超级结绝缘栅双极型晶体管的制作方法

1.本发明特别涉及一种超级结绝缘栅双极型晶体管，属于晶体管技术领域。


背景技术：

2.超级结igbt作为新一代高速igbt设计技术，其优异的电学性能已经获得实验验证。本案发明人提供的一种超级结igbt的器件结构图1所示，其中，1是p-集电区，2是n-漂移区，3是p型超级结区，4是外延层，5是栅氧化层，6是栅极，7是p阱区，8是n+发射极，9是介质层，10是发射极金属，11是p+集电极，12是集电极金属，受制于双极性器件电导调制效应，超级结igbt在关断过程中存在电流拖尾问题，而电流拖尾会导致器件具有较大的关断能量损耗。


技术实现要素：

3.本发明的主要目的在于提供一种超级结绝缘栅双极型晶体管，从而克服现有技术中的不足。
4.为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
5.本发明实施例提供了一种超级结绝缘栅双极型晶体管，包括沿第一方向依次设置的集电极、集电区、漂移区、外延层、阱区和发射极，以及，栅极和超级结区，所述栅极设置在所述阱区和外延层内，
6.所述漂移区具有沿第一方向依次设置的第一区域和第二区域，所述第二区域位于所述第一区域与集电区之间，其中，所述超级结区设置在所述第一区域，所述第二区域设置有离子注入区，所述离子注入区能够调控所述第二区域的少子寿命，且所述离子注入区与所述超级结区、集电区无直接接触。
7.与现有技术相比，本发明实施例提供的一种超级结绝缘栅双极型晶体管，通过氢注入工艺对超级结区下方的区域进行少子寿命调控，降低了少数载流子存储效应，从而降低超结igbt关断过程中的电流拖尾、加速了器件的关断过程，最终实现了降低关断损耗的目的。
附图说明
8.图1是本案发明人提供的一种现有超级结igbt的器件的结构示意图；
9.图2是本案发明对igbt关断拖尾的载流子分布的分析测试结果；
10.图3是本发明实施例1中提供的一种超级结绝缘栅双极型晶体管的结构示意图；
11.图4是本发明实施例2中提供的一种超级结绝缘栅双极型晶体管的结构示意图；
12.图5是本发明实施例3中提供的一种超级结绝缘栅双极型晶体管的结构示意图。
具体实施方式
13.鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的
技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
14.本发明实施例中设计的术语解释：
15.gtr：电力晶体管按英文giant transistor
‑‑
gtr，是一种耐高电压、大电流的双极结型晶体管(bipolar junction transistor-bjt)，所以有时也称为power bjt；但其驱动电路复杂，驱动功率大。
16.mosfet：金属-氧化物半导体场效应晶体管，简称金氧半场效晶体管(metal-oxide-semiconductorfield-effect transistor，mosfet)是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管(field-effect transistor)。mosfet依照其
″
通道
″
(工作载流子)的极性不同，可分为
″
n型
″
与
″
p型
″
的两种类型，通常又称为nmosfet与pmosfet。
17.igbt：绝缘栅双极型晶体管((insulated gate bipolar transistor))，是由bjt(双极型三极管)和mos(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有mosfet的高输入阻抗和gtr的低导通压降两方面的优点。
18.gtr饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；mosfet驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。igbt综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600v及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。
19.本发明实施例提供了一种超级结绝缘栅双极型晶体管，包括沿第一方向依次设置的集电极、集电区、漂移区、外延层、阱区和发射极，以及，栅极和超级结区，所述栅极设置在所述阱区和外延层内，
20.所述漂移区具有沿第一方向依次设置的第一区域和第二区域，所述第二区域位于所述第一区域与集电区之间，其中，所述超级结区设置在所述第一区域，所述第二区域设置有离子注入区，所述离子注入区能够调控所述第二区域的少子寿命，且所述离子注入区与所述超级结区、集电区无直接接触。
21.在一具体实施方式中，所述离子注入区为通过对所述漂移区进行氢离子注入后形成的，所述离子注入区的掺杂浓度大于所述漂移区的掺杂浓度。
22.在一具体实施方式中，所述离子注入区的氢掺杂浓度为1e16-1e18，经测试发现，在该掺杂浓度条件下可以实现对漂移区内超级结下方区域进行少数载流子寿命控制(即前述的少子寿命)，而若掺杂浓度过大或过小则不利于进行少数载流子寿命控制。
23.在一具体实施方式中，所述离子注入区于第一方向上的厚度为(0.2-0.8)h，h为所述超级结区与集电区于第一方向上的垂直距离。
24.在一具体实施方式中，所述离子注入区与超级结区于第一方向上的垂直距离为(0.1-0.4)h，优选为0.25h。
25.在一具体实施方式中，所述漂移区内设置有多个超级结区，多个所述超级结区于第二方向上间隔设置，所述离子注入区至少对应设置在所述超级结区于第一方向上的第一正投影区域，和/或，所述离子注入区对应设置在多个超级结区之间的间隙于第一方向上的第二正投影区域，所述第二方向与第一方向呈角度设置。
26.在一具体实施方式中，所述漂移区内设置有一个离子注入区，所述离子注入区连续设置在所述第一正投影区域和第二正投影区域。
27.在一具体实施方式中，所述漂移区内设置有多个离子注入区，多个所述离子注入
区沿第二方向间隔设置，其中，多个所述离子注入区均设置在所述第一正投影区域，每一离子注入区与一超级结区相对应，或者，多个所述离子注入区均设置在所述第二正投影区域，每一离子注入区与相邻两个超级结区之间的间隙相对应，或者，多个所述离子注入区中的部分设置在所述第一正投影区域，其余部分设置在所述第二正投影区域。
28.在一具体实施方式中，相邻两个所述离子注入区于第二方向上的最小间距为0.1h，最大间距为5h。
29.在一具体实施方式中，多个所述离子注入区于第二方向上等间距设置。
30.在一具体实施方式中，所述离子注入区完全被所述漂移区包围。
31.在一具体实施方式中，所述集电区、超级结区、阱区均为第一导电类型，所述漂移区、发射极均为第二导电类型。
32.如下将结合附图以及具体实施案例对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明，除非特别说明的之外，本发明实施例中所采用的离子注入的工艺、测试方法、测试设备等均可以采用本领域技术人员已知的，在此不做具体的限定。
33.igbt在关断过程中存在明显的拖尾电流，经tcad仿真测试分析发现，如图2所示，这主要与超级结区下方区域的少数载流子(空穴)的存储电荷相关，本发明通过氢注入工艺对超级结区下方区域进行少子寿命调控，降低了少数载流子存储效应，从而加速了器件的关断过程。
34.实施例1
35.请参阅图3，一种超级结绝缘栅双极型晶体管，包括沿第一方向依次设置的集电极金属12、p+集电极11、p-集电区1、n-漂移区2、二次外延层4、p阱区7和发射极金属10；以及，
36.p型超级结区3、栅极6和n+发射极8，所述p型超级结区3设置在n-漂移区2内，所述栅极6设置在所述p阱区7和二次外延层4内，所述n+发射极8设置在p阱区7内，所述n+发射极8环绕所述栅极6设置，并且，所述栅极6与二次外延层4、p阱区7、n+发射极8之间还设置有栅氧化层5，所述发射极金属10与栅极6之间还设置有介质层9，所述发射极金属10与所述n+发射极8连接，其中，所述第一方向可以是器件的纵向方向。
37.需要说明的是，本实施例中集电极金属12、p+集电极11、p-集电区1、n-漂移区2、二次外延层4、p阱区7、发射极金属10、p型超级结区3、栅极6和n+发射极8的材质以及尺寸等均可以采用本领域技术人员已知的，在此不对其做限定的限定。
38.在本实施例中，所述n-漂移区2具有沿第一方向依次设置的第一区域和第二区域，所述第二区域位于所述第一区域与p-集电区1之间，其中，所述p型超级结区3设置在所述第一区域，所述第二区域设置有离子注入区13，所述离子注入区13能够调控所述第二区域的少子寿命，从而降低超结igbt关断过程中的电流拖尾，最终实现降低关断损耗的目的。
39.在本实施例中，所述离子注入区13为通过对所述n-漂移区2进行氢离子注入后形成的，所述离子注入区13的掺杂浓度大于所述n-漂移区2的掺杂浓度，且所述离子注入区13的氢掺杂浓度为1e16-1e18。
40.需要说明的是，当器件正向导通时，器件底部集电极的空穴会通过离子注入区13注入到n-漂移区2，由于离子注入区13的掺杂浓度高于n-漂移区2，从而会形成电子富集区，当空穴穿过离子注入区13时，空穴对其产生的复合作用会降低空穴注入浓度，进而实现对少数载流子空穴寿命的调控作用；因此，为了实现离子注入区13调控p型超级结区下方区域
的少子寿命，需要将离子注入区13的氢掺杂浓度为1e16-1e18；当器件由通态关断时，n-漂移区2的空穴将被移除，从而产生拖尾电流，相比于传统结构，离子注入区13的引入，使得空穴总量减少，从而有效降低拖尾电流，
41.在本实施例中，所述n-漂移区2的第一区域设置有多个p型超级结区3，多个p型超级结区3沿第二方向间隔设置，所述n-漂移区2的第二区域设置有多个离子注入区13，多个所述离子注入区13沿第二方向间隔设置，每一离子注入区13对应设置在一p型超级结区3的下方，即每一离子注入区13对应设置所述p型超级结区3于第一方向上的第一正投影区域内，其中，所述第二方向可以是器件的横向方向，所述第二方向与第一方向垂直。
42.在本实施例中，所述离子注入区13与所述p型超级结区3、p-集电区1无直接接触，可以理解为，每一所述离子注入区13均为完全被n-漂移区2的孤岛结构。
43.在本实施例中，所述离子注入区13于第一方向上的厚度为(0.2-0.8)h，所述离子注入区13与p型超级结区3于第一方向上的垂直距离为0.1-0.4h，h为所述p型超级结区3与p-集电区1于第一方向上的垂直距离，通过如此设置，能够更好的实现p型超级结区下方区域的少子寿命。
44.在本实施例中，多个所述离子注入区13沿第二方向等间距设置，相邻两个离子注入区13沿第二方向上的间距为0.5h。
45.实施例2
46.请参阅图4，实施例2中的一种超级结绝缘栅双极型晶体管的结构与实施例1中的器件结构基本相同，不同之处在于：本实施例中的离子注入区13对应设置在多个p型超级结区3之间的间隙的下方，即所述离子注入区13对应设置在多个p型超级结区3之间的间隙于第一方向上的第二正投影区域。
47.实施例3
48.请参阅图5，实施例3中的一种超级结绝缘栅双极型晶体管的结构与实施例1或2中的器件结构基本相同，不同之处在于：本实施例中的多个离子注入区13中的部分对应设置在p型超级结区3的下方，部分对应设置在多个p型超级结区3之间的间隙的下方，即多个所述离子注入区13中的部分对应设置在所述p型超级结区3于第一方向上的第一正投影区域内，部分对应设置在多个p型超级结区3之间的间隙于第一方向上的第二正投影区域。
49.实施例4
50.实施例4中的一种超级结绝缘栅双极型晶体管的结构与实施例1或实施例2或实施例3中的器件结构基本相同，不同之处在于：
51.在本实施例中，多个所述离子注入区13在第二方向上非等间距设置的，相邻两个离子注入区13在第二方向上的最小间距为0.1h，最大间距为5h。
52.实施例5
53.实施例5中的一种超级结绝缘栅双极型晶体管的结构与实施例1中的器件结构基本相同，不同之处在于：本实施例中的n-漂移区2的第二区域设置有一个离子注入区13，所述离子注入区13沿第二方向连续延伸，该一个离子注入区13对应设置在多个p型超级结区3以及多个p型超级结区3之间间隙的下方。
54.分别对实施例1-实施例5中的器件进行测试，测试结果表明，实施例1重点调控p型超结区域3正下方的少数载流子浓度，能过够适当改善器件拖尾电流特性；实施例2重点调
控p型超级结区3之间的间隙的下方的少数载流子浓度，由于该部分少数载流子存贮直接影响拖尾电流，该方案较之实施例1，具有更优良的拖尾电流抑制效果；实施例3采取统一调控超级结区下方的少数载流子浓度，拖尾电力减弱效果介于实施例1和实施例2的效果之间，器件导通特性与开关特性具有较好的折中效果；实施例4针对特性区域进行少数载流子浓度优化，器件的拖尾电流优化效果优于实施例3中的器件效果，且能够实现导通特性与开关特性的最佳折中；实施例5针对超结下方区域进行统一化优化，在工艺实施阶段具有优势，其拖尾电流优化效果仅优于实施例1，而弱于实施例2-4中的器件。
55.对比例1
56.请参阅图1，一种超级结绝缘栅双极型晶体管，包括沿第一方向依次设置的集电极金属12、p+集电极11、p-集电区1、n-漂移区2、二次外延层4、p阱区7和发射极金属10；以及，
57.p型超级结区3、栅极6和n+发射极8，所述p型超级结区3设置在n-漂移区2内，所述栅极6设置在所述p阱区7和二次外延层4内，所述n+发射极8设置在p阱区7内，所述n+发射极8环绕所述栅极6设置，并且，所述栅极6与二次外延层4、p阱区7、n+发射极8之间还设置有栅氧化层5，所述发射极金属10与栅极6之间还设置有介质层9，所述发射极金属10与所述n+发射极8连接，其中，所述第一方向可以是器件的纵向方向。
58.对比例2
59.对比例2中的一种超级结绝缘栅双极型晶体管的结构与实施例1中的器件结构基本相同，不同之处在于：对比例2中的离子注入区13与p型超级结区3连接，经测试发现，离子注入区13与p型超级结区3连接会限制器件内的电流路径，影响器件的通流能力。
60.对比例3
61.对比例3中的一种超级结绝缘栅双极型晶体管的结构与实施例1中的器件结构基本相同，不同之处在于：对比例3中的离子注入区13与p-集电区1连接，经测试发现，离子注入区13与p-集电区1连接会限制器件内的电流路径，影响器件的通流能力。
62.分别对对比例1-3中的器件进行测试，测试结果表明，对比例1-3对于器件通态模式下的电流路径会存在明显的限制，尽管可以起到一定的降低拖尾电流的效果，但是器件导通特性都出现了严重退化。
63.应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。