絕緣柵雙極型晶體管的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體功率器件技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種絕緣柵雙極型晶體管。
【背景技術(shù)】
[0002]絕緣棚.雙極型晶體管(InsulatedGate Bipolar Transistor，簡稱IGBT)是一種發(fā)展迅速、應(yīng)用廣泛的半導(dǎo)體功率器件。它可以看作是由金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管(MOSFET)和雙極結(jié)型晶體管(BJT)組成的復(fù)合全控型半導(dǎo)體功率器件。既具有功率MOSFET的電壓控制、輸入阻抗高、驅(qū)動電路簡單的優(yōu)點，又擁有BJT導(dǎo)通電阻小、電流密度大、阻斷電壓高等多項優(yōu)點。在家用電器、新能源發(fā)電、智能電網(wǎng)、動力牽引等領(lǐng)域中都有著廣泛應(yīng)用。
[0003]眾所周知，在絕緣柵雙極型晶體管正向?qū)〞r，器件背面的集電極會向N-基區(qū)注入大量的非平衡載流子，而且非平衡載流子的濃度會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過N-基區(qū)原有的平衡載流子的濃度，從而在N-基區(qū)內(nèi)形成非常強烈的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，因此可以大大降低了器件的導(dǎo)通壓降。但是在器件關(guān)斷時，大量的非平衡載流子由于不能及時地復(fù)合或從集電極抽出，會導(dǎo)致器件有較大的電流拖尾、使器件關(guān)斷速度變慢，關(guān)斷損耗增加，并造成器件的工作頻率降低。
[0004]為增加器件的關(guān)斷速度，降低關(guān)斷功耗，文獻P.A.Gough, M.R.Simpson, andV.Rumenik, “Fast switching lateral insulated gate transistor，，(快速開關(guān)的橫向絕緣柵晶體管)，IEEE IEDM Tech.Dig., 1986，pp.218-221，提出了陽極短路的器件結(jié)構(gòu)，應(yīng)用到絕緣柵雙極型晶體管上如圖1所示。與傳統(tǒng)的絕緣柵雙極型晶體管結(jié)構(gòu)相比較，最大的不同是在背面的P+集電極區(qū)12上又增加了一個N+集電極區(qū)11。當(dāng)陽極短路的絕緣柵雙極型晶體管關(guān)斷時，N-基區(qū)的非平衡載流子可以從N+集電極區(qū)快速退出，使得器件可以快速關(guān)斷。但是，在另一方面，由于N+集電極區(qū)的存在，使得器件在正向?qū)〞r，P+集電極非平衡載流子的注入效率有所降低，這導(dǎo)致進入N-基區(qū)的非平衡載注子數(shù)量會有所減少，這導(dǎo)致器件的電導(dǎo)調(diào)制作用降低，器件的導(dǎo)通壓降與傳統(tǒng)絕緣柵雙極型晶體管相比有所升高。由此看出，導(dǎo)通壓降與關(guān)斷時間這兩個器件性能參數(shù)之間存在著矛盾，需要折衷考慮。在絕緣柵雙極型晶體管中，導(dǎo)通壓降與關(guān)斷時間很大程度上需要依靠調(diào)節(jié)集電極的注入效率來決定，較低的陽極注入效率當(dāng)然可以導(dǎo)致較低的關(guān)斷時間和較小的關(guān)斷損耗，但是導(dǎo)通壓降卻要上升，由此導(dǎo)致導(dǎo)通的損耗增加。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明為了克服現(xiàn)有的傳統(tǒng)絕緣柵雙極型晶體管導(dǎo)通壓降低但開關(guān)時間長，而陽極短路型絕緣柵雙極型晶體管雖然開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降高的問題，提供一種快速開關(guān)的絕緣柵雙極型晶體管，在導(dǎo)通壓降和開關(guān)時間上有很好的折衷。
[0006]為了實現(xiàn)上述的目的，本發(fā)明提供了一種快速開關(guān)的絕緣柵雙極型晶體管，它包括N-基區(qū)、P+基區(qū)、N+發(fā)射極區(qū)、發(fā)射極、柵氧化層、柵電極、N型緩沖層、P+集電極區(qū)、薄二氧化硅層、N型多晶硅區(qū)和金屬集電極，其特征在于:P+基區(qū)、N+發(fā)射極區(qū)、發(fā)射極、柵氧化層與柵電極在N-基區(qū)的一側(cè)，N型緩沖層、P+集電極區(qū)、薄二氧化硅層、N型多晶硅區(qū)和金屬集電極在N-基區(qū)的另一側(cè);所述的N型緩沖層與P+集電極區(qū)向遠(yuǎn)離N-基區(qū)方向依次層疊;所述的薄二氧化硅層與N型多晶硅區(qū)由P+集電極區(qū)向遠(yuǎn)離N型緩沖層方向依次層疊組成一個多晶硅發(fā)射極區(qū)，且此多晶硅發(fā)射極區(qū)未完全覆蓋P+集電極區(qū)；所述的N型緩沖層與N型多晶硅區(qū)的摻雜類型均為N型摻雜，P+集電極區(qū)為P型摻雜;N型緩沖層、P+集電極區(qū)與N型多晶硅區(qū)的摻雜濃度依次增加;所述的金屬集電極覆蓋在N型多晶硅區(qū)和P+集電極區(qū)之上。
[0007]所述的N-基區(qū)為低摻雜濃度的區(qū)域，其厚度和摻雜濃度由正向擊穿電壓決定，正向擊穿電壓與厚度正相關(guān)，與摻雜濃度負(fù)相關(guān)。如正向擊穿電壓為1200V的絕緣柵雙極型晶體管，其N-基區(qū)的厚度在70 -120 μπι之間，而摻雜濃度在5 X 113 cm—3?2 X 1014cm—3之間。
[0008]所述的N型緩沖層在N-基區(qū)和P+集電極區(qū)之間，其摻雜濃度低，不利于在器件正向阻斷時，反向電場在此N型緩沖層截止，從而導(dǎo)致器件正向擊穿電壓降低，但濃度摻雜濃度太高，則會使集電極注入的非平衡載流子被大量復(fù)合，不利于N-基區(qū)的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，因此N型緩沖層的摻雜濃度優(yōu)選為I X 114 cm—3?I X 1017cm—3之間，N型緩沖層的厚度太厚，會使導(dǎo)通壓降升高，太薄則可能會在器件正向阻斷時，被空間電荷區(qū)不能在N型緩沖層上截止，導(dǎo)致器件正向擊穿電壓降低，因此N型緩沖層的厚度優(yōu)選為I?6μπι。
[0009]所述的P+集電極區(qū)在N型緩沖層遠(yuǎn)離N-基區(qū)的另一側(cè)，其摻雜濃度和厚度決定了器件在，P+集電極區(qū)的摻雜濃度與厚度越高，則正向工作時注入N-基區(qū)的非平衡載流子就越多，這樣電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)就越好，器件導(dǎo)通壓降會降低，但是在器件關(guān)斷時所需要抽出的非平衡載流子會越多，導(dǎo)致器件關(guān)斷時間上升，因此所述的P+集電極區(qū)的摻雜濃度優(yōu)選為5Χ116 cm—3?IXlO19 cm—3之間，所述的P+集電極區(qū)的厚度優(yōu)選為0.5?2 μπι。。
[0010]所述的薄二氧化硅層生長在P+集電極區(qū)與N型多晶硅區(qū)之間，薄二氧化硅層與在其上面淀積的N型高摻雜多晶硅一起形成一個多晶硅發(fā)射區(qū)，成為由N型緩沖層、P+集電極區(qū)與多晶硅發(fā)射區(qū)組成的一個NPN三極管發(fā)射極，薄二氧化硅層的存在可以改善NPN三極管的電流增益。所述的薄二氧化硅層的厚度優(yōu)選為>15 A0
[0011]所述的N型多晶硅區(qū)的摻雜濃度必須高于P+集電極區(qū)的摻雜濃度，其兩者的濃度比與組成的NPN三極管的電流增益呈正相關(guān)性。因此所述的N型多晶硅區(qū)的摻雜濃度優(yōu)選為IXlO19 cm—3?I X 121 cm—3之間，所述的N型多晶硅區(qū)的厚度優(yōu)選為500~3000 A。
[0012]所述的薄二氧化硅層和N型多晶硅區(qū)組成的多晶硅發(fā)射極區(qū)沒有完全覆蓋住P+集電極區(qū)，留出的窗口面積占窗口面積與多晶硅發(fā)射極區(qū)面積之和的大小決定了器件在正向?qū)〞r，非平衡載流子注入N-基區(qū)的多少。如果留出的窗口減小，這可以提升器件的關(guān)斷時間，但較小的窗口哈我得P+集電極區(qū)注入N-基區(qū)的非平衡載流子數(shù)量會下降，這會使器件的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)下降，從而使器件的導(dǎo)通壓降升高，因此P+集電極區(qū)所占面積優(yōu)選為25%?85%之間。
[0013]所述的N型緩沖層、P+集電極區(qū)與N型多晶硅區(qū)的摻雜濃度依次增加，N型緩沖層、P+集電極區(qū)與多晶硅發(fā)射極構(gòu)成了一個NPN型三極管。在器件關(guān)斷過程中，這個帶有多晶硅發(fā)射極的NPN型三極管會成為非平衡載流子的快速通道，可以把N-基區(qū)的非平衡載流子快速地抽出，從而使得器件可以迅速關(guān)斷。
【附圖說明】
[0014]圖1所示為陽極短路型絕緣柵雙極型晶體管的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖2所示為本發(fā)明提供的一種快速開關(guān)的絕緣柵雙極型晶體管的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖3所示為本發(fā)明提供的一種快速開關(guān)的絕緣柵雙極型晶體管與陽極短路型絕緣柵雙極型晶體管的導(dǎo)通壓降與關(guān)斷時間的折衷比較仿真結(jié)果圖。
【具體實施方式】
[0017]如圖2所示，本實施例提供的絕緣柵雙極型晶體管，包括:N-基區(qū)24、P+基區(qū)29、N+發(fā)射極區(qū)27、發(fā)射極28、柵氧化層25、柵電極26、N型緩沖層23、P+集電極區(qū)22、薄二氧化硅層21、N型多晶硅區(qū)20和金屬集電極30，其特