC IGBT)與傳統(tǒng)RC IGBT之間的正向?qū)↖cVc特性曲線對比如 圖8所示。可以看到傳統(tǒng)RC IGBT存在明顯的電壓回跳現(xiàn)象，處于正向?qū)顟B(tài)時(shí)，由于集 成了 PIN二極管導(dǎo)致傳統(tǒng)RC IGBT經(jīng)歷了單極導(dǎo)通（只有電子電流）向雙極導(dǎo)通（電子電 流空穴電流同時(shí)存在）的轉(zhuǎn)換過程；而新型RC IGBT的背面集電區(qū)是統(tǒng)一的P型摻雜，處于 正向?qū)顟B(tài)時(shí)，會直接進(jìn)入雙極導(dǎo)通，因此完全避免了電壓回跳現(xiàn)象。
[0034] 如圖9所示為N型隧道摻雜區(qū)處于不同厚度時(shí)新型RC IGBT的正向?qū)↖cVc特 性曲線。N型隧道摻雜區(qū)厚度越大，對空穴注入阻擋的作用越強(qiáng)，器件的電流逐漸降低。另 外可以看到高摻雜的N型隧道摻雜區(qū)的加入并沒有對隧道效應(yīng) RC igbt的正向?qū)ǖ拇笞?入效應(yīng)產(chǎn)生很大的影響。
[0035] (2)反向?qū)↖cVc特性
[0036]新型RC IGBT (TRC IGBT)與傳統(tǒng)RC IGBT之間的反向?qū)↖cVc特性曲線如圖！〇 所示，可以看到新型RC IGBT的反向?qū)▔航当葌鹘y(tǒng)RC IGBT要大，這是因?yàn)榉聪驅(qū)〞r(shí)， 由于N型隧道摻雜區(qū)設(shè)置為接近簡并摻雜的摻雜濃度，PN結(jié)反向?qū)ㄟ€需要一個(gè)電壓將兩 層半導(dǎo)體之間的能帶差拉大，才能使隧道效應(yīng)大大增加，形成隧穿電流，因此反向?qū)ㄌ匦?有所損失。
[0037] (3)正、反向?qū)娏髅芏确植继匦?br> [0038] 新型RC IGBT與傳統(tǒng)RC IGBT的正、反向?qū)娏髅芏菾分布對比如圖11所示， 可以看出不論對于正向?qū)ㄟ€是反向?qū)?，傳統(tǒng)的RC IGBT的電流分布都很不均勻，這也是 由于集成PIN二極管所導(dǎo)致的必然結(jié)果，根據(jù)說明，導(dǎo)通時(shí)電流的不均勻性分布會嚴(yán)重影 響器件的安全工作。但是對于新型RC IGBT不論是正向?qū)顟B(tài)還是反向?qū)顟B(tài)，橫向 上結(jié)構(gòu)的一致性使得器件的電流密度分布非常均勻。
[0039] (4)關(guān)斷特性
[0040] 新型RC IGBT與傳統(tǒng)RC IGBT的關(guān)斷過程電流密度隨時(shí)間t的變化趨勢如圖12 所示，可以看到兩條曲線幾乎完全重合，說明導(dǎo)通狀態(tài)下器件漂移區(qū)中存儲的空穴數(shù)量幾 乎一致，開始關(guān)斷之后的空穴復(fù)合過程對應(yīng)的拖尾電流幾乎一樣。
[0041] (5)反向恢復(fù)特性
[0042] 新型RC IGBT與傳統(tǒng)RC IGBT的反向恢復(fù)過程的電流密度隨時(shí)間t的變化趨勢如 圖I3所示，對于傳統(tǒng)RC IGBT來說，由于集電極附近的電流集中在N型集電區(qū)，所以電流密 度比較大；而對于新型RC IGBT來說，電流分布在整個(gè)集電區(qū)，電流密度僅為傳統(tǒng)RC IGBT 的25 %左右，因此其反向恢復(fù)特性曲線的峰值電流更低、軟度因子更大，對于降低器件功 耗、防止晶體管燒毀很有作用。
[0043]以上內(nèi)容是結(jié)合具體的實(shí)施方式對本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā) 明的具體實(shí)施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫 離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若千簡單推演或替換。
【權(quán)利要求】
1. 一種逆導(dǎo)型絕緣柵雙極型晶體管，其特征在于，包括P型集電區(qū)、N型隧道摻雜區(qū)、N 型阻擋層、N型漂移區(qū)和MOS區(qū)，所述P型集電區(qū)的底端設(shè)置作為集電極引出的電極，所述P 型集電區(qū)的上方依次為所述N型隧道摻雜區(qū)、所述N型阻擋層、所述N型漂移區(qū)和所述MOS 區(qū)；所述P型集電區(qū)為簡并摻雜區(qū)域，費(fèi)米能級進(jìn)入價(jià)帶中；所述N型隧道摻雜區(qū)為摻雜濃 度接近簡并摻雜的區(qū)域，費(fèi)米能級接近導(dǎo)帶底但不進(jìn)入導(dǎo)帶；P型集電區(qū)的摻雜濃度比N型 隧道摻雜區(qū)的摻雜濃度高。
2. 如權(quán)利要求1所述的晶體管，其特征在于，所述N型隧道摻雜區(qū)的摻雜濃度范圍為 8 X 1018cm 3 至 2 X 1019cm 3。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的晶體管，其特征在于，所述N型隧道摻雜區(qū)的費(fèi)米能級與導(dǎo) 帶的能量差為〇. 01?〇. 〇3eV，費(fèi)米能級到導(dǎo)帶的能量差小于費(fèi)米能級到價(jià)帶的能量差。
4. 如權(quán)利要求1或2所述的晶體管，其特征在于，所述N型隧道摻雜區(qū)的厚度為 0. 1-0. 4 μ m〇
5. 如權(quán)利要求1所述的晶體管，其特征在于，所述P型集電區(qū)的摻雜濃度為2 X 102°cnT3 以上。
6. 如權(quán)利要求1所述的晶體管，其特征在于，所述MOS區(qū)包括位于所述N型漂移區(qū)上方 的P阱基區(qū)、位于所述P阱基區(qū)上方的P+發(fā)射區(qū)和N+發(fā)射區(qū)、以及從P+發(fā)射區(qū)和N+發(fā)射 區(qū)的上方引出的作為發(fā)射極的電極。
7. 如權(quán)利要求6所述的晶體管，其特征在于，還包括位于所述N型漂移區(qū)的上方并被所 述MOS區(qū)包圍的柵極，所述柵極包括多晶硅柵、柵氧化層和柵極電極，所述柵氧化層包覆多 晶硅柵，所述柵極電極從多晶硅柵引出。
8. 如權(quán)利要求1所述的晶體管，其特征在于，所述N型阻擋層的濃度為4X1016cnT3,厚 度為4-6 μ m。
【文檔編號】H01L29/06GK104241349SQ201410488417
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月22日
【發(fā)明者】孟航, 李冰華, 江興川, 林信南 申請人:北京大學(xué)深圳研究生院