專利名稱：一種具有浮空埋層的絕緣柵雙極型晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于功率半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域，涉及絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)，更具體的說，涉及浮空埋層IGBT器件。
背景技術(shù)：
絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)是一種MOS場效應(yīng)和雙極型晶體管復(fù)合的新型電力電子器件。它既有MOSFET易于驅(qū)動(dòng)，控制簡單的優(yōu)點(diǎn)，又有功率晶體管導(dǎo)通壓降低，通態(tài)電流大，損耗小的優(yōu)點(diǎn)，已成為現(xiàn)代電力電子電路中的核心電子元器件之一，廣泛應(yīng)用在諸如機(jī)車牽引、電動(dòng)汽車、風(fēng)力發(fā)電、UPS電源、空調(diào)等領(lǐng)域的變頻調(diào)速逆變裝置中。從IGBT發(fā)明以來，人們一直致力于改善IGBT三個(gè)重要并且相互矛盾的參數(shù)正向?qū)▔航?、關(guān)斷時(shí)間和安全工作區(qū)。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，相繼提出了 6代IGBT器件結(jié)構(gòu)，使器件性能得到了穩(wěn)步的提升。然而，對(duì)于IGBT器件，在通過電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使器件具有較低正向?qū)▔航档耐瑫r(shí)，基區(qū)的非平衡電子空穴對(duì)的存儲(chǔ)也使其關(guān)斷速度明顯減慢，限制了應(yīng)用頻率和增加了開關(guān)損耗，這成為IGBT器件進(jìn)一步應(yīng)用的主要障礙。近年來，隨著逆變裝置的快速發(fā)展，現(xiàn)有的IGBT結(jié)構(gòu)已難以滿足系統(tǒng)對(duì)高速IGBT器件的需求，迫切需要開發(fā)新的器件結(jié)構(gòu)。同時(shí)，IGBT在工業(yè)領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用，對(duì)器件的可靠性和耐用度提出了更高的要求，迫切需要開發(fā)具有寬安全工作區(qū)的IGBT器件。因此，研究寬安全工作區(qū)的高速 IGBT新結(jié)構(gòu)已成為當(dāng)前功率電子學(xué)的熱點(diǎn)領(lǐng)域之一。

發(fā)明內(nèi)容
為了獲得低正向?qū)▔航岛蛯挵踩ぷ鲄^(qū)的高速IGBT器件新結(jié)構(gòu)，本發(fā)明提供一種具有浮空埋層的絕緣柵雙極型晶體管。所提供的浮空埋層絕緣柵雙極型晶體管在傳統(tǒng)IGBT結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上(如圖1所示)，在器件具有第一導(dǎo)電類型的漂移區(qū)內(nèi)引入一到多層連續(xù)或不連續(xù)的第二導(dǎo)電類型浮空埋層，通過第二導(dǎo)電類型浮空埋層引入的空間電荷及附加電場的調(diào)制作用，在第一導(dǎo)電類型的漂移區(qū)內(nèi)引入新的電場尖峰，在相同的器件漂移區(qū)厚度下，可大大提高IGBT器件的擊穿電壓；在一定的擊穿電壓下，可大大減小IGBT器件漂移區(qū)的厚度，從而大大減小器件的正向?qū)▔航岛完P(guān)斷時(shí)間。同時(shí)浮空埋層引入的空間電荷的作用，可抑制器件關(guān)斷時(shí)的雪崩擊穿，提高IGBT器件的動(dòng)態(tài)擊穿電壓和反向安全工作區(qū)。本發(fā)明技術(shù)方案如下浮空埋層絕緣柵雙極型晶體管，如圖2至圖7所示，所述絕緣柵雙極型晶體管的第一導(dǎo)電類型的漂移區(qū)14內(nèi)具有第二導(dǎo)電類型的埋層22。上述方案中所述第二導(dǎo)電類型的埋層22形狀可以是方形、條形、三角形、梯形、圓形或橢圓形。所述第二導(dǎo)電類型的埋層22可以是單層連續(xù)結(jié)構(gòu)(如圖2所示)，或單層非連續(xù)結(jié)構(gòu)(如圖3所示)。所述第二導(dǎo)電類型的埋層22可以是多層連續(xù)結(jié)構(gòu)(如圖4所示)，或多層非連續(xù)結(jié)構(gòu)(如圖5-7所示)。所述絕緣柵雙極型晶體管的集電極可以是電場終止結(jié)構(gòu)、透明陽極結(jié)構(gòu)或陽極短路結(jié)構(gòu)。所述絕緣柵雙極型晶體管的柵極可以是平面型柵或溝槽型柵。所述絕緣柵雙極型晶體管，可以是第一導(dǎo)電類型N型，第二導(dǎo)電類型為P型，也可以是第一導(dǎo)電類型是P型，第二導(dǎo)電類型為N型。所述埋層的濃度、厚度、形狀、層數(shù)等可根據(jù)設(shè)計(jì)要求而相應(yīng)變化。所述絕緣柵雙極型晶體管的半導(dǎo)體材料可采用硅(Si)、碳化硅(SiC)、砷化鎵(GaAs)或者氮化鎵(GaN)寸。本發(fā)明的有益效果表現(xiàn)在本發(fā)明提供的具有浮空埋層的絕緣柵雙極型晶體管，是在傳統(tǒng)IGBT結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在器件具有第一導(dǎo)電類型的漂移區(qū)內(nèi)引入一到多層連續(xù)或不連續(xù)的第二導(dǎo)電類型浮空埋層，通過第二導(dǎo)電類型浮空埋層引入的空間電荷及附加電場的調(diào)制作用，在第一導(dǎo)電類型的漂移區(qū)內(nèi)引入新的電場尖峰，在相同的器件漂移區(qū)厚度下，可大大提高IGBT器件的擊穿電壓；在一定的擊穿電壓下，可大大減小IGBT器件漂移區(qū)的厚度，從而大大減小器件的正向?qū)▔航岛完P(guān)斷時(shí)間。同時(shí)浮空埋層引入的空間電荷的作用，可抑制器件關(guān)斷時(shí)的雪崩擊穿，提高IGBT器件的動(dòng)態(tài)擊穿電壓和反向安全工作區(qū)。所述絕緣柵雙極型晶體管可適用于從小功率到大功率的半導(dǎo)體功率器件和功率集成電路領(lǐng)域。


圖1是常規(guī)的IGBT器件結(jié)構(gòu)示意圖。圖2至圖7是本發(fā)明提出的具有浮空埋層的絕緣柵雙極型晶體管結(jié)構(gòu)示意圖。圖1至圖7中，11為集電極，12為第二導(dǎo)電類型集電區(qū)，13為第一導(dǎo)電類型電場阻止層，14為第一導(dǎo)電類型漂移區(qū)，15為柵氧，16為柵極，17為柵極和發(fā)射極之間的絕緣層， 18為第二導(dǎo)電類型基區(qū)，19為第一導(dǎo)電類型接觸區(qū)，20為第二導(dǎo)電類型接觸區(qū)，21發(fā)射極， 22為第二導(dǎo)電類型埋層。圖8是仿真獲得的具有相同器件漂移區(qū)厚度的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和浮空埋層結(jié)構(gòu)IGBT器件的反向I-V特性曲線。圖9和圖10是仿真獲得的相同擊穿電壓下，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和浮空埋層結(jié)構(gòu)IGBT器件的正向I-V特性曲線和關(guān)斷瞬態(tài)電流和電壓的波形。
具體實(shí)施例方式一種具有浮空埋層的絕緣柵雙極型晶體管，如圖2至圖7所示，所述絕緣柵雙極型晶體管的第一導(dǎo)電類型的漂移區(qū)14內(nèi)具有一到多層連續(xù)或不連續(xù)的第二導(dǎo)電類型的埋層 21。上述實(shí)施方式中所述第二導(dǎo)電類型的埋層22可以在傳統(tǒng)IGBT工藝開始之前，在第一導(dǎo)電類型襯底材料上通過兩步擴(kuò)散工藝獲得。即在傳統(tǒng)IGBT工藝開始之前，在第一導(dǎo)電類型襯底材料上先進(jìn)行一步深的第二導(dǎo)電類型雜質(zhì)擴(kuò)散，然后再進(jìn)行一步淺的第一導(dǎo)電類型雜質(zhì)擴(kuò)散， 控制兩次擴(kuò)散的結(jié)深之差，就可獲得滿足厚度和濃度要求的第二導(dǎo)電類型的埋層22。所述第二導(dǎo)電類型的埋層22可以在傳統(tǒng)IGBT工藝開始之前，通過離子注入或擴(kuò)散等方式在第一導(dǎo)電類型的襯底表面形成一層厚度、濃度和形狀可控的第二導(dǎo)電類型的材料層，然后在此襯底表面通過外延等工藝再生長一層第一導(dǎo)電類型的材料層，即可獲得滿足厚度和濃度要求的第二導(dǎo)電類型的埋層22。所述第二導(dǎo)電類型的埋層22形狀可以是規(guī)則的或不規(guī)則的方形、條形、三角形、 梯形、圓形或橢圓形。所述第二導(dǎo)電類型的埋層22可以是單層連續(xù)結(jié)構(gòu)，或單層非連續(xù)結(jié)構(gòu)。所述第二導(dǎo)電類型的埋層22可以是多層連續(xù)結(jié)構(gòu)，或多層非連續(xù)結(jié)構(gòu)。所述絕緣柵雙極型晶體管的集電極可以是電場終止結(jié)構(gòu)、透明陽極結(jié)構(gòu)或陽極短路結(jié)構(gòu)。所述絕緣柵雙極型晶體管的柵極可以是平面型柵或溝槽型柵。所述絕緣柵雙極型晶體管，可以是第一導(dǎo)電類型N型，第二導(dǎo)電類型為P型，也可以是第一導(dǎo)電類型是P型，第二導(dǎo)電類型為N型。所述埋層的濃度、厚度、形狀、層數(shù)等可根據(jù)設(shè)計(jì)要求而相應(yīng)變化。所述絕緣柵雙極型晶體管的半導(dǎo)體材料可采用硅(Si)、碳化硅(SiC)、砷化鎵 (GaAs)或者氮化鎵(GaN)等。圖8是仿真獲得的具有相同器件漂移區(qū)厚度的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和浮空埋層結(jié)構(gòu)IGBT器件的反向I-V特性曲線。從圖中可以看出，通過第二導(dǎo)電類型浮空埋層的引入，在相同的器件漂移區(qū)厚度下，浮空埋層結(jié)構(gòu)可大大的提高IGBT器件的擊穿電壓。圖9和圖10是仿真獲得的相同擊穿電壓下，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和浮空埋層結(jié)構(gòu)IGBT器件的正向I-V特性曲線和關(guān)斷瞬態(tài)電流和電壓的波形。從圖中可以看出，在一定的擊穿電壓下，浮空埋層結(jié)構(gòu)IGBT器件可大大減小器件的正向?qū)▔航岛完P(guān)斷時(shí)間。
權(quán)利要求
1.一種具有浮空埋層的絕緣柵雙極型晶體管，其特征在于，所述絕緣柵雙極型晶體管的第一導(dǎo)電類型的漂移區(qū)(14)內(nèi)具有第二導(dǎo)電類型的埋層02)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有浮空埋層的絕緣柵雙極型晶體管，其特征在于，所述埋層0 形狀為方形、條形、三角形、梯形、圓形或橢圓形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的具有浮空埋層的絕緣柵雙極型晶體管，其特征在于，所述埋層02)為單層連續(xù)結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的具有浮空埋層的絕緣柵雙極型晶體管，其特征在于，所述埋層02)為單層非連續(xù)結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的具有浮空埋層的絕緣柵雙極型晶體管，其特征在于，所述埋層02)為間隔的多層連續(xù)結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的具有浮空埋層的絕緣柵雙極型晶體管，其特征在于，所述埋層02)為間隔的多層非連續(xù)結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的具有浮空埋層的絕緣柵雙極型晶體管，其特征在于，所述埋層0 在傳統(tǒng)IGBT工藝開始之前，在第一導(dǎo)電類型襯底材料上通過兩步擴(kuò)散工藝獲得。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的具有浮空埋層的絕緣柵雙極型晶體管，其特征在于，所述埋層0 在傳統(tǒng)IGBT工藝開始之前，通過離子注入或擴(kuò)散等方式在第一導(dǎo)電類型的襯底表面形成一層第二導(dǎo)電類型的材料層，然后在此襯底表面通過外延等工藝再生長一層第一導(dǎo)電類型的材料層而獲得。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的具有浮空埋層的絕緣柵雙極型晶體管，其特征在于，所述絕緣柵雙極型晶體管的集電極為電場終止結(jié)構(gòu)、透明陽極結(jié)構(gòu)或陽極短路結(jié)構(gòu)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的具有浮空埋層的絕緣柵雙極型晶體管，其特征在于，所述絕緣柵雙極型晶體管的柵極為平面型柵或溝槽型柵。
全文摘要
浮空埋層絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)，屬于功率半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明在傳統(tǒng)IGBT器件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在器件具有第一導(dǎo)電類型的漂移區(qū)內(nèi)引入一到多層連續(xù)或不連續(xù)的第二導(dǎo)電類型浮空埋層，通過第二導(dǎo)電類型浮空埋層引入的空間電荷及附加電場的調(diào)制作用，在第一導(dǎo)電類型的漂移區(qū)內(nèi)引入新的電場尖峰，在相同的器件漂移區(qū)厚度下，可大大提高IGBT器件的擊穿電壓；在一定的擊穿電壓下，可大大減小IGBT器件漂移區(qū)的厚度，從而大大減小器件的正向?qū)▔航岛完P(guān)斷時(shí)間。同時(shí)浮空埋層引入的空間電荷的作用，可抑制器件關(guān)斷時(shí)的雪崩擊穿，提高IGBT器件的動(dòng)態(tài)擊穿電壓和反向安全工作區(qū)。
文檔編號(hào)H01L29/739GK102306657SQ201110309838
公開日2012年1月4日 申請(qǐng)日期2011年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月13日
發(fā)明者張波, 張金平, 李澤宏 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)