專利名稱：一種抗閂鎖效應的絕緣柵雙極型晶體管的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于功率半導體器件技術領域，涉及絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)，更具體的說，涉及抗閂鎖效應的IGBT器件。
背景技術：
功率器件作為當代電力電子技術不可或缺的核心器件，近幾十年來得到了飛速的發(fā)展。隨著研究的不斷深入，功率器件一直向著高頻率，高耐壓，低損耗的方向發(fā)展。IGBT 作為一種柵極控制的開關器件，利用電導調制效應降低了器件的導通壓降，迎合了功率器件的發(fā)展方向，成為了中高壓開關，中頻變頻器不可或缺的功率產(chǎn)品。傳統(tǒng)的IGBT器件結構如圖1所示，N型源區(qū)8，P型基區(qū)7，N"漂移區(qū)3和P+集電區(qū)2形成類似于晶閘管的PNPN四層結構。IGBT的PNPN四層結構可以看作一個PNP晶體管同一個NPN晶體管的連接。其中PNP晶體管的發(fā)射極為IGBT的集電極1，接高電位；PNP晶體管的基極同NPN晶體管的集電極是同一個區(qū)域，即IGBT的N—漂移區(qū)3 ；PNP管的集電極同NPN管的基極相連是同一個區(qū)域，即IGBT的P型基區(qū)7 ；NPN管的發(fā)射極為IGBT的發(fā)射極10，接低電位。在正向導通狀態(tài)下，IGBT柵極5為高電位，IGBT結構的MOS溝道開啟，有大量電子流入N—漂移區(qū)(即PNP管基極)。同時，IGBT的集電極即PNP晶體管的發(fā)射極為高電位，此時，PNP管中發(fā)射極壓降超過PN結開啟電壓，使PNP管的發(fā)射區(qū)向N_漂移區(qū)中注入大量空穴，在N—漂移區(qū)內形成大注入效應，從而獲得低的正向導通壓降。在正常工作情況下，由于NPN管的共基極放大系數(shù)較小，NPN管的發(fā)射結壓降較低無法使NPN管開啟，因而不會發(fā)生晶閘管的閂鎖效應。但當IGBT的電流較大或P型基區(qū)的電阻過高，在IGBT P型基區(qū)兩端的壓降超過PN結開啟電壓時，將使NPN管的發(fā)射極壓降超過開啟電壓導致NPN管導通，發(fā)生閂鎖效應。此時PNPN結構相當于開啟狀態(tài)下的晶閘管，當αΡΝΡ+αΝΡΝ彡1時無論溝道是否開啟，電流形成一個正反饋不會消失，柵極失去對IGBT的開關控制作用。此時由于電流的正反饋，器件電流會不斷增加，最終燒毀芯片。由于這個寄生NPN晶體管的存在， IGBT在一定情況下就有發(fā)生閂鎖效應的風險。因而，在設計IGBT芯片時，如何避免閂鎖效應的發(fā)生是一個必須解決的問題。目前為了避免IGBT器件閂鎖效應的發(fā)生，采取的措 施主要有1)降低PNP管共基極電流增益αΡΝΡ。由于導致NPN管PN結開啟的壓降是由空穴電流造成的，降低CIpnp有助于減小空穴電流，從而達到避免NPN管PN結開啟的效果。然而這會導致Ν_漂移區(qū)的電導調制效應降低，使器件的正向壓降增大，這是不希望看到的。2)降低P型基區(qū)的電阻率。降低 P型基區(qū)電阻率，能使器件在PN結開啟前承受更大的電流。但是，隨著電阻率的降低，摻雜濃度也會增大，這不利于MOS溝道反型層的形成，會導致器件閾值電壓過大。3)減小N型源區(qū)的長度。N型源區(qū)下部的P型基區(qū)的電阻大小與N型源區(qū)的長度成正比，通過減小N型源區(qū)的長度可以減小P型基區(qū)的電阻，但這受到工藝條件的限制。因而，如何在影響IGBT器件的正向壓降，閾值電壓和N型有源區(qū)長度的條件下，提高IGBT器件的抗閂鎖能力就成為亟待解決的問題。

發(fā)明內容
為了避免閂鎖效應的不利影響，本發(fā)明提供一種抗閂鎖效應的絕緣柵雙極型晶體管。本發(fā)明利用離子注入、沉積或熱生長方法或直接使用部分SOI硅片，在P型基區(qū)和漂移區(qū)的界面處設置一層隔離介質層，阻斷N—漂移區(qū)中的空穴電流經(jīng)過P型基區(qū)流進N型源區(qū)的部分電流通路，可以有效防止IGBT結構中寄生NPN晶體管的開啟，避免IG BT中PNPN 結構所導致的閂鎖效應。本發(fā)明技術方案如下一種抗閂鎖效應的絕緣柵雙極型晶體管，如圖2所示，在P型基區(qū)7和N—型漂移區(qū)3之間的界面處設置有一層介質隔離層11。本發(fā)明的工作原理正向工作情況下，集電極1上加上正電壓，發(fā)射極10上加上負電壓，當柵極5上的電壓超過閾值電壓時，柵極下方的P型基區(qū)7表面會形成電子溝道，電子會從N型源區(qū)8通過該電子溝道流入N—漂移區(qū)3中，對于PNP結構來說，這相當于給基極注入了電流，此時P+ 集電區(qū)2會向N—漂移區(qū)3中注入大量空穴。當為圖1所示傳統(tǒng)IGBT結構時，如圖3(a)所示注入N—漂移區(qū)3中的部分空穴電流Ih_pbase會通過P型基區(qū)7流入N型源區(qū)8中，隨著電流大小的增大，圖3(a)中寄生電阻Rpn上得壓降會增大，當壓降增大到PN結開啟電壓時，圖 3(b)中寄生NPN晶體管會開啟，此時電流會形成正反饋不斷增加，最終會燒毀晶體管；當為圖2所示抗閂鎖IGBT結構時，如圖4(b)所示位于N—漂移區(qū)3和P型基區(qū)7之間有隔離介質層11，這相當于在N_漂移區(qū)3和P型基區(qū)7之間引入了一個電容結構，空穴經(jīng)過P型基區(qū)7流進N型源區(qū)8的電流通路被該電容阻擋，因而可以減少經(jīng)P型基區(qū)7流入N型源區(qū) 8的空穴電流，避免圖4(b)中寄生NPN晶體管的開啟，從而提高器件的抗閂鎖能力。借助MEDICI仿真工具，對所提出的抗閂鎖IGBT結構和傳統(tǒng)IGBT結構進行了仿真驗證，圖5為傳統(tǒng)IGBT結構電流線分布圖，圖6為同等電流密度條件下本發(fā)明提供的抗閂鎖IGBT結構電流線分布圖，可以明顯看到在圖6本發(fā)明提供的抗閂鎖IGBT結構中經(jīng)P型基區(qū)流入N型源區(qū)的電流密度明顯低于圖5傳統(tǒng)IGBT結構，從而驗證了絕緣介質層對電流的阻擋作用。綜上所述，本發(fā)明提供的抗閂鎖效應的絕緣柵雙極型晶體管，在P型基區(qū)和漂移區(qū)之間的截面處設置一層介質隔離層，阻斷N—漂移區(qū)中的空穴電流經(jīng)過P型基區(qū)流進N 型源區(qū)的電流通路，可以有效防止IGBT結構中寄生NPN晶體管的開啟，避免IGBT中NPNP 結構所導致的閂鎖效應，從而可以提高器件的電流承載能力，提供更大的安全工作區(qū)。


圖1是傳統(tǒng)的IGBT器件結構示意圖，其中1為集電極，2為P+集電區(qū)，3為N—漂移區(qū)，4為柵氧，5為柵極，6為柵極和發(fā)射極之間的絕緣層，7為P型基區(qū)，8為N型源區(qū)，9為 P+接觸區(qū)，10為發(fā)射極。圖2是本發(fā)明提出的抗閂鎖效應的絕緣柵雙極型晶體管結構示意圖，其中1為集電極，2為P+集電區(qū)，3為N—漂移區(qū)，4為柵氧，5為柵極，6為柵極和發(fā)射極之間的絕緣層，7 為P型基區(qū)，8為N型源區(qū)，9為P+接觸區(qū)，10為發(fā)射極，11為介質隔離層。圖3 (a)為傳統(tǒng)IGBT的主要寄生闡述結構圖，在P型基區(qū)里面有寄生電阻Rpn。圖3(b)為傳統(tǒng)IGBT的等 效電路圖，有寄生NPN晶體管及寄生電阻Rpn。圖4(a)為本發(fā)明抗閂鎖效應IGBT器件結構圖，在P型基區(qū)和N"漂移區(qū)的界面處設置了一層介質隔離層。圖4(b)為本發(fā)明抗閂鎖IGBT的等效電路圖，除寄生NPN晶體管及寄生電阻Rpn外，有電容結構。圖5為傳統(tǒng)IGBT器件的MEDICI仿真電流分布圖，很大一部分電流通過P型基區(qū)流入N—漂移區(qū)。圖6為本發(fā)明抗閂鎖效應IGBT器件在同等電流密度下MEDICI仿真電流分布圖， 可以觀察到介質層有效的阻擋了 N漂移區(qū)中的電流通過P型基區(qū)流進N型源區(qū)。
具體實施例方式一種抗閂鎖效應的絕緣柵雙極型晶體管，如圖2所示，在P型基區(qū)7和N—型漂移區(qū)3之間的界面處設置有一層介質隔離層11。上述方案中所述隔離介質層11材料可以是Si02。所述隔離介質層IlSiO2可以利用氧離子注入和退火的方法形成。根據(jù)所需耐壓選擇合適電阻率<100>晶向的N型襯底FZ硅片，在特定區(qū)域注入氧離子，退火形成所需的介質層，生長場氧，制作終端部分，有源區(qū)刻蝕及長柵氧，淀積多晶硅柵，刻蝕多晶硅柵，注入P 型基區(qū)及退火，注入N型源區(qū)及退火，厚氧化層，刻蝕接觸孔，注入P+體區(qū)，淀積正面金屬， 刻蝕正面金屬，背面減薄中，注入背面P型集電極，P型集電極快速熱退火，淀積背面金屬。所述SiO2介質隔離層11可以采用沉積SiO2和后續(xù)圖形刻蝕的方法獲得。得到所需硅片的工藝流程為1)在準備好的硅片上使用氣相沉積法沉積所需厚度的SiO2，根據(jù)所需圖形進行刻蝕，然后外延一層硅，在特定區(qū)域挖槽，沉積SiO2填充凹槽，磨片去掉表面 SiO2層，再次外延一層硅，得到所需硅片。2)在準備好的硅片上使用氣相沉積法沉積所需厚度的SiO2，根據(jù)所需圖形進行刻蝕，然后外延一層硅，在特定區(qū)域挖槽，用熱氧生長SiO2填充凹槽，磨片去掉表面SiO2層，再次外延一層硅，得到所需硅片。3)在準備好的硅片上生長 SiO2，使用鍵和技術將兩片硅片在高溫下鍵和形成SOI片，減薄到所需厚度，根據(jù)所需圖像刻蝕，使用熱氧的方法在側壁生長所需厚度的氧化層，刻蝕不需要部分的二氧化硅，外延沉積硅，填補凹槽，磨片平坦化，得到所需硅片。在得到所需硅片后的工藝為長場氧，制作終端部分，有源區(qū)刻蝕及長柵氧，淀積多晶硅柵，刻蝕多晶硅柵，注入P型基區(qū)及退火，注入N 型源區(qū)及退火，厚氧化層，刻蝕接觸孔，注入P+體區(qū)，淀積正面金屬，刻蝕正面金屬，背面減薄中，注入背面P型集電極，P型集電極快速熱退火，淀積背面金屬。所述SiO2介質隔離層11可以采用熱氧化生長SiO2和后續(xù)圖形刻蝕的方法獲得。 得到所需硅片的工藝流程可為1)在準備好的硅片上使用熱氧化生長所需厚度的SiO2，根據(jù)所需圖形進行刻蝕，然后外延一層硅，在特定區(qū)域挖槽，沉積SiO2填充凹槽，磨片去掉表面SiO2層，再次外延一層硅，得到所需硅片。2)在準備好的硅片上使用熱氧化生長所需厚度的SiO2,根據(jù)所需圖形進行刻蝕，然后外延一層硅，在特定區(qū)域挖槽，用熱氧生長SiO2填充凹槽，磨片去掉表面SiO2層，再次外延一層硅，得到所需硅片。然后長場氧，制作終端部分， 有源區(qū)刻蝕及長柵氧，淀積多晶硅柵，刻蝕多晶硅柵，注入P型基區(qū)及退火，注入N型源區(qū)及退火，厚氧化層，刻蝕接觸孔，注入P+體區(qū)，淀積正面金屬，刻蝕正面金屬，背面減薄中，注入背面P型集電極，P型集電極快速熱退火，淀積背面金屬。所述SiO2隔離介質層11還可以采用部分SOI材料直接獲得，然后長場氧，制作終端部分，有源區(qū)刻蝕及長柵氧，淀積多晶硅柵，刻蝕多晶硅柵，注入P型基區(qū)及退火，注入N 型源區(qū)及退火，厚氧化層，刻蝕接觸孔，注入P+體區(qū)，淀積正面金屬，刻蝕正面金屬，背面減薄中，注入背面P型集電極，P型集電極快速熱退火，淀積背面金屬。所述介質隔離層11還可以是Si3N4、Hf02或其他合適介質。所述絕緣柵雙極型晶體管的集電極可以是電場終止結構、透明陽極結構或陽極短路結構。

所述隔離介質層的厚度、形狀等可根據(jù)設計要求而相應變化。所述絕緣柵雙極型晶體管的半導體材料可采用硅(Si)、碳化硅(SiC)、砷化鎵 (GaAs)或者氮化鎵(GaN)等。與傳統(tǒng)的IGBT器件結構相比，本發(fā)明利用離子注入、沉積或熱生長方法或直接使用部分SOI硅片，在P型基區(qū)7和N_型漂移區(qū)3之間的界面處設置一層介質隔離層11，阻斷N漂移區(qū)中的空穴電流經(jīng)過P型基區(qū)流進N型源區(qū)的電流通路，可以有效防止IGBT結構中寄生NPN晶體管的開啟，避免IGBT中NPNP結構所導致的閂鎖效應。本發(fā)明結構可以提高器件的電流承載能力，提供更大的安全工作區(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體功率器件和功率集成電路領域。
權利要求
1.抗閂鎖效應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P型基區(qū)(7)和N—型漂移區(qū)(3)之間的界面處具有一層介質隔離層(11)。
2.根據(jù)權利要求1所述的抗閂鎖效應的絕緣柵雙極型晶體管，其特征在于，所述介質隔離層(11)的材料為SiO2。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的抗閂鎖效應的絕緣柵雙極型晶體管，其特征在于，所述介質隔離層(11)是利用氧離子注入和退火的方法形成的。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的抗閂鎖效應的絕緣柵雙極型晶體管，其特征在于，所述介質隔離層(11)是采用沉積SiO2和后續(xù)圖形刻蝕的方法形成的。
5.根據(jù)權利要求1或2所述的抗閂鎖效應的絕緣柵雙極型晶體管，其特征在于，所述介質隔離層(11)是采用熱氧化生長SiO2和后續(xù)圖形刻蝕的方法形成的。
6.根據(jù)權利要求1或2所述的抗閂鎖效應的絕緣柵雙極型晶體管，其特征在于，所述介質隔離層(11)是采用部分SOI材料直接獲得的。
7.根據(jù)權利要求1所述的抗閂鎖效應的絕緣柵雙極型晶體管，其特征在于，所述介質隔離層(11)材料為Si3N4或HfO20
8.根據(jù)權利要求1、2或7所述的抗閂鎖效應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是電場終止結構、透明陽極結構或陽極短路結構。
9.根據(jù)權利要求1、2或7所述的抗閂鎖效應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半導體材料為Si、SiC、GaAs或GaN。
全文摘要
一種抗閂鎖效應的絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)，屬于功率半導體器件技術領域。本發(fā)明利用離子注入、沉積或熱生長方法或直接使用部分SOI硅片，在P型基區(qū)和N-漂移區(qū)之間的界面處設置一層隔離介質層，阻斷N-漂移區(qū)中的空穴電流經(jīng)過P型基區(qū)流進N型源區(qū)的電流通路，可以有效防止IGBT結構中寄生NPN晶體管的開啟，避免IGBT中NPNP結構所導致的閂鎖效應，從而提高器件的電流承載能力，提供更大的安全工作區(qū)。本發(fā)明提供的絕緣柵雙極型晶體管可適用于從小功率到大功率的半導體功率器件和功率集成電路領域。
文檔編號H01L29/10GK102354707SQ201110328769
公開日2012年2月15日 申請日期2011年10月26日 優(yōu)先權日2011年10月26日
發(fā)明者張波, 張金平, 李澤宏, 楊文韜 申請人:電子科技大學