一種逆導型雙柵絕緣柵雙極型晶體管的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供能夠改善逆導型絕緣柵雙極型晶體管電流回跳現(xiàn)象，并且提高關斷速率，改善耐壓的半導體器件。該半導體具備：P型襯底上設有埋氧層，其上設有漂移區(qū)，漂移區(qū)包含對角設置的第一N型漂移區(qū)與第一P型漂移區(qū)，以及對角設置的第二N型漂移區(qū)與第二P型漂移區(qū)；在第一N型漂移區(qū)和第二P型漂移區(qū)內(nèi)設有P型體區(qū)，在P型體區(qū)內(nèi)設有N型發(fā)射極區(qū)和P型集電極區(qū)，以及用于連接兩者的陰極金屬，且在P型體區(qū)的上表面上設有陰極柵氧化層及陰極多晶硅層；在第一P型漂移區(qū)與第二N型漂移區(qū)內(nèi)設有N型體區(qū)，在N型體區(qū)內(nèi)設有N型集電極區(qū)和P型發(fā)射極區(qū)，以及用于連接兩者的陽極金屬，且在N型體區(qū)的上表面上設有陽極柵氧化層及陽極多晶硅層。
【專利說明】一種逆導型雙柵絕緣柵雙極型晶體管
【技術領域】
[0001]本發(fā)明主要涉及功率半導體器件【技術領域】，具體來說，是一種逆導型雙柵絕緣柵雙極型晶體管，特別適用于大功率集成電路如變頻調(diào)速、電力牽引、變頻家電、半橋驅(qū)動電路以及汽車生產(chǎn)等領域。
【背景技術】
[0002]絕緣柵雙極型晶體管IGBT是MOS柵器件結構與雙極型晶體管結構相結合進化而成的復合型功率器件，同時具備MOS管與雙極型晶體管的特點，具有良好的通態(tài)電流和開關
損耗之間的折中關系。絕緣體上娃橫向絕緣柵雙極型晶體管(SO1-Lateral InsulatedGate Bipolar Transistor, SO1-LIGBT)是一種典型的基于SOI工藝的器件，具有易于集成、耐壓高、驅(qū)動電流能力強、開關速度快等優(yōu)點，在功率集成電路中得到了廣泛應用。由于S01-LIGBT用作功率集成電路中的功率開關管，其開關速度決定著整個電路的開關速度，對于電路的性能起著決定性的作用；另一方面，其功率損耗決定了整個系統(tǒng)的損耗。因此，提高S01-LIGBT的開關速率、降低S01-LIGBT導通壓降、降低S01-LIGBT關斷損耗是其主要發(fā)展方向，對功率集成電路的設計具有十分重要的意義。
[0003]此外，逆導型IGBT是當前國際上一種新型的IGBT器件，最早提出于1988年，它是將傳統(tǒng)的IGBT元胞結構與FRD元胞結構巧妙集成于同一芯片，提供了一個緊湊的電流泄放電路。普通RC-LIGBT的結構如圖1所示。它具有較好的正向?qū)▔航岛烷_關損耗之間的折中關系，近年來受到廣泛的關注。但是其也存在著非常嚴重的電流回跳現(xiàn)象。當多個LIGBT器件并聯(lián)時，若器件存在電流回跳現(xiàn)象，會導致單一器件電流密度過大而燒毀的現(xiàn)象，不利于LIGBT器件的實際應用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明針對上述問題，提出了一種逆導型雙柵絕緣柵雙極型晶體管。該結構可以顯著降低器件的正向?qū)▔航?、提高器件的電流能力、且消除了電流回跳現(xiàn)象，同時提高器件的開關速率，降低器件的關斷損耗，又提高了器件的耐壓。
本發(fā)明提供如下技術方案:
一種逆導型雙柵絕緣柵雙極型晶體管，包括:一種逆導型雙柵絕緣柵雙極型晶體管，包括:p型襯底和場氧層，在P型襯底上設有埋氧，在埋氧上設有漂移區(qū)，其特征在于，所述漂移區(qū)包括第一 N型漂移區(qū)、第一 P型漂移區(qū)、第二 N型漂移區(qū)及第二 P型漂移區(qū)，所述第一N型漂移區(qū)與第一 P型漂移區(qū)對角設置，所述第二 N型漂移區(qū)與第二 P型漂移區(qū)對角設置，在第一 N型漂移區(qū)和第二 P型漂移區(qū)內(nèi)設有P型體區(qū)，在P型體區(qū)內(nèi)設有重摻雜的N型發(fā)射極區(qū)和重摻雜的P型集電極區(qū)，并且，重摻雜的N型發(fā)射極區(qū)位于第一 N型漂移區(qū)的上方，重摻雜的P型集電極區(qū)位于第二 P型漂移區(qū)的上方，在重摻雜的N型發(fā)射極區(qū)和重摻雜的P型集電極區(qū)上設有用于連接重摻雜的N型發(fā)射極區(qū)和重摻雜的P型集電極區(qū)的陰極金屬，在P型體區(qū)的上表面上設有陰極柵氧化層且陰極柵氧化層位于第一 N型漂移區(qū)的上方，陰極柵氧化層向外延伸且邊界分別落在重摻雜的N型發(fā)射極區(qū)、重摻雜的P型集電極區(qū)、P型體區(qū)及第一 N型漂移區(qū)上，在陰極柵氧化層上設有陰極多晶硅層，在所述陰極柵氧化層與陰極金屬之間留有間隙，
在第一 P型漂移區(qū)與第二 N型漂移區(qū)內(nèi)設有N型體區(qū)，在N型體區(qū)內(nèi)設有重摻雜的N型集電極區(qū)和重摻雜的P型發(fā)射極區(qū)，并且，重摻雜的N型集電極區(qū)位于第二 N型漂移區(qū)的上方，重摻雜的P型發(fā)射極區(qū)位于第一 P型漂移區(qū)的上方，在重摻雜的N型集電極區(qū)和重摻雜的P型發(fā)射極區(qū)上設有用于連接重摻雜的N型集電極區(qū)和重摻雜的P型發(fā)射極區(qū)的陽極金屬，在N型體區(qū)的上表面上設有陽極柵氧化層且陽極柵氧化層位于第一 P型漂移區(qū)的上方，陽極柵氧化層向外延伸且邊界分別落在重摻雜的P型發(fā)射極區(qū)、重摻雜的N型集電極區(qū)、N型體區(qū)及第一 P型漂移區(qū)上，在陽極柵氧化層上設有陽極多晶硅層，在所述陽極柵氧化層與陽極金屬之間留有間隙，
所述場氧層覆蓋在重摻雜的N型發(fā)射極區(qū)、陰極多晶硅層、重摻雜的P型集電極區(qū)、P型體區(qū)、第二 P型漂移區(qū)、第一 N型漂移區(qū)、第一 P型漂移區(qū)、第二 N型漂移區(qū)、N型體區(qū)、重摻雜的N型集電極區(qū)、重摻雜的P型發(fā)射極區(qū)及陽極多晶硅層上，在陰極多晶硅層及陽極多晶硅層上分別連接有陰極柵金屬電極和陽極柵金屬電極；
其特征在于第一 N型漂移區(qū)的摻雜濃度高于第二 N型漂移區(qū)的摻雜濃度，第一 P型漂移區(qū)的摻雜濃度高于第二 P型漂移區(qū)的摻雜濃度，其摻雜濃度比值范圍為3: f IO6:1。
[0005]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點:
本發(fā)明提供了一種逆導型雙柵絕緣柵雙極型晶體管，當器件正向?qū)〞r，由于第一 N型漂移區(qū)的摻雜濃度高于第二 N型漂移區(qū)的摻雜濃度，第一 P型漂移區(qū)的摻雜濃度高于第二 P型漂移區(qū)的摻雜濃度，所以N型漂移區(qū)靠近P型體區(qū)一側的電阻較小，靠近N型體區(qū)一側的電阻較大，相反的，P型漂移區(qū)靠近P型體區(qū)一側的電阻較大，靠近N型體區(qū)一側的電阻較小。若選擇的摻雜濃度合適，當陽極加正偏壓，且雙柵開啟時，可在漂移區(qū)中部形成較強的電導調(diào)制效應，大幅降低導通電阻，提高器件電流能力。
[0006]器件開啟時，陰極柵電極加正電壓，陽極柵電極加負電壓，器件兩側形成兩個反型溝道層，電子和空穴分別從兩側注入，從邊緣延伸到第二 N型漂移區(qū)和第二 P型漂移區(qū)的兩個柵極形成了更大的發(fā)射極注入面積，同時也提供了額外的兩個空穴和電子傳輸通道，使器件更容易在中部形成電導調(diào)制效應，降低了器件的正向?qū)▔航?。并且由于雙柵同時開啟，空穴電子同時從器件兩端注入，故不存在普通RC-LIGBT中的電流回跳現(xiàn)象。
[0007]器件關斷時，雙柵同時關閉，漂移區(qū)的空穴和電子分別從P型集電極區(qū)和N型集電極區(qū)抽走，尾電流效應大幅減弱，關斷時間大幅縮短，關斷損耗降低。
[0008]在器件中部，第一 N型漂移區(qū)和第二 N型漂移區(qū)以及第一 P型漂移區(qū)和第二 P型漂移區(qū)的并聯(lián)形成了超結結構，使內(nèi)部電場分布趨于均勻分布，提高了器件耐壓。
[0009]故本發(fā)明器件不僅顯著降低器件的正向?qū)▔航?、提高了器件的電流能力、并且無電流回跳現(xiàn)象，同時提高了器件的開關速率，降低了器件的關斷損耗，又提高了器件的耐壓。
【專利附圖】

【附圖說明】[0010]圖1所示為普通橫向緣柵雙極型晶體管的器件剖面結構圖。
[0011]圖2所示為本發(fā)明逆導型雙柵絕緣柵雙極型晶體管的結構三維圖。
[0012]圖3所示為本發(fā)明結構去掉場氧層后的三維圖。
[0013]圖4所示為本發(fā)明結構與傳統(tǒng)結構的1-V曲線對比圖。
[0014]圖5是本發(fā)明結構正向?qū)〞r的電勢分布圖。
[0015]圖6是正向?qū)〞r本發(fā)明結構P型漂移區(qū)載流子濃度分布。
[0016]圖7是正向?qū)〞r本發(fā)明結構N型漂移區(qū)載流子濃度分布。
[0017]圖8是本發(fā)明結構與傳統(tǒng)結構的關斷電壓、電流圖。
[0018]圖9是本發(fā)明結構與傳統(tǒng)結構的耐壓比較圖。
【具體實施方式】
[0019]下面結合圖2，對本發(fā)明做詳細說明，一種逆導型雙柵絕緣柵雙極型晶體管，包括:一種逆導型雙柵絕緣柵雙極型晶體管，包括:p型襯底I和場氧層19，在P型襯底I上設有埋氧2，在埋氧2上設有漂移區(qū)，其特征在于，所述漂移區(qū)包括第一 N型漂移區(qū)3、第一 P型漂移區(qū)4、第二 N型漂移區(qū)17及第二 P型漂移區(qū)18，所述第一 N型漂移區(qū)3與第一 P型漂移區(qū)4對角設置，所述第二 N型漂移區(qū)17與第二 P型漂移區(qū)18對角設置，
在第一 N型漂移區(qū)3和第二 P型漂移區(qū)18內(nèi)設有P型體區(qū)5，在P型體區(qū)5內(nèi)設有重摻雜的N型發(fā)射極區(qū)6和重摻雜的P型集電極區(qū)7，并且，重摻雜的N型發(fā)射極區(qū)6位于第
一N型漂移區(qū)3的上方，重摻雜的P型集電極區(qū)7位于第二 P型漂移區(qū)18的上方，在重摻雜的N型發(fā)射極區(qū)6和重摻雜的P型集電極區(qū)7上設有用于連接重摻雜的N型發(fā)射極區(qū)6和重摻雜的P型集電極區(qū)7的陰極金屬15，在P型體區(qū)5的上表面上設有陰極柵氧化層11且陰極柵氧化層11位于第一 N型漂移區(qū)3的上方，陰極柵氧化層11向外延伸且邊界分別落在重摻雜的N型發(fā)射極區(qū)6、重摻雜的P型集電極區(qū)7、P型體區(qū)5及第一 N型漂移區(qū)3上，在陰極柵氧化層11上設有陰極多晶硅層13，在所述陰極柵氧化層11與陰極金屬15之間留有間隙，
在第一 P型漂移區(qū)4與第二 N型漂移區(qū)17內(nèi)設有N型體區(qū)8，在N型體區(qū)8內(nèi)設有重摻雜的N型集電極區(qū)9和重摻雜的P型發(fā)射極區(qū)10，并且，重摻雜的N型集電極區(qū)9位于第
二N型漂移區(qū)17的上方，重摻雜的P型發(fā)射極區(qū)10位于第一 P型漂移區(qū)4的上方，在重摻雜的N型集電極區(qū)9和重摻雜的P型發(fā)射極區(qū)10上設有用于連接重摻雜的N型集電極區(qū)9和重摻雜的P型發(fā)射極區(qū)10的陽極金屬16，在N型體區(qū)8的上表面上設有陽極柵氧化層12且陽極柵氧化層12位于第一 P型漂移區(qū)4的上方，陽極柵氧化層12向外延伸且邊界分別落在重摻雜的P型發(fā)射極區(qū)10、重摻雜的N型集電極區(qū)9、N型體區(qū)8及第一 P型漂移區(qū)4上，在陽極柵氧化層12上設有陽極多晶硅層14，在所述陽極柵氧化層12與陽極金屬16之間留有間隙，
所述場氧層19覆蓋在重摻雜的N型發(fā)射極區(qū)6、陰極多晶硅層13、重摻雜的P型集電極區(qū)7、P型體區(qū)5、第二 P型漂移區(qū)18、第一 N型漂移區(qū)3、第一 P型漂移區(qū)4、第二 N型漂移區(qū)17、N型體區(qū)8、重摻雜的N型集電極區(qū)9、重摻雜的P型發(fā)射極區(qū)10及陽極多晶硅層14上，在陰極多晶硅層13及陽極多晶硅層14上分別連接有陰極柵金屬電極20和陽極柵金屬電極21。[0020]所述第一 N型漂移區(qū)3的摻雜濃度高于第二 N型漂移區(qū)17的摻雜濃度，第一P型漂移區(qū)4的摻雜濃度高于第二 P型漂移區(qū)18的摻雜濃度，其摻雜濃度比值范圍為3:1 ~106:1。
[0021]下面結合附圖對本發(fā)明進行進一步說明。
[0022]本發(fā)明的工作原理:
器件的兩個N型和P型基區(qū)均采用不均勻的濃度分布方案，第一 N型漂移區(qū)的摻雜濃度高于第二 N型漂移區(qū)的摻雜濃度，第一 P型漂移區(qū)的摻雜濃度高度第二 P型漂移區(qū)的摻雜濃度，且兩者的摻雜濃度比例大致為3: f IO6:1之間，所以N型基區(qū)靠近P型體區(qū)5 —側的電阻較小，設為4，靠近N型體區(qū)8—側的電阻較大，設為慫，相反的，P型基區(qū)靠近P型體區(qū)5 —側的電阻較大，設為&，靠近N型體區(qū)8 一側的電阻較小，設為即R1〈 R2J R3〉R4
若選擇的摻雜濃度合適，當陽極加正偏壓K,,，且雙柵開啟時，器件導通，有電流流過，由于電子遷移率大于空穴遷移率，則N型基區(qū)一側的電流J7略大于P型基區(qū)一側的電流厶。即
1!>12
所以，加上由于電阻分壓的效果，我們可以得到
Il R2~> 1 2 R3~> 1I Rl > I2 R4
即靠近陽極柵處，P型基區(qū)上的壓降低于N型基區(qū)上的壓降，P型基區(qū)上的電勢高于N型基區(qū)上的電勢；在靠近陰極柵處，P型基區(qū)上的壓降高于N型基區(qū)上的壓降，P型基區(qū)上的電勢高于N型基區(qū)上的電勢。當所選取的摻雜濃度合適時，P型基區(qū)的電勢比N型基區(qū)的電勢高0.7V，則兩種摻雜的基區(qū)之間形成的PN結便開啟了，空穴電子相互流通，使器件形成了較強的電導調(diào)制效應，大幅降低基區(qū)電阻，提高了電流密度。
[0023]另外，從邊緣延伸到第二 N型漂移區(qū)和第二 P型漂移區(qū)的兩個柵極形成了更大的發(fā)射極注入面積，同時也提供了額外的兩個空穴和電子傳輸通道，使器件更容易在中部形成電導調(diào)制效應，進一步降低了器件的正向?qū)▔航怠?br> [0024]器件導通時，陰極柵和陽極柵同時開啟，陰極柵電極加正電壓，陽極柵電極加負電壓，則在陰極柵下方形成N型反型層，同時在陽極柵下方形成P型反型層，電子和空穴分別同時從N型發(fā)射極區(qū)和P型發(fā)射極區(qū)通過N型反型層和P型反型層注入，故不存在普通RC-LIGBT中的電流回跳現(xiàn)象。
[0025]當器件關斷時，陰極柵和陽極柵同時關閉，反型層消失。基區(qū)的電子和空穴分別從器件兩側的N型集電極區(qū)和P型集電極區(qū)被快速抽走，尾電流效應減弱，關斷時間縮短，關斷損耗降低。
[0026]在器件中部，第一 N型漂移區(qū)和第二 N型漂移區(qū)以及第一 P型漂移區(qū)和第二 P型漂移區(qū)的并聯(lián)形成了超結結構，在器件關斷狀態(tài)時，N型漂移區(qū)電荷和P型漂移區(qū)電荷相互補償，使得耐壓區(qū)幾乎可等效為摻雜濃度極低的本征半導體，因此提高了器件的耐壓能力。
[0027]故本發(fā)明器件不僅顯著降低器件的正向?qū)▔航怠⑻岣吡似骷碾娏髂芰?、并且消除了電流回跳現(xiàn)象，同時提高了器件的開關速率，降低了器件的關斷損耗，又提高了器件的耐壓。
[0028]為了驗證本發(fā)明的好處,本專利通過半導體器件仿真軟件Sentaurus Tcad對結構進行了對比仿真，如圖4-圖9所示。圖4為本發(fā)明結構與傳統(tǒng)結構的1-V曲線對比圖，由圖可見本發(fā)明結構的導通電流能力比傳統(tǒng)結構強，并且本發(fā)明結構無電流回跳現(xiàn)象，而傳統(tǒng)結構的電流回跳現(xiàn)象比較嚴重。圖5為本發(fā)明結構正向?qū)〞r的電勢分布圖，由圖可見器件水平方向上P型漂移區(qū)的電勢高于N漂移區(qū)的電勢，器件中部PN結開啟，形成大注入，使其導通壓降大幅降低。圖6與圖7分別為正向?qū)〞r本發(fā)明結構P型漂移區(qū)和N型漂移區(qū)中載流子濃度分布圖，載流子濃度較高的一側均為靠近柵(靠近N型體區(qū)或P型體區(qū))的一側，這種載流子濃度分布會使得LIGBT關斷損耗小，導通壓降和關斷損耗之間的折中關系好。圖8為本發(fā)明結構與傳統(tǒng)器件的關斷時電流與電壓的對比圖，由圖可見本發(fā)明結構器件的關斷時間更短，拖尾電流更小，故關斷損耗更低。圖9為本發(fā)明結構與傳統(tǒng)器件的耐壓比較圖，由圖可見本發(fā)明結構的耐壓提高了大約100伏左右。
[0029]綜上所述，本發(fā)明結構可以提高LIGBT器件的導通電流能力，降低導通壓降，并且消除了電流回跳現(xiàn)象，同時降低拖尾電流，降低關斷損耗，又提高了器件的耐壓。
【權利要求】
1.一種逆導型雙柵絕緣柵雙極型晶體管，包括:p型襯底(I)和場氧層(19)，在P型襯底(I)上設有埋氧(2 )，在埋氧(2 )上設有漂移區(qū)，其特征在于，所述漂移區(qū)包括第一 N型漂移區(qū)(3)、第一 P型漂移區(qū)(4)、第二 N型漂移區(qū)(17)及第二 P型漂移區(qū)(18)，所述第一 N型漂移區(qū)(3)與第一 P型漂移區(qū)(4)對角設置，所述第二 N型漂移區(qū)(17)與第二 P型漂移區(qū)(18)對角設置， 在第一 N型漂移區(qū)(3)和第二 P型漂移區(qū)(18)內(nèi)設有P型體區(qū)(5)，在P型體區(qū)(5)內(nèi)設有重摻雜的N型發(fā)射極區(qū)(6)和重摻雜的P型集電極區(qū)(7)，并且，重摻雜的N型發(fā)射極區(qū)(6)位于第一 N型漂移區(qū)(3)的上方，重摻雜的P型集電極區(qū)(7)位于第二 P型漂移區(qū)(18)的上方，在重摻雜的N型發(fā)射極區(qū)(6)和重摻雜的P型集電極區(qū)(7)上設有用于連接重摻雜的N型發(fā)射極區(qū)(6)和重摻雜的P型集電極區(qū)(7)的陰極金屬(15)，在P型體區(qū)(5)的上表面上設有陰極柵氧化層(11)且陰極柵氧化層(11)位于第一 N型漂移區(qū)(3)的上方，陰極柵氧化層(11)向外延伸且邊界分別落在重摻雜的N型發(fā)射極區(qū)(6)、重摻雜的P型集電極區(qū)(7)、P型體區(qū)(5)及第一 N型漂移區(qū)(3)上，在陰極柵氧化層(11)上設有陰極多晶硅層(13 )，在所述陰極柵氧化層(11)與陰極金屬(15 )之間留有間隙， 在第一 P型漂移區(qū)(4)與第二 N型漂移區(qū)(17)內(nèi)設有N型體區(qū)(8)，在N型體區(qū)(8)內(nèi)設有重摻雜的N型集電極區(qū)(9)和重摻雜的P型發(fā)射極區(qū)(10)，并且，重摻雜的N型集電極區(qū)(9)位于第二 N型漂移區(qū)(17)的上方，重摻雜的P型發(fā)射極區(qū)(10)位于第一 P型漂移區(qū)(4)的上方，在重摻雜的N型集電極區(qū)(9)和重摻雜的P型發(fā)射極區(qū)(10)上設有用于連接重摻雜的N型集電極區(qū)(9)和重摻雜的P型發(fā)射極區(qū)(10)的陽極金屬(16)，在N型體區(qū)(8)的上表面上設有陽極柵氧化層(12)且陽極柵氧化層(12)位于第一 P型漂移區(qū)(4)的上方，陽極柵氧化層(12)向外延伸且邊界分別落在重摻雜的P型發(fā)射極區(qū)(10)、重摻雜的N型集電極區(qū)(9)、N型體區(qū)(8)及第一 P型漂移區(qū)(4)上，在陽極柵氧化層(12)上設有陽極多晶硅層(14)，在所述陽極柵氧化層(12)與陽極金屬(16)之間留有間隙， 所述場氧層(19)覆蓋在重摻雜的N型發(fā)射極區(qū)(6)、陰極多晶硅層(13)、重摻雜的P型集電極區(qū)(7)、P型體區(qū)(5)、第二 P型漂移區(qū)(18)、第一 N型漂移區(qū)(3)、第一 P型漂移區(qū)(4)、第二 N型漂移區(qū)(17)、N型體區(qū)(8)、重摻雜的N型集電極區(qū)(9)、重摻雜的P型發(fā)射極區(qū)(10)及陽極多晶硅層(14)上，在陰極多晶硅層(13)及陽極多晶硅層(14)上分別連接有陰極柵金屬電極(20)和陽極柵金屬電極(21)。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種逆導型雙柵絕緣柵雙極型晶體管，其特征在于第一N型漂移區(qū)(3)的摻雜濃度高于第二 N型漂移區(qū)(17)的摻雜濃度，第一 P型漂移區(qū)(4)的摻雜濃度高于第二 P型漂移區(qū)(18)的摻雜濃度，其摻雜濃度比值范圍為3: f IO6:1。
【文檔編號】H01L29/739GK103928507SQ201410151709
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月15日 優(yōu)先權日:2014年4月15日
【發(fā)明者】孫偉鋒, 杜益成, 楊卓, 祝靖, 徐申, 陸生禮, 時龍興 申請人:東南大學