一种具有高温自保护功能的igbt器件的制作方法

文档序号:7106580阅读:223来源:国知局
专利名称:一种具有高温自保护功能的igbt器件的制作方法
技术领域
本发明属于功率半导体器件技术领域,涉及绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的结构及其制备方法。
背景技术
绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是一种新型的功率半导体器件。它既具有MOSFET的输入阻抗高、驱动功率小、驱动电路简单、开关速度高的优点,又具有双极晶体管的电流密度大、饱和压降低、电流处理能力强的优点。因此,IGBT具有高压、大电流。高速的三大特点,这是其他功率器件所不能比拟的。IGBT作为功率开关管或功率输出管广泛应用于电磁炉、UPS不间断电源、汽车电子点火器、三相电动机变频器、电焊机开关电源等产品中,现已成为电力电子领域的主流产品之一。 在IGBT的应用中,通常采用多颗IGBT器件并联工作,以提高整个电力电子设备的电流等级,进而提高整个电力电子设备的功率等级。在并联应用中,希望IGBT器件的正向压降具有负的温度系数,即随着温度的升高,IGBT的正向压降增大,避免温度进一步增加,使器件因过热而失效。在IGBT的发展过程中,首先出现的PT (穿通型)IGBT的正向压降是正的温度系数,不宜并联使用。现阶段广泛应用的NPT (非穿通型)和FS (场终止型)IGBT的正向导通压降已经具有负的温度系数,但随着IGBT技术的不断发展,IGBT的功率级别越来越高,在应用中所产生的热量也越来越大,所以需要对IGBT正向压降的的负温度系数进行优化,实现IGBT器件高温下的自我保护。

发明内容
本发明的目的是提供一种具有高温自保护功能的IGBT器件,在不影响器件正向导通特性的前提下,优化器件正向导通压降的负温度系数,延长器件使用寿命。本发明的核心思想是在传统绝IGBT的P型基区5中靠近多晶硅栅电极10的沟道区A中引入带有受主能级的深能级杂质12,这些深能级杂质12在常温下电离率比较低,对器件的阈值电压影响非常小。当器件工作在大电流下,器件温度升高,上述深能级杂质12的电离率将得到大幅提高,相当于提高了 P型基区5的有效掺杂水平,使器件的阈值电压大幅提高,从而降低IGBT器件的饱和电流值,加之器件的正向导通压降的负温度系数,在双重机理的作用下达到对IGBT器件的正向导通压降的负温度系数进一步优化的目的。避免器件因为自身产生的热损耗导致的温度过高而失效,从而使得器件具有高温自我保护的功倉泛。本发明技术方案如下—种具有高温自保护功能的IGBT器件,其基本结构如图2、3所示,包括金属化集电极1、P型集电区2、N+缓冲层3、N_漂移区4、P+体区6、P、N+源区7、二氧化硅栅氧化层8、多晶硅栅电极9、二氧化硅场氧化层10、金属化发射极11 ;金属化集电极I位于P型集电区2的背面,N+缓冲层3位于P型集电区2的正面,且上方同N_漂移区4相连-X源区7和P+体区6 二者并排位于金属化发射极12下方、且与金属化发射极12相连,其中P+体区6下方与N_漂移区4直接相连,N+源区7同N_漂移区4之间隔着P型基区5 ;N_漂移区4、P型基区5和N+源区7三者与多晶硅栅电极9之间隔着二氧化硅栅氧化层8,多晶硅栅电极9与金属化发射极11之间隔着二氧化硅场氧化层10 ;所述P型基区5中引入了带有受主能级的深能级杂质12。在上述方案中所 述深能级杂质12的杂质能级应位于导带底以下0. 15eV,以保证在常温下深能级施主杂质的电离率非常低,对器件常温下的阈值电压影响很小;所述带有受主能级的深能级杂质12可以带有一个受主能级或多个受主能级,可以是铟(In)、钛(Ti)、铍(Be)、锌(Zn)或镍(Ni);所述二氧化硅栅氧化层8和多晶硅栅电极9构成的栅极结构可以是平面栅结构(如图2所示),也可以是沟槽栅结构(如图3所示)。本发明的工作原理下面结合图2说明本发明的工作原理,传统IGBT器件的阈值电压表达式为Vt = ¢(^ --p2^+ ( ^ 一 + 2^Fp,其中 4>(;s=-4)p()ly-sili_-4)Fp 是多晶娃栅电极和娃衬底的
^OX^OX
功函数差,Qra是栅氧化层内的有效电荷面密度,Cra=^xZXx代表单位面积的栅氧化层电
容,e 和Tox分别代表栅氧化层的介电常数和厚度,(是p型基区5的费米
势,Na是P型基区5的掺杂浓度。从上面式子中可以看到,当P型基区5的掺杂浓度Na增大后,阈值电压是增大的。如果在P型基区5中引入受主深能级杂质,为使其对器件常温下的阈值电压影响较小,杂质能级至少位于导带底以下0. 15eV。当器件开启后,由于器件的功耗很大,器件温度升高,硅的禁带宽度变窄,此时P型基区5中引入的深能级施主杂质12的能级距离导带底的距离减小,电离率将大大增加,电离的深能级施主杂质与P型基区5的浅能级施主杂质相累加,相当于增加了 P型基区5的掺杂水平。所以可以得到关系W Vt - NP(T)=NA+Cion(T) ~T,其中Cim(T)是已经电离的受主深能级杂质,且随着引入深能级杂质12的浓度越高,Cion(T) - T的系数越大。图5是利用仿真工具MEDICI仿真得到本发明提供的IGBT结构的阈值电压随着温度的升高而增大的仿真结果。从中可以看出,398K下的阈值电压度数约为7. 25V,而298K下的阈值电压度数则约为3. 9V,这也验证了新结构IGBT阈值电压随温度的增加而增加的趋势。而IGBT器件MOS部分的饱和电流是
Id =z^ ox (^,s ) 1 ; VGS-VT的平方成正比。且FS型和NPT型IGBT的正向导通压降
本身也是负的温度系数。在此双重机理的作用下,当温度升高时,IGBT器件MOS部分的饱和电流会下降,器件的功耗下降,产生的热损耗也下降,达到防止温度继续升高的目的,使器件实现高温自我保护的效果。


图I是传统IGBT的剖面结构示意图。其中,I是金属化集电极、2是P型集电区、3是N+缓冲层、4是N_漂移区、5是P型基区、6是P+体区、7是N+源区、8是二氧化硅栅氧化层、9是多晶硅栅电极、10是二氧化硅场氧化层、11是金属化发射极。
图2是本发明提供的一种引入深能级杂质的IGBT器件(平面栅)的结构示意图。其中,I是金属化集电极、2是P型集电区、3是N+缓冲层、4是N_型漂移区、5是P型基区、6是P+体区、7是N+源区、8是二氧化硅栅氧化层、9是多晶硅栅电极、10是二氧化硅场氧化层、11是金属化发射极、12是引入的深能级杂质、A是沟道区。图3是本发明提供的另一种引入深能级杂质的IGBT器件(沟槽栅)的结构示意图。其中,I是金属化集电极、2是P型集电区、3是N+缓冲层、4是N_漂移区、5是P型基区、6是P+体区、7是N+源区、8是二氧化硅栅氧化层、9是多晶硅栅电极、11是金属化发射极、12是引入的深能级杂质。图4是本发明提供的一种引入深能级杂质方法示意图,利用多晶硅栅电极的掩蔽作用,采用斜角注入的方式引入深能级杂质。其中,I是金属化集电极、2是P型集电区、3是N+缓冲层、4是N_漂移区、5是P型 基区、8是二氧化硅栅氧化层、9是多晶硅栅电极。图5是利用仿真工具MEDICI仿真得到本发明提供的IGBT器件的阈值电压随着温度的升高而增大的仿真结果。
具体实施例方式一种具有高温自保护功能的IGBT器件,其基本结构如图2、3所示,包括金属化集电极1、P型集电区2、N+缓冲层3、N_漂移区4、P+体区6、P、N+源区7、二氧化硅栅氧化层8、多晶硅栅电极9、二氧化硅场氧化层10、金属化发射极11 ;金属化集电极I位于P型集电区2的背面,N+缓冲层3位于P型集电区2的正面,且上方同N_漂移区4相连-X源区7和P+体区6 二者并排位于金属化发射极12下方、且与金属化发射极12相连,其中P+体区6下方与N_漂移区4直接相连,N+源区7同N_漂移区4之间隔着P型基区5 ;N_漂移区4、P型基区5和N+源区7三者与多晶硅栅电极9之间隔着二氧化硅栅氧化层8,多晶硅栅电极9与金属化发射极11之间隔着二氧化硅场氧化层10 ;所述P型基区5中引入了带有受主能级的深能级杂质12。在上述方案中所述深能级杂质12的杂质能级应位于导带底以下0. 15eV,以保证在常温下深能级施主杂质的电离率非常低,对器件常温下的阈值电压影响很小;所述带有受主能级的深能级杂质12可以带有一个受主能级或多个受主能级,可以是铟(In)、钛(Ti)、铍(Be)、锌(Zn)或镍(Ni);所述二氧化硅栅氧化层8和多晶硅栅电极9构成的栅极结构可以是平面栅结构(如图2所示),也可以是沟槽栅结构(如图3所示)。制作器件时还可以使用碳化硅、砷化镓、磷化铟或鍺硅半导体材料代替体硅半导体材料。器件制备时,其一种方案主要工艺步骤包括选取N型〈100〉晶向区熔单晶沉底、背面N+缓冲层离子注入及推阱、正面生长栅氧化层、淀积多晶硅栅,光刻多晶硅形成栅电极、P型基区离子注入、深能级杂质注入、推阱、P+体区离子注入、再次推阱、N+离子源区注入、淀积BPSG、刻蚀引线接触孔、淀积金属铝、金属曝光刻蚀、背面P型集电区注入及推阱、背面金属化、钝化等。上述实施方案中所述深能级杂质的引入方式可以是单独使用一张掩膜版进行离子注入或扩散,也可以通过多晶硅栅的掩蔽作用进行斜角注入,与P型体区一同推阱从而不增加额外的掩膜版(如图4所示)。另一种实施方案是选取N型〈110〉晶向区熔单晶沉底、背面N+缓冲层注入及推阱、P型基区离子注入及推阱、淀积氮化硅掩膜版、N+源区离子注入、高能深能级杂质注入、推阱、去刻蚀沟槽、去掩膜版、牺牲氧化层、生长栅氧、淀积多晶硅(多晶硅填充沟槽)、光刻多晶硅形成栅电极、P+体区离子注入、再次推阱、淀积BPSG、刻蚀引线接触孔、淀积金属铝、金属曝光刻蚀、背面P型集电区注入及推阱、背面金属化、钝化等(如图3所示)。在实施过程中可以根据具体情况,在基本结构不变的情况下,进行一定的变通设 计。
权利要求
1.一种具有高温自保护功能的IGBT器件,包括金属化集电极(I)、P型集电区(2)、N+缓冲层(3)、N_漂移区(4)、P+体区(6)、P型基区(5)、N+源区(7)、二氧化硅栅氧化层(8)、多晶硅栅电极(9)、二氧化硅场氧化层(10)、金属化发射极(11);金属化集电极(I)位于P型集电区(2)的背面,N+缓冲层(3)位于P型集电区(2)的正面,且上方同N_漂移区(4)相连;N+源区(7)和P+体区(6)二者并排位于金属化发射极(12)下方、且与金属化发射极(12)相连,其中P+体区(6)下方与N_漂移区(4)直接相连,N+源区(7)同漂移区(4)之间隔着P型基区(5) ;N_漂移区(4)、P型基区(5)和N+源区(7)三者与多晶硅栅电极(9)之间隔着二氧化硅栅氧化层(8),多晶硅栅电极(9)与金属化发射极(11)之间隔着二氧化硅场氧化层(10);其特征在于,所述P型基区(5)中引入了带有受主能级的深能级杂质(12)。
2.根据权利要求I所述的具有高温自保护功能的IGBT器件,其特征在于,所述深能级杂质(12)的杂质能级位于导带底以下0. 15eV。
3.根据权利要求I所述的具有高温自保护功能的IGBT器件,其特征在于,所述深能级杂质(12)为铟、钛、铍、锌或镍。
4.根据权利要求I所述的具有高温自保护功能的IGBT器件,其特征在于,所述深能级杂质(12)通过离子注入并推阱的方式引入到P型基区(5)中,或通过杂质扩散的方式引入到P型基区(5)中。
5.根据权利要求I所述的具有高温自保护功能的IGBT器件,其特征在于,所述二氧化硅栅氧化层(8)和多晶硅栅电极(9)构成的栅极结构是平面栅结构或沟槽栅结构。
6.根据权利要求I所述的具有高温自保护功能的IGBT器件,其特征在于,所述绝缘栅双极型晶体管半导体材料采用体硅、碳化硅、砷化镓、磷化铟或鍺硅半导体材料。
全文摘要
一种具有高温自保护功能的IGBT器件,属于功率半导体器件技术领域。本发明是在传统IGBT器件的P型基区(5)中靠近多晶硅栅电极(9)的沟道区(A)中引入带有受主能级的深能级杂质(12),这些深能级杂质(12)在常温下电离率比较低,对器件的阈值电压影响非常小。当器件工作在大电流下,器件温度升高,上述深能级杂质(12)的电离率将得到大幅提高,相当于提高了P型基区(5)的有效掺杂水平,使器件的阈值电压大幅提高,降低IGBT器件的饱和电流值,加之器件的正向导通压降的负温度系数,在双重机理的作用下达到对IGBT器件的正向导通压降的负温度系数进一步优化的目的。避免器件因为自身产生的热损耗导致的温度过高而失效,从而使得器件具有高温自我保护的功能。
文档编号H01L29/739GK102800697SQ201210303840
公开日2012年11月28日 申请日期2012年8月24日 优先权日2012年8月24日
发明者李泽宏, 赵起越, 夏小军, 任敏, 张金平, 张波 申请人:电子科技大学
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