專利名稱：絕緣柵雙極型晶體管及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種絕緣柵雙極型晶體管及其制造方法。
背景技術：
絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor，以下簡稱為IGBT)具有場效應晶體管的高輸入阻抗和雙極晶體管的高電流驅動能力特性，特別適合作為電源開關器件使用。
IGBT存在的問題是，隨著流過器件電流密度的增加，寄生晶閘管導通，可能會使器件進入閉鎖(latch-up)狀態(tài)，從而導致器件的損壞。為了抑制閉鎖的發(fā)生，未經審查的日本專利申請(公開號H5-55583)公開了一種帶有一緩沖區(qū)結構的器件。
現有帶緩沖區(qū)的IGBT包括一半導體襯底、一集電極、一發(fā)射極、一柵極絕緣層和一柵極。該半導體襯底包括一P型集電區(qū)、一設形成于該集電區(qū)之上并且具有相對較高摻雜濃度并的N+型緩沖區(qū)、一設置于該緩沖區(qū)上并且具有相對較低摻雜濃度的N型基區(qū)、一設置于該N型基區(qū)表面區(qū)域的島狀P型基區(qū)，和一設置于該P型基區(qū)表面區(qū)域的島形N型發(fā)射區(qū)。
集電極與集電區(qū)電氣連接，發(fā)射極與發(fā)射區(qū)電氣連接。柵極形成于P型基區(qū)之上，并通過柵極絕緣層夾在N型基區(qū)和發(fā)射區(qū)之間。
現有IGBT中的緩沖區(qū)具有優(yōu)化(抑制)由集電區(qū)向N型基區(qū)注入的空穴并防止閉鎖的能力。當N型基區(qū)直接形成于集電區(qū)而沒有緩沖區(qū)時，由集電區(qū)就會有過多的空穴向N型基區(qū)注入，容易發(fā)生閉鎖。緩沖區(qū)可以抑制閉鎖的發(fā)生并提高器件的可靠性。
但現有的帶緩沖區(qū)的IGBT存在的問題是所謂的尾電流較大，會使開關速度變慢。這一問題的原因試說明如下當加在柵極的電壓被設定為等于或小于一閾電壓Vth時器件被關斷時，在N型基區(qū)和P型基區(qū)的交界面處形成的PN結被反向偏置，使耗盡層由PN結延伸到N型基區(qū)。此時，存在于N型基區(qū)的少數載流子(空穴)通過P型基區(qū)被釋放。但是，由于耗盡層基本上沒有延伸到緩沖區(qū)內.存在于緩沖區(qū)內的載流子沒有釋放。因此，電流(尾電流)會持續(xù)存在，直到緩沖區(qū)內的少數載流子被復合。結果導致IGBT的開關速度變慢。
IGBT的緩沖區(qū)通常是通過摻入磷來形成的。但是，由于磷很容易摻入半導體區(qū)，器件制造過程中產生的熱就可能使其摻入N型基區(qū)。因此制成的IGBT器件中形成的緩沖區(qū)的摻雜濃度較低且較厚。相應地，由此制成的IBGT器件較為易于在緩沖區(qū)存在空穴，從而空穴復合并消失所需的時間也較長，造成尾電流較大。
對于熱擴散方式，解決的方法之一是形成較薄的緩沖區(qū)。但這樣就要將緩沖區(qū)的摻雜濃度提高。這會使相對于其他鄰近層的濃度梯度較陡，從而導致磷的摻入量更高。因此，最終緩沖區(qū)只能較厚并且摻雜濃度也不能夠充分增加。換言之，尾電流變大的問題并沒有得到解決。
此外，還有一些其他方法用于減少尾電流，諸如電子輻照和重金屬摻雜等。但是這些方法會使器件產生內部缺陷，導致器件特性的降低，如作為IGBT關鍵特性之一的集電極-發(fā)射極電壓VCE(sat)的增高、閾電壓Vth的降低、以及集電極和發(fā)射極之間施加反向電壓時漏電流的增加。上述方法不僅會降低器件的特性，同時還會產生其他不良影響，如在較高工作溫度下器件特性發(fā)生較大變化。還有，這些方法還存在器件在高溫下工作時發(fā)生開關損耗的頻率增加的問題。
有鑒于上述情況，本發(fā)明人在一審查中但尚未公開的日本專利申請中披露了一種使用砷(As)作為施主雜質形成緩沖區(qū)的技術方案。根據此方案，使用擴散率低于磷約一個數位的砷可以增加緩沖區(qū)的摻雜濃度(5×1017cm-3或更高)并使緩沖區(qū)變薄(2～10μm)。這樣可以降低緩沖區(qū)內存在的載流子的數量從而減少尾電流。即，形成相對含較高濃度砷的緩沖區(qū)從而得到具有較小尾電流的器件，并提高開關速度，足以防止閉鎖的發(fā)生。
但是，按照上述技術方案在器件制造過程中，如形成N型基區(qū)的過程之后，在含有作為受主雜質的硼的集電區(qū)上形成含有砷作為施主雜質的緩沖區(qū)時觀察到以下現象集電區(qū)內的硼經過緩沖區(qū)被擴散到了N型基區(qū)內。制成的器件中由于硼經過緩沖區(qū)的擴散而使N型基區(qū)的摻雜濃度發(fā)生了改變。
上述現象的發(fā)生是因為硼的擴散率大于砷的擴散率約一個位數。由于集電區(qū)的硼級過緩沖區(qū)擴散到了N型基區(qū)內，使擊穿電壓特性呈現不希望出現的溝道模式(channel pattern)現象。溝道模式是指當施加相對較低的反向電壓時漏電流變大的現象。當穿電壓特性表現溝道模式時，擊穿電壓的頒布變得不均勻，使擊穿電壓變低從而影響器件的可靠性。
如上所述，現有的通過摻砷制造的帶緩沖區(qū)的IGBT能夠實現較高開關速度和良好的抗閉鎖。但是當集電區(qū)含有雜質的擴散率增大時，隨著雜質擴散經過相對較薄的緩沖區(qū)，擊穿電壓會降低，從而降低器件的可靠性。
由此可見，上述現有的絕緣柵雙極型晶體管及其制造方法在結構與使用上，顯然仍存在有不便與缺陷，而亟待加以進一步改進。為了解決絕緣柵雙極型晶體管及其制造方法存在的問題，相關廠商莫不費盡心思來謀求解決之道，但長久以來一直未見適用的設計被發(fā)展完成，而一般產品又沒有適切的結構能夠解決上述問題，此顯然是相關業(yè)者急欲解決的問題。
有鑒于上述現有的絕緣柵雙極型晶體管及其制造方法存在的缺陷，本發(fā)明人基于從事此類產品設計制造多年豐富的實務經驗及專業(yè)知識，并配合學理的運用，積極加以研究創(chuàng)新，以期創(chuàng)設一種新型結構的絕緣柵雙極型晶體管及其制造方法，能夠改進一般現有的絕緣柵雙極型晶體管及其制造方法，使其更具有實用性。經過不斷的研究、設計，并經反復試作樣品及改進后，終于創(chuàng)設出確具實用價值的本發(fā)明。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于，克服現有的絕緣柵雙極型晶體管及其制造方法存在的缺陷，而提供一種新的絕緣柵雙極型晶體管及其制造方法，所要解決的技術問題是使其提供一種具有較高可靠性和較高開關速度的絕緣柵雙極型晶體管其及制造方法，從而更加適于實用，且具有產業(yè)上的利用價值。
本發(fā)明的另一目的在于，提供一種絕緣柵雙極型晶體管及其制造方法，所要解決的技術問題是使其提供一種較高可靠性和較高開關速度的帶有一含砷緩沖區(qū)的絕緣柵雙極型晶體管其及制造方法。
本發(fā)明的目的及解決其技術問題是采用以下技術方案來實現的。依據本發(fā)明提出的一種絕緣柵雙極型晶體管，其包括一P型集電區(qū)，其含有P型雜質；一N型緩沖區(qū)，其形成于所述P型集電區(qū)之上；一N型基區(qū)，其形成于所述N型緩沖區(qū)之上并具有低于所述N型緩沖區(qū)的摻雜濃度；一P型基區(qū)，其形成于所述N型基區(qū)的一表面區(qū)域內；一N型發(fā)射區(qū)，其形成于所述N型基區(qū)的一表面區(qū)域內；一抗擴散區(qū)(anti-diffusion region)，其形成于所述P型集電區(qū)和所述N型緩沖區(qū)之間，防止P型集電區(qū)的P型雜質擴散。
本發(fā)明的目的及解決其技術問題還可采用以下技術措施進一步實現。
前述的絕緣柵雙極型晶體管，其中所述的砷被摻入所述N型緩沖區(qū)。
前述的絕緣柵雙極型晶體管，其中所述的抗擴散區(qū)防止所述P型集電區(qū)的P型雜質擴散入所述N型基區(qū)。
前述的絕緣柵雙極型晶體管，其中所述的的抗擴散區(qū)防止所述P型集電區(qū)的P型雜質擴散過所述抗擴散區(qū)和所述N型緩沖區(qū)的交界面。
前述的絕緣柵雙極型晶體管，其中所述的抗擴散區(qū)的厚度被設定為等于或小于器件制造過程中所述P型集電區(qū)的P型雜質的擴散距離。
前述的絕緣柵雙極型晶體管，其中所述的抗擴散區(qū)的厚度與所述N型緩沖區(qū)厚度的總和被設定為等于或大于器件制造過程中所述P型集電區(qū)的P型雜質的擴散距離。
前述的絕緣柵雙極型晶體管，其中所述的抗擴散區(qū)是作為一不含雜質的外延生長層形成的。
前述的絕緣柵雙極型晶體管，其中所述的抗擴散區(qū)是作為一具有低所述P型集電區(qū)的P型雜質的摻雜濃度的半導體區(qū)域形成的。
前述的絕緣柵雙極型晶體管，其中所述的抗擴散區(qū)是作為一N型半導體區(qū)域形成的，該N型半導體區(qū)域具有一允許通過器件制造過程中所述P型雜質由P型集電區(qū)的擴散將所述N型擴散區(qū)的導電類型轉換的摻雜濃度形成的。
前述的絕緣柵雙極型晶體管，其中所述的P型集電區(qū)的P型雜質是硼。
前述的絕緣柵雙極型晶體管，其中所述的N型緩沖區(qū)具有2μm～10μm或更小的厚度和5×1017cm-3或更高的摻雜濃度。
本發(fā)明的目的及解決其技術問題還采用以下的技術方案來實現。依據本發(fā)明提出的一種制造絕緣柵雙極晶體管的方法，包括以下步驟在一含有P型雜質的P型集電區(qū)之上形成一抗擴散區(qū)用于防止器件制造過程中P型雜質的擴散；在所述抗擴散區(qū)上形成一N型緩沖區(qū)；在所述N型緩沖區(qū)上形成一與所述N型緩沖區(qū)相比具有較低摻雜濃度的N型基區(qū)；通過雜質擴散在所述N型基區(qū)的一表面區(qū)域上形成一P型基區(qū)；通過雜質擴散所述N型基區(qū)的一表面區(qū)域上形成一N型發(fā)射區(qū)。
本發(fā)明的目的及解決其技術問題還可采用以下技術措施進一步實現。
前述的絕緣柵雙極型晶體管制造方法，其中所述的砷作為N型雜質被摻入N型緩沖區(qū)。
前述的絕緣柵雙極型晶體管制造方法，其中所述的抗擴散區(qū)的形成方式是所述抗擴散區(qū)的厚度被設定為等于或小于器件制造過程中所述P型集電區(qū))的P型雜質的擴散距離。
前述的絕緣柵雙極型晶體管制造方法，其中所述的抗擴散區(qū)和所述N型緩沖的形成方式是所述抗擴散區(qū)的厚度與所述N型緩沖區(qū)厚度的總和被設定為等于或大于器件制造過程中所述P型集電區(qū)的P型雜質的擴散距離。
前述的絕緣柵雙極型晶體管制造方法，其中所述的抗擴散區(qū)是作為一不含雜質的外延生長層形成的。
前述的絕緣柵雙極型晶體管制造方法，其中所述的抗擴散區(qū)是作為一具有低所述P型集電區(qū)的P型雜質的摻雜濃度的半導體區(qū)域形成的。
前述的絕緣柵雙極型晶體管制造方法，其中所述的抗擴散區(qū)可以形成為一具有一摻雜濃度的N型擴散區(qū)，該摻雜濃度允許通過器件制造過程中所述P型雜質由P型集電區(qū)的擴散將所述N型擴散區(qū)的導電類型轉換。
前述的絕緣柵雙極型晶體管制造方法，其中所述的硼被用作所述P型集電極中的所述P型雜質。
前述的絕緣柵雙極型晶體管制造方法，其中所述的N型緩沖區(qū)具有2μm～10μm或更小的厚度和5×1017cm-3或更高的摻雜濃度。
本發(fā)明與現有技術相比具有明顯的優(yōu)點和有益效果。由以上技術方案可知，為了達到前述發(fā)明目的，本發(fā)明的主要技術內容如下根據本發(fā)明的第一個方面，提供了一種絕緣柵雙極型晶體管，其包括一P型集電區(qū)(11)，其含有P型雜質；一N型緩沖區(qū)(12)，其形成于所述P型集電區(qū)(11)之上；一N型基區(qū)(13)，其形成于所述N型緩沖區(qū)(12)之上并具有低于所述N型緩沖區(qū)(12)的摻雜濃度；一P型基區(qū)(14)，其形成于所述N型基區(qū)(13)的一表面區(qū)域內；一N型發(fā)射區(qū)(15)，其形成于所述N型基區(qū)(13)的一表面區(qū)域內；一抗擴散區(qū)(22)，其形成于所述P型集電區(qū)(11)和所述N型緩沖區(qū)(12)之間，防止P型集電區(qū)(11)的P型雜質擴散。
為了實現上述目的，根據本發(fā)明的第二個方面，提供了一種制造絕緣柵雙極型晶體管的方法，該方法包括以下步驟在一含有P型雜質的P型集電區(qū)之上形成一抗擴散區(qū)用于防止器件制造過程中P型雜質的擴散；在所述抗擴散區(qū)上形成一N型緩沖區(qū)；在所述N型緩沖區(qū)上形成一與所述N型緩沖區(qū)相比具有較低摻雜濃度的N型基區(qū)；通過雜質擴散在所述N型基區(qū)的一表面區(qū)域上形成一P型基區(qū)；通過雜質擴散所述N型基區(qū)的一表面區(qū)域上形成一N型發(fā)射區(qū)。
借由上述技術方案，本發(fā)明絕緣柵雙極型晶體管及其制造方法至少具有下列優(yōu)點本發(fā)明提供一種具有較高可靠性和較高開關速度的絕緣柵雙極型晶體管及其制造方法。此外本發(fā)明還提供一種具有含砷緩沖區(qū)并具有較高可靠性和較高開關速度的絕緣柵雙極型晶體管及其制造方法。
綜上所述，本發(fā)明特殊結構的絕緣柵雙極型晶體管及其制造方法，其具有上述諸多的優(yōu)點及實用價值，并在同類產品中未見有類似的結構設計公開發(fā)表或使用而確屬創(chuàng)新，其不論在結構上或功能上皆有較大的改進，在技術上有較大的進步，并產生了好用及實用的效果，且較現有的絕緣柵雙極型晶體管及其制造方法具有增進的多項功效，從而更加適于實用，而具有產業(yè)的廣泛利用價值，誠為一新穎、進步、實用的新設計。
上述說明僅是本發(fā)明技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術手段，而可依照說明書的內容予以實施，并為了讓本發(fā)明的上述和其他目的、特征和優(yōu)點能更明顯易懂，以下特舉一較佳實施例，并配合附圖，詳細說明如下。


圖1是表示本發(fā)明一實施例的IGBT的剖面圖。
圖2是表示本發(fā)明的實施例的IGBT的制造過程的示意圖。
圖3是表示本發(fā)明的硼在熱處理前后的擴散方式的示意圖。
具體實施例方式
為更進一步闡述本發(fā)明為達成預定發(fā)明目的所采取的技術手段及功效，以下結合附圖及較佳實施例，對依據本發(fā)明提出的絕緣柵雙極型晶體管及其制造方法其具體實施方式
、結構、特征及其功效，詳細說明如后。
以下結合附圖對本發(fā)明一實施例的絕緣柵雙極型晶體管(以下簡稱為IGBT)進行詳細說明。
請參閱圖1所示，是表示本發(fā)明一實施例的IGBT 10的剖面圖。圖1中的IGBT包括一半導體襯底16、一集電極17、一發(fā)射極18、一絕緣膜19和一柵極20。該半導體襯底16包括一P型集電區(qū)11、一抗擴散區(qū)22、一緩沖區(qū)12、一N型基區(qū)13、至少一個P型基區(qū)14和一發(fā)射區(qū)15。
所述集電區(qū)11包括一具有一摻有P型雜質如硼的P型半導體區(qū)，例如，P型硅半導體襯底。該集電區(qū)11的厚度約為，例如，100～300μm，摻雜濃度為，例如，約1×1018cm-3。該集電區(qū)11構成半導體襯底16的一個表面，其上設置有鋁制(或類似材料)集電極17。
所述抗擴散區(qū)22包括一形成于所述集電區(qū)11的一表面之上的一非摻雜硅層(non-doped silicon layer)。抗擴散區(qū)22是通過基本上不使用雜質(受主雜質)的外延生長法形成的。提供抗擴散區(qū)22的目的在于防止在N型基區(qū)的制造過程中集電區(qū)11的硼向緩沖區(qū)12擴散等，下面對此還將詳細說明。
抗擴散區(qū)22的厚度等于或略小于器件制造過程中硼擴散經過緩沖區(qū)12的距離。較佳的是抗擴散區(qū)22的提供能夠阻止硼由集電區(qū)11在緩沖區(qū)12內擴散，更佳的是能夠阻止緩沖區(qū)12和抗擴散區(qū)22交界面的鄰近區(qū)域。即，硼幾乎由集電區(qū)11完全擴散入抗擴散區(qū)22，使抗擴散區(qū)22基本上不含有非摻雜區(qū)。例如，抗擴散區(qū)的形成厚度為2μm或更大。
緩沖區(qū)12包括一形成于抗擴散區(qū)22之上的N型半導體區(qū)。該緩沖區(qū)12通過外延生長形成于包含有集電區(qū)11的半導體襯底之上。緩沖區(qū)12內砷(As)的濃度為5×1017cm-3或更大較佳。較好的是緩沖區(qū)12的施主雜質濃度被設定為高于集電區(qū)11的受主雜質濃度。緩沖區(qū)12的形成厚度為2～10μm，更好的是5μm或更小。
N型基區(qū)13包括一含有N型雜質如磷的N型半導體區(qū)域。N型基區(qū)13通過外延生長形成于緩沖區(qū)12之上。N型基區(qū)13的雜質濃度為，例如，1×1014cm-3左右，厚度為，例如，50μm左右。
一個或多個P型基區(qū)14呈島狀形成于N型基區(qū)13的表面內，每個P型基區(qū)包括一摻入P型雜質如硼等的雜質擴散區(qū)。P型基區(qū)14的雜質濃度為，例如，1×1017cm-3左右，擴散深度為，例如，4μm左右。
發(fā)射區(qū)15形成于P形基區(qū)14的表面區(qū)域內，包括一摻入N型雜質如磷等的雜質擴散區(qū)。發(fā)射區(qū)15的雜質濃度為，例如，1×1019cm-3左右，擴散深度為，例如，0.5μm左右。發(fā)射區(qū)15與鋁等制成的發(fā)射極18電氣連接。
由鋁等制成的集電極17形成于集電區(qū)的表面之上。由鋁等制成的發(fā)射極18與發(fā)射區(qū)電氣連接。由多晶硅等制成的的柵極20通過柵極絕緣層19形成于夾在發(fā)射區(qū)15和N型基區(qū)13之間的P型基區(qū)14(溝道區(qū))之上。
在具有上述結構的IGBT 10中，緩沖區(qū)12用于抑制閉鎖的發(fā)生和提高器件的可靠性。
“閉鎖”是指下述現象在IGBT10中形成有一個由一N型基極13、一P型基區(qū)14和N型發(fā)射區(qū)15構成的NPN型寄生晶體管。該寄生晶體管和一個由集電區(qū)11、緩沖區(qū)12、N型基區(qū)13和P型基區(qū)14構成的PNP晶體管共同組成了一個寄生晶閘管。如果該寄生晶閘管工作，流經該晶閘管的電流在IGBT 10關斷時不能被停止，IGBT就會導致熱逸散并且損壞。
如果N型基區(qū)13直接形成于集電區(qū)11之上而不形成緩沖區(qū)12，過多的空穴就會從集電區(qū)11注入N型基區(qū)13，從而容易發(fā)生閉鎖。但是在形成緩沖區(qū)12的情況下，當IGBT 10處于關斷狀態(tài)時在集電極和發(fā)射極之間加以等于或低于一閾電壓Vth的電壓時，緩沖區(qū)12在關斷狀態(tài)時就會優(yōu)化(抑制)從集電區(qū)11注入N型基區(qū)13的空穴的數量。因此緩沖區(qū)12的存在可以抑制閉鎖的發(fā)生并提高器件的可靠性。
緩沖區(qū)12的存在通常會降低IGBT 10的開關速度。也就是說，當IGBT10關斷時，在N型基區(qū)13和P型基區(qū)14的交界面形成的PN結被反向偏置并且耗盡層從PN結延伸到N型基區(qū)13之內。這時，存在于N型基區(qū)13內的載流子(空穴)通過P型基區(qū)14從發(fā)射極18被釋放。但是由于耗盡層基本上沒有延伸到緩沖區(qū)12內，存在于緩沖區(qū)12內的載流子不被釋放。相應地，電流(即所謂尾電流)會持續(xù)存在，直到緩沖區(qū)12內的載流子被復合。結果導致IGBT的開關速度變慢。
因此為了減少存在于緩沖區(qū)12內的載流子，較佳的方案是緩沖區(qū)12盡可能的薄。為了加速存在于緩沖區(qū)12內的載流子的復合，較佳的是方案是將緩沖區(qū)12的摻雜濃度設定得較高。但是緩沖區(qū)12中使用的磷在半導體區(qū)內通常具有較高的擴散系數并且在器件的制造熱處理過程中被摻入。這樣就很難在較高摻雜濃度下形成較薄的緩沖區(qū)12。
有鑒于此，在本實施例的IGBT 10中，緩沖區(qū)12的形成采用了砷。這樣在制造過程中就可以抑制熱處理時由于雜質(砷)的摻入引起的緩沖區(qū)12的增大。
更具體來說，砷的擴散系數低于磷的擴散系數約一個位數。因此可以防止形成較厚的緩沖區(qū)12，其變厚是由于在形成緩沖區(qū)12之后形成N型基區(qū)13、P型基區(qū)14、發(fā)射區(qū)15等的熱處理過程中，施主雜質摻入N型基區(qū)13造成的。這樣在器件關斷時可以減少緩沖區(qū)12內空穴的數量，從減少尾電流。從而能夠獲得更高的開關速度。
由于砷的固溶度等于或大于磷的固溶度，使用砷可以使形成緩沖區(qū)12具有較高的摻雜濃度，達到理想的5×1017cm-3或更高。因此即使形成的緩沖區(qū)12相對較薄，如2～5μm，同樣可有效地抑制空穴的注入，從而防止閉鎖的發(fā)生。形成較薄的緩沖區(qū)12可以減少載流子的數量，這就使IGBT 10能夠獲得更高的開關速度同時保持較高的器件可靠性。
由于緩沖區(qū)12是通過外延生長形成的，摻雜濃度梯度與采用雜質擴散的方法形成緩沖區(qū)12的情況相比可以變得更為陡峭。也就是說，集電區(qū)11和緩沖區(qū)12之間的交界面可以被制成所謂的階躍結(step junction)，這就使較薄的緩沖區(qū)12更為有效地抑制空穴的注入并且提高防閉鎖能力。
上述效果使用于降低尾電流的電子輻照等方法失去了其必要性，從而消除了電子輻照等方法可能會帶來的器件內部缺陷。因此有可能降低尾電流或提高開關速度而不出現不良狀態(tài)，如集電極-發(fā)射極電壓VCE(sat)的升高、閾電壓Vth的降低和漏電流的增加。此外，器件在高溫下工作也不會頻繁發(fā)生開關損耗的問題。
采用砷形成緩沖區(qū)12的器件不要求特別復雜的工序，可以采用與使用其他雜質如磷等相同的工序。
還有，本發(fā)明的實施例中的IGBT 10具有形成于集電區(qū)11和緩沖區(qū)12之間的抗擴散區(qū)22，阻止P型雜質由集電區(qū)11的擴散。
例如，當緩沖區(qū)12直接形成于集電區(qū)11時，硼的擴散數大于砷的擴散系數約一個位數。請參閱圖3所示，當器件的制造過程完成后，硼擴散經過緩沖區(qū)12進入N型基區(qū)13，從而改變N型雜質濃度。當硼以此種方式被摻入N型基區(qū)13時，擊穿電壓特性呈現溝道模式，使擊穿電壓的分布不均勻。這會降低擊穿電壓和器件的可靠性。
形成的抗擴散區(qū)22阻止器件制造過程中緩沖區(qū)12內硼的擴散，更好的是阻止硼在緩沖區(qū)12和抗擴散區(qū)22之間交界面鄰近區(qū)域的擴散，可以防止擊穿電壓的降低。
采用上述結構可提供一種制造完成后仍具有較薄緩沖區(qū)12的IGBT10，并具有較高抗閉鎖和開關特性，以及較高可靠性。
下面參照附圖對具有上述結構的IGBT 10制造方法進行具體說明。圖2A～2E是本實施例的IGBT 10的制造工藝的示意圖。下面所述的方法僅僅是示例性的，本發(fā)明不限于此種方法，還存在其他方法可以獲得類似的器件。
請參閱圖2A所示，首先制備摻硼P型半導體襯底30；然后，請參閱圖2B所示，采用普通的外延生長法在不摻雜的情況下在半導體襯底30上形成一非摻雜的外延生長層(抗擴散區(qū)22)。
然后，請參閱圖2C所標，采用同樣的外延生長法形成一含有N型雜質砷的外延生長層(緩沖區(qū)12)。
然后，請參閱圖2D所示，采用外延生長法在緩沖區(qū)12上形成一含有磷等N型雜質的N型基區(qū)13?？箶U散區(qū)22、緩沖區(qū)12和N型基區(qū)13可以在同一制造裝置上順序形成。
然后，請參閱圖2E所示，順序并有選擇地在N型基區(qū)13的表面區(qū)域摻入P型雜質和N型雜質，形成P型基區(qū)14和發(fā)射區(qū)15。
之后，在采用此種方法得到的半導體襯底16上形成集電極17、發(fā)射極18、柵極20等，這樣就得到了如圖1所示的IGBT 10。
通過上述器件結構的采用，可以提供一種具有較高可靠性和開關速度的絕緣柵雙極型晶體管的制造方法。采用該結構還可能提供一種具有較可靠性和開關速度的含砷緩沖區(qū)絕緣柵雙極晶體管及其制造方法。
本發(fā)明不限于上述實施例，還可以有其他形成的變化和改進。例如，盡管以上說明中集電區(qū)采用硼作為P型雜質，但是本發(fā)明不限于使用硼，還可以靈活地使用任何擴散率大于砷的雜質。盡管在以上說明中討論了將砷摻入緩沖區(qū)12的情況，還可以摻入砷以外的N型雜質。
以上說明中討論了抗擴散區(qū)22作為非摻入硅外延生長層的情況。但是如果摻雜濃度充分低于集電區(qū)11的P型雜質濃度，抗擴散區(qū)22可以作為一含有一P型雜質的P型擴散區(qū)同樣地，抗擴散區(qū)22可以形成為一具有一足夠摻雜濃度的N型擴散區(qū)，以便通過由集電區(qū)11P型雜質的擴散將N型擴散區(qū)的導電類型轉換。這種情況下，可在集電區(qū)11之上形成一具有如此摻雜濃度的N型外延層，其厚度等于抗擴散區(qū)22和緩沖12的厚度之和，然后可將一N型雜質摻入N型外延層，以便形成具有高摻雜濃度的緩沖區(qū)12。
抗擴散區(qū)22只需基本上阻止集電區(qū)內含有的N型雜質如硼進入N型基區(qū)13。因此，抗擴散區(qū)22可采用易與硼結合的材料，或可以是一摻入硼的化合物半導體層?？箶U散區(qū)22是通過結合(bonding)而非外延生長形成的。
對本實施例的IGBT襯底厚度方向的摻雜濃度分布進行了檢查。
圖3中的虛線表示P型基區(qū)等形成之前和N型基區(qū)形成時的摻雜濃度的分布。
在檢查中，集電區(qū)、抗擴散區(qū)、緩沖區(qū)和N型其區(qū)的厚度分別設置為200、2、5和50μm，并且集電區(qū)、緩沖區(qū)和N型基區(qū)的摻雜濃度分別設定為1×1018cm-3、5×1017cm-3、和1×1014cm-3、如圖中所示，器件形成前抗擴散區(qū)是一非摻雜區(qū)，雜質(硼)以一個具有器件形成后雜質由集電區(qū)擴散雜質導致的一定斜度的摻雜濃度。還有可以明顯看出的是抗擴散區(qū)基本上阻止了此種硼向緩沖區(qū)的擴散，從而防止了硼擴散入N型基區(qū)。簡而言之，本發(fā)明上述實施例的具有抗擴散區(qū)的IGBT保持較高擊穿電壓特性，如防止硼擴散入N型基區(qū)和禁止擊穿電壓特性呈現出溝道模式。
以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本專業(yè)的技術人員，在不脫離本發(fā)明技術方案范圍內，當可利用上述揭示的技術內容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發(fā)明技術方案的內容，依據本發(fā)明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術方案的范圍內。
權利要求
1.一種絕緣柵雙極型晶體管，其特征在于其包括一P型集電區(qū)(11)，其含有P型雜質；一N型緩沖區(qū)(12)，其形成于所述P型集電區(qū)(11)之上；一N型基區(qū)(13)，其形成于所述N型緩沖區(qū)(12)之上并具有低于所述N型緩沖區(qū)(12)的摻雜濃度；一P型基區(qū)(14)，其形成于所述N型基區(qū)(13)的一表面區(qū)域內；一N型發(fā)射區(qū)(15)，其形成于所述N型基區(qū)(13)的一表面區(qū)域內；一抗擴散區(qū)(22)，其形成于所述P型集電區(qū)(11)和所述N型緩沖區(qū)(12)之間，防止P型集電區(qū)(11)的P型雜質擴散。
2.根據權利要求1所述的絕緣柵雙極型晶體管，其特征在于其中所述的砷被摻入所述N型緩沖區(qū)(12)。
3.根據權利要求1所述的絕緣柵雙極型晶體管，其特征在于其中所述的抗擴散區(qū)(22)防止所述P型集電區(qū)(11)的P型雜質擴散入所述N型基區(qū)(13)。
4.根據權利要求1所述的絕緣柵雙極型晶體管，其特征在于其中所述的抗擴散區(qū)(22)防止所述P型集電區(qū)(11)的P型雜質擴散過所述抗擴散區(qū)(22)和所述N型緩沖區(qū)(12)的交界面。
5.根據權利要求1所述的絕緣柵雙極型晶體管，其特征在于其中所述抗擴散區(qū)(22)的厚度被設定為等于或小于器件制造過程中所述P型集電區(qū)(11)的P型雜質的擴散距離。
6.根據權利要求1所述的絕緣柵雙極型晶體管，其特征在于其中所述抗擴散區(qū)(22)的厚度與所述N型緩沖區(qū)(12)厚度的總和被設定為等于或大于器件制造過程中所述P型集電區(qū)(11)的P型雜質的擴散距離。
7.根據權利要求1所述的絕緣柵雙極型晶體管，其特征在于其中所述抗擴散區(qū)(22)形成為一不含雜質的外延生長層。
8.根據權利要求1所述的絕緣柵雙極型晶體管，其特征在于其中所述抗擴散區(qū)(22)形成為一具有低所述P型集電區(qū)(11)的P型雜質的摻雜濃度的半導體區(qū)域。
9.根據權利要求1所述的絕緣柵雙極型晶體管，其特征在于其中所述抗擴散區(qū)(22)形成為一N型半導體區(qū)域形成的，該N型半導體區(qū)域具有一允許通過器件制造過程中所述P型雜質由P型集電區(qū)(11)的擴散將所述N型擴散區(qū)的導電類型轉換的摻雜濃度。
10.根據權利要求1所述的絕緣柵雙極型晶體管，其特征在于其中所述P型集電區(qū)(11)的P型雜質是硼。
11.根據權利要求1所述的絕緣柵雙極型晶體管，其特征在于其中所述N型緩沖區(qū)(12)具有2μm～10μm或更小的厚度和5×1017cm-3或更高的摻雜濃度。
12.一種制造絕緣柵雙極晶體管的方法，包括以下步驟在一含有P型雜質的P型集電區(qū)之上形成一抗擴散區(qū)用于防止器件制造過程中P型雜質的擴散；在所述抗擴散區(qū)上形成一N型緩沖區(qū)；在所述N型緩沖區(qū)上形成一與所述N型緩沖區(qū)相比具有較低摻雜濃度的N型基區(qū)；通過雜質擴散在所述N型基區(qū)的一表面區(qū)域上形成一P型基區(qū)；通過雜質擴散所述N型基區(qū)的一表面區(qū)域上形成一N型發(fā)射區(qū)。
13.根據權利要求12所述的方法，其特征在于其中砷作為N型雜質被摻入N型緩沖區(qū)。
14.根據權利要求12所述的方法，其特征在于其中所述抗擴散區(qū)的形成方式是所述抗擴散區(qū)的厚度被設定為等于或小于器件制造過程中所述P型集電區(qū))的P型雜質的擴散距離。
15.根據權利要求12所述的方法，其特征在于其中所述抗擴散區(qū)和所述N型緩沖的形成方式是所述抗擴散區(qū)的厚度與所述N型緩沖區(qū)厚度的總和被設定為等于或大于器件制造過程中所述P型集電區(qū)的P型雜質的擴散距離。
16.根據權利要求12所述的方法，其特征在于其中所述抗擴散區(qū)形成為一不含雜質的外延生長層。
17.根據權利要求12所述的方法，其特征在于其中所述抗擴散區(qū)形成為一具有低所述P型集電區(qū)的P型雜質的摻雜濃度的半導體區(qū)域。
18.根據權利要求12所述的方法，其特征在于其中所述抗擴散區(qū)可以形成為一具有一摻雜濃度的N型擴散區(qū)，該摻雜濃度允許通過器件制造過程中所述P型雜質由P型集電區(qū)的擴散將所述N型擴散區(qū)的導電類型轉換。
19.根據權利要求12所述的方法，其特征在于其中硼被用作所述P型集電極中的所述P型雜質。
20.根據權利要求12所述的方法，其特征在于其中所述N型緩沖區(qū)具有2μm～10μm或更小的厚度和5×1017cm-3或更高的摻雜濃度。
全文摘要
本發(fā)明是關于一種絕緣柵雙極型晶體管及其制造方法，提供一種具有一含有如硼等P型雜質的P型集電區(qū)(11)。一含有相對較高濃度砷的相對較薄的N型緩沖區(qū)(12)通過一抗擴散區(qū)(22)形成于集電區(qū)(11)之上?？箶U散區(qū)(22)的厚度等于或略小于器件制造過程中P型雜質由集電區(qū)(11)向緩沖區(qū)(12)擴散的厚度。
文檔編號H01L29/78GK1619832SQ20041009143
公開日2005年5月25日 申請日期2004年11月22日 優(yōu)先權日2003年11月20日
發(fā)明者鳥居克行, 高橋良治 申請人:三墾電氣株式會社