具有變組分混合晶體發(fā)射區(qū)的抗閂鎖igbt的制作方法
【專利摘要】具有變組分混合晶體發(fā)射區(qū)的抗閂鎖IGBT，屬于功率半導體器件【技術領域】。本發(fā)明基于常規(guī)IGBT結構，通過將發(fā)射區(qū)的純硅材料變?yōu)榻M分漸變的混合晶體，形成禁帶寬度緩變的發(fā)射區(qū)能帶結構。該能帶結構在不降低發(fā)射區(qū)與基區(qū)所形成PN結的內建電勢的前提下，在發(fā)射區(qū)內形成發(fā)射區(qū)少子的加速電場，從而使發(fā)射區(qū)的少子擴散電流密度增加，基區(qū)向發(fā)射區(qū)的注入增強；而另一方面，發(fā)射區(qū)向基區(qū)的注入保持不變。因此，發(fā)射區(qū)、基區(qū)和漂移區(qū)構成的寄生晶體管的發(fā)射結注入效率降低，電流放大系數降低，使IGBT中的寄生晶閘管更難達到閂鎖條件，這就提高了IGBT的臨界閂鎖電流，增加了IGBT的安全工作區(qū)，提高了IGBT的可靠性。
【專利說明】具有變組分混合晶體發(fā)射區(qū)的抗閂鎖IGBT
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于功率半導體【技術領域】，涉及一種具有良好抗閂鎖性能的IGBT器件。
【背景技術】
[0002]IGBT是功率半導體器件中具有代表性的一類器件，因其同時具有高耐壓、低導通電阻、易驅動、開關速度快等優(yōu)點，在開關電源、變頻調速、逆變器等許多功率領域有重要的應用。閂鎖問題是威脅IGBT可靠性的重要原因之一。
[0003]基本的IGBT結構及其等效電路如圖1.1和圖1.2所示，由圖1.1看出，IGBT結構中包含了由N+發(fā)射區(qū)3、P型基區(qū)6、N-漂移區(qū)10和P+集電極區(qū)12構成的N-P-N-P的四層三結的晶閘管結構14。由圖1.2的等效電路來解釋IGBT發(fā)生閂鎖的機制:當IGBT正常工作時，寄生晶閘管14不會開啟，這是由于正常工作電流下N+發(fā)射區(qū)3和P型基區(qū)6形成的短路發(fā)射極結構保證了上層NPN管的發(fā)射結不發(fā)生導通(Inl>>IP1>>IP2)，IGBT電流受到柵極電壓的控制，具有飽和特性；若由于某種原因使IGBT中的電流密度過大，過高的空穴電流流過N+發(fā)射區(qū)3下方的P型基區(qū)6( Ip2電流)，該電流在P型基區(qū)路徑電阻Rp_b()dy上產生壓降，若壓降足夠大則會使P型基區(qū)6與N+發(fā)射區(qū)3形成的PN結正偏，上層的NPN管進入放大區(qū)工作，并驅動下層的PNP管，PNP管開啟后又反過來驅動上層NPN管，如此形成正反饋，再生反饋效應使得IGBT柵極失去對電流的控制能力，電流迅速增大，當電流增大到一定程度后，可能使IGBT器件過熱燒毀，因此閂鎖現象限制了 IGBT的最大安全工作電流。
[0004]IGBT發(fā)生閂鎖的臨界條件是:a NPN+ a pNp≥1，其中a NPN和a pNp分別是上層NPN管和下層PNP管的開基極電流增益；由該條件可以看出，要抑制寄生晶閘管的閂鎖效應，就必須減小上層NPN管和下層PNP管的開基極電流增益，由于寬基區(qū)的下層PNP管在IGBT正常工作時需要傳導導通態(tài)電流，減小其電流增益會增大IGBT的導通壓降，而上層NPN通常不參與IGBT導通態(tài)電流的傳導，因此最好是降低上層NPN管的電流增益。普遍的防止措施有:
(1)在IGBT的發(fā)射極N+區(qū)下方引入P+摻雜區(qū)2，以減小N+區(qū)3下方的P型基區(qū)6的路徑電阻，以防止N+發(fā)射區(qū)3/P型基區(qū)6結發(fā)生正偏，但該方法有可能增加IGBT的閾值電壓；
(2)降低上層NPN管的發(fā)射極注入效率，即降低NPN管發(fā)射區(qū)的摻雜濃度或降低NPN管發(fā)射區(qū)的禁帶寬度，如專利(Frank Pfirsch, Semiconductor power component with a reducedparasitic bipolar transistor, US6531748B2, 2003-03-11)提出用窄禁帶材料來制作 N+區(qū)。但是，這兩種方法會使NPN管發(fā)射結PN結的正向導通壓降降低，PN結容易正偏，寄生NPN管容易開啟，這對于提高IGBT的抗閂鎖能力是不利的。本發(fā)明提出:通過調節(jié)NPN管的N+發(fā)射區(qū)的能帶，使得PN結勢壘區(qū)的勢壘高度不變的同時，在N+發(fā)射區(qū)內形成對空穴的加速場，從而增加了基區(qū)向發(fā)射區(qū)注入的少子電流，可以減小注入效率，進而降低NPN管的電流放大系數，達到增大臨界閂鎖電流的目的。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明提供了一種具有變組分混合晶體發(fā)射區(qū)的抗閂鎖IGBT，其核心思想是:基于常規(guī)IGBT結構，通過將發(fā)射區(qū)的純硅材料變?yōu)榻M分漸變的混合晶體，形成禁帶寬度緩變的發(fā)射區(qū)能帶結構。該能帶結構在不降低發(fā)射區(qū)與基區(qū)所形成PN結的內建電勢的前提下，在發(fā)射區(qū)內形成發(fā)射區(qū)少子的加速電場，從而使發(fā)射區(qū)的少子擴散電流密度增加，基區(qū)向發(fā)射區(qū)的注入增強；而另一方面，發(fā)射區(qū)向基區(qū)的注入保持不變。因此，發(fā)射區(qū)、基區(qū)和漂移區(qū)構成的寄生晶體管的發(fā)射結注入效率降低，電流放大系數降低，使IGBT中的寄生晶閘管更難達到閂鎖條件，這就提高了 IGBT的臨界閂鎖電流，增加了 IGBT的安全工作區(qū)，提高了IGBT的可靠性。
[0006]為實現本發(fā)明目的，采用的技術方案如下:
[0007]具有變組分混合晶體發(fā)射區(qū)的抗閂鎖IGBT，其結構如圖2所示，包括發(fā)射極結構、集電極結構、柵極結構和漂移區(qū)結構；所述發(fā)射極結構包括金屬發(fā)射極1、重摻雜第一導電類型半導體歐姆接觸區(qū)2、重摻雜第二導電類型半導體發(fā)射區(qū)4和第一導電類型半導體基區(qū)6，其中重摻雜第一導電類型半導體歐姆接觸區(qū)2和重摻雜第二導電類型半導體發(fā)射區(qū)4相互獨立地位于第一導電類型半導體基區(qū)6中，且重摻雜第一導電類型半導體歐姆接觸區(qū)2和重摻雜第二導電類型半導體發(fā)射區(qū)4的表面均和金屬發(fā)射極I相接觸；所述集電極結構包括重摻雜第一導電類型半導體集電區(qū)12和金屬集電極13，其中重摻雜第一導電類型半導體集電區(qū)12下表面與金屬集電極13相接觸；所述漂移區(qū)結構包括輕摻雜第二導電類型半導體漂移區(qū)10 ;所述柵極結構包括多晶硅柵電極7和柵氧化層8 ;所述漂移區(qū)結構位于所述發(fā)射極結構和所述集電極結構之間，其中:漂移區(qū)結構的輕摻雜第二導電類型半導體漂移區(qū)10背面與集電極結構的重摻雜第一導電類型半導體集電區(qū)12相接觸，漂移區(qū)結構的輕摻雜第二導電類型半導體漂移區(qū)10正面與發(fā)射極結構的第一導電類型半導體基區(qū)6相接觸；所述柵極結構的多晶硅柵電極7與重摻雜第二導電類型半導體發(fā)射區(qū)4、第一導電類型半導體基區(qū)6和輕摻雜第二導電類型半導體漂移區(qū)10三者之間隔著柵氧化層8，多晶硅柵電極7與金屬發(fā)射極I之間填充絕緣介質層9。
[0008]所述重摻雜第二導電類型半導體發(fā)射區(qū)4的材料采用組分漸變的混合晶體材料，形成漸變的禁帶寬度，且禁帶寬度的漸變方式為:在器件的縱向方向上，從靠近金屬發(fā)射極I的上表面到遠離金屬發(fā)射極I的下表面，構成重摻雜第二導電類型半導體發(fā)射區(qū)4的混合晶體材料的禁帶寬度按逐漸增大。
[0009]本發(fā)明的工作原理:
[0010]為解釋本發(fā)明的工作原理，以第一導電類型半導體材料為P型Si材料，變組分混合晶體材料為鍺硅(SixGei_x，0〈x〈l)的IGBT器件為例進行說明。圖3.1為常規(guī)硅(Si)材料IGBT的寄生NPN結構的發(fā)射區(qū)和基區(qū)PN結能帶圖，其發(fā)射區(qū)I和基區(qū)III具有相同的禁帶寬度，在空間電荷區(qū)II中形成勢壘，發(fā)射區(qū)I中的電子注入基區(qū)III所需克服的勢壘高度QV1與基區(qū)III中的空穴注入發(fā)射區(qū)I所需克服的勢壘高度qV2相等，注入效率主要由發(fā)射區(qū)I和基區(qū)III的摻雜濃度(或方塊電阻)決定。已知NPN晶體管中發(fā)射區(qū)采用窄禁帶寬度材料可以降低注入效率，其能帶結構如圖3.2所示，基區(qū)III中的空穴注入發(fā)射區(qū)I所需克服的勢壘高度qV2小于發(fā)射區(qū)I中的電子注入基區(qū)III所需克服的勢壘高度qVp因此基區(qū)III中的空穴注入發(fā)射區(qū)I變得更容易，因此NPN晶體管的注入效率降低?？梢杂谜麕М愘|材料形成IGBT發(fā)射區(qū)來降低寄生NPN的發(fā)射結注入效率，但這種方法在降低注入效率的同時又會降低PN結勢壘高度，這會導致PN結的正向導通壓降降低，寄生NPN管在較小電流下的就會開啟，這對抑制閂鎖效應是不利的。本專利中采用變組分的Si和窄禁帶半導體形成混合晶體來形成發(fā)射區(qū)I，混合晶體中Si的含量從靠近金屬發(fā)射極的上表面到遠離金屬發(fā)射極的下表面逐漸增大，P型基區(qū)III仍采用Si，這就形成了如圖3.3所示的能帶結構。在冶金結處(混合晶體中遠離金屬發(fā)射極的下表面)材料組分為純Si，因此，PN結勢壘高度與圖3.1中相同，不會產生寄生NPN管提前開啟的問題；另一方面，距離冶金結越遠，混合晶體中Si含量降低，禁帶寬度逐漸變窄，小于Si的禁帶寬度。若設整個混合晶體中摻雜均勻，則發(fā)射區(qū)I 一側，導帶底Ea應始終和費米能級Ef保持平行，因為費米能級Ef始終水平，所以導帶底Eci也是水平的，于是禁帶寬度逐漸變窄主要體現在價帶頂Evi的變化上，價帶頂Evi從冶金結處向發(fā)射區(qū)I 一側逐漸上翹(圖中僅為示意，不一定是均勻變化)，能帶的變化意味著發(fā)射區(qū)I存在自建場E。根據半導體的能帶理論，自建場E方向為能帶圖中較低的位置指向較高的位置，即由冶金結指向發(fā)射區(qū)I歐姆接觸處，該電場對發(fā)射區(qū)I少子空穴起到加速作用，促進了冶金結處的空穴向該區(qū)的注入，從而降低了 NPN管的發(fā)射極注入效率，減小了寄生NPN管的電流放大系數a NPN，使閂鎖條件a NPN+ a pNp ≥ I更難達到，因此抑制了閂鎖的發(fā)生。
[0011]進一步地，本發(fā)明提供的具有變組分混合晶體發(fā)射區(qū)的抗閂鎖IGBT中，所述組分漸變的混合晶體材料為硅、碳化硅、砷化鎵、磷化銦或鍺五中半導體材料中任意兩種或多種的組合。
[0012]進一步地，本發(fā)明提供的具有變組分混合晶體發(fā)射區(qū)的抗閂鎖IGBT可以采用體硅、碳化硅、砷化鎵、磷化銦或鍺硅等半導體材料制作。
[0013]進一步地，本發(fā)明提供的具有變組分混合晶體發(fā)射區(qū)的抗閂鎖IGBT，其中所述柵極結構可以是平面柵結構或槽柵結構；所述集電極結構可以是透明陽極結構或者短路陽極結構；所述漂移區(qū)結構可以是穿通型或非穿通型漂移區(qū)結構。
[0014]本發(fā)明的有益效果表現在:
[0015]本發(fā)明是在常規(guī)IGBT結構基礎上，提出采用組分漸變的混合晶體來制造發(fā)射區(qū)，使得寄生晶閘管結構中的上層NPN管開基極電流增益減小，在不影響IGBT正常工作特性的情況下，提高了 IGBT的抗閂鎖能力，優(yōu)化了 IGBT的可靠性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1.1是常規(guī)IGBT結構，其中14為寄生晶閘管結構。
圖1.2為包含寄生效應的IGBT等效電路。
[0017]圖2是本發(fā)明提出的具有變組分混合晶體IGBT元胞結構示意圖，其中4為變組分混合晶體材料構成的發(fā)射區(qū)。
[0018]
[0019]圖3.1為常規(guī)IGBT結構中N+發(fā)射區(qū)與P型基區(qū)的PN結能帶結構圖，其中N+發(fā)射區(qū)I和P型基區(qū)III均為Si材料，II為勢壘區(qū)；
[0020]圖3.2為具有窄禁帶材料N+發(fā)射區(qū)的IGBT結構的N+發(fā)射區(qū)與P型基區(qū)的PN結能帶結構圖，其中N+發(fā)射區(qū)I采用了窄禁帶半導體材料，P型基區(qū)III為Si材料，II為勢壘區(qū)；
[0021]圖3.3為本發(fā)明提出的具有變組分混合晶體發(fā)射區(qū)的IGBT結構中N+發(fā)射區(qū)與P型基區(qū)的PN結能帶結構圖，P型基區(qū)III為Si材料，N+發(fā)射區(qū)I采用變組分硅與窄禁帶材料的混合晶體，II為勢壘區(qū)。
[0022]圖4是根據本發(fā)明原理提出的一種IGBT結構的具體實例，該實例中采用槽柵IGBT結構，并在漂移區(qū)10下方加入了 N型場阻擋層11。
【具體實施方式】
[0023]具有變組分混合晶體發(fā)射區(qū)的抗閂鎖IGBT，其結構如圖4所示，包括發(fā)射極結構、集電極結構、柵極結構和漂移區(qū)結構；所述發(fā)射極結構包括金屬發(fā)射極1、P+歐姆接觸區(qū)2、N+發(fā)射區(qū)4和P型基區(qū)6，其中P+歐姆接觸區(qū)2和N+發(fā)射區(qū)4相互獨立地位于P型基區(qū)6中，且P+歐姆接觸區(qū)2和N+發(fā)射區(qū)4的表面均和金屬發(fā)射極I相接觸；所述集電極結構包括P+集電區(qū)12和金屬集電極13，其中P+集電區(qū)12下表面與金屬集電極13相接觸；所述漂移區(qū)結構包括N-漂移區(qū)10，且N-漂移區(qū)10與P+集電區(qū)12之間具有一層N型電場阻止層11 ;所述柵極結構為槽柵結構，包括多晶硅柵電極7和柵氧化層8 ;所述漂移區(qū)結構位于所述發(fā)射極結構和所述集電極結構之間，其中:漂移區(qū)結構的N-漂移區(qū)10正面與發(fā)射極結構的P型基區(qū)6相接觸；所述柵極結構的多晶硅柵電極7與N+發(fā)射區(qū)4、P型基區(qū)6和N-漂移區(qū)10三者之間隔著柵氧化層8，多晶硅柵電極7與金屬發(fā)射極I之間填充絕緣介質層9。
[0024]所述N+發(fā)射區(qū)4的材料采用組分漸變的混合晶體材料，形成漸變的禁帶寬度，且禁帶寬度的漸變方式為:在器件的縱向方向上，從靠近金屬發(fā)射極I的上表面到遠離金屬發(fā)射極I的下表面，構成N+發(fā)射區(qū)4的混合晶體材料的禁帶寬度按逐漸增大。具體組分漸變的混合晶體材料為SixGei_x，在N+發(fā)射區(qū)4與P型基區(qū)6的冶金結處x=l，在N+發(fā)射區(qū)4與發(fā)射極金屬電極I交界處x=0。N+發(fā)射區(qū)4的工藝實現方法為:采用化學氣相外延技術，外延過程中不斷調節(jié)混合氣體氛圍，以得到滿足要求的外延層組分。
[0025]所述器件工藝過程可以沿用傳統(tǒng)槽柵IGBT工藝過程，只需增加一個步驟，詳細工藝步驟如下:
[0026](I)單晶硅準備，采用N型輕摻雜襯底材料作為IGBT漂移區(qū)；
[0027](2)通過氣相外延方法外延一定厚度的混合晶體，在氣相外延過程中，不斷改變氣體組分，以形成組分緩變的外延混合晶體；
[0028](3)背面磷注入，形成N型場阻擋層，退火并推阱；
[0029](4)正面硼注入，形成P型基區(qū)，退火并推阱；
[0030](5)在所述P型基區(qū)形成以后，后續(xù)工藝與常規(guī)槽柵IGBT相同，工藝步驟包括:進行槽刻蝕，柵氧化以及柵極多晶硅淀積，以形成柵電極和柵氧化層；N+發(fā)射區(qū)注入及推阱，P+歐姆接觸注入及推阱；背面P+區(qū)注入及推阱，淀積鈍化層、退火致密并光刻引線孔，淀積金屬、反刻金屬、鈍化、光刻鈍化孔等步驟。
[0031]在實施過程中可以根據具體情況，在基本結構不變的情況下，進行一定的變通設計，例如:
[0032](I)N+發(fā)射區(qū)混合晶體材料SixGei_x，X的變化規(guī)律可根據要求進行調整，取0到I之間的任意實數。
[0033](2)N+發(fā)射區(qū)混合晶體材料也可為其它可通過半導體工藝實現且具有本發(fā)明所述能帶結構的材料，如:GaAs、AlGaAs、GaN> SiC等。
[0034](3) IGBT的柵電極可以為平面柵，也可為溝槽柵或凹槽柵。
[0035](4) IGBT的漂移區(qū)結構可以為穿通型，也可以為非穿通型。
[0036](5) IGBT的背面P+陽極可以為陽極短路結構、透明陽極結構等。
【權利要求】
1.具有變組分混合晶體發(fā)射區(qū)的抗閂鎖IGBT，包括發(fā)射極結構、集電極結構、柵極結構和漂移區(qū)結構；所述發(fā)射極結構包括金屬發(fā)射極(I)、重摻雜第一導電類型半導體歐姆接觸區(qū)(2)、重摻雜第二導電類型半導體發(fā)射區(qū)(4)和第一導電類型半導體基區(qū)(6)，其中重摻雜第一導電類型半導體歐姆接觸區(qū)(2)和重摻雜第二導電類型半導體發(fā)射區(qū)(4)相互獨立地位于第一導電類型半導體基區(qū)(6)中，且重摻雜第一導電類型半導體歐姆接觸區(qū)(2)和重摻雜第二導電類型半導體發(fā)射區(qū)(4)的表面均和金屬發(fā)射極(I)相接觸；所述集電極結構包括重摻雜第一導電類型半導體集電區(qū)(12)和金屬集電極(13)，其中重摻雜第一導電類型半導體集電區(qū)(12)下表面與金屬集電極(13)相接觸；所述漂移區(qū)結構包括輕摻雜第二導電類型半導體漂移區(qū)(10);所述柵極結構包括多晶硅柵電極(7)和柵氧化層(8)；所述漂移區(qū)結構位于所述發(fā)射極結構和所述集電極結構之間，其中:漂移區(qū)結構的輕摻雜第二導電類型半導體漂移區(qū)(10)背面與集電極結構的重摻雜第一導電類型半導體集電區(qū)(12)相接觸，漂移區(qū)結構的輕摻雜第二導電類型半導體漂移區(qū)(10)正面與發(fā)射極結構的第一導電類型半導體基區(qū)(6)相接觸；所述柵極結構的多晶硅柵電極(7)與重摻雜第二導電類型半導體發(fā)射區(qū)(4)、第一導電類型半導體基區(qū)(6)和輕摻雜第二導電類型半導體漂移區(qū)(10)三者之間隔著柵氧化層(8)，多晶硅柵電極(7)與金屬發(fā)射極(I)之間填充絕緣介質層(9); 所述重摻雜第二導電類型半導體發(fā)射區(qū)(4)的材料采用組分漸變的混合晶體材料，形成漸變的禁帶寬度，且禁帶寬度的漸變方式為:在器件的縱向方向上，從靠近金屬發(fā)射極(I)的上表面到遠離金屬發(fā)射極(I)的下表面，構成重摻雜第二導電類型半導體發(fā)射區(qū)(4)的混合晶體材料的禁帶寬度按逐漸增大。
2.根據權利要求1所述的具有變組分混合晶體發(fā)射區(qū)的抗閂鎖IGBT，其特征在于，所述組分漸變的混合晶體材料為硅、碳化硅、砷化鎵、磷化銦或鍺五中半導體材料中任意兩種或多種的組合。
3.根據權利要求1或2所述的具有變組分混合晶體發(fā)射區(qū)的抗閂鎖IGBT，其特征在于，所述具有變組分混合晶體發(fā)射區(qū)的抗R鎖IGBT采用體硅、碳化硅、砷化鎵、磷化銦或鍺硅等半導體材料制作。
4.根據權利要求1或2所述的具有變組分混合晶體發(fā)射區(qū)的抗閂鎖IGBT，其特征在于，所述柵極結構是平面柵結構或槽柵結構。
5.根據權利要求1或2所述的具有變組分混合晶體發(fā)射區(qū)的抗閂鎖IGBT，其特征在于，所述集電極結構是透明陽極結構或者短路陽極結構。
6.根據權利要求1或2所述的具有變組分混合晶體發(fā)射區(qū)的抗閂鎖IGBT，其特征在于，所述漂移區(qū)結構是穿通型或非穿通型漂移區(qū)結構。
【文檔編號】H01L29/06GK103441143SQ201310289169
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年7月10日 優(yōu)先權日:2013年7月10日
【發(fā)明者】任敏, 宋詢奕, 李果, 楊玨林, 張鵬, 吳明進, 顧鴻鳴, 李澤宏, 張金平, 張波 申請人:電子科技大學