专利名称：隧道泵高速绝缘栅双极晶体管的制作方法
技术领域：
本实用新型属半导体器件领域，特别是一种功率器件。
众所周知，大功率和高频率是功率器件发展的两个方向，而功率器件中导通电阻Ron与耐压VB和正向压降VF与瞬态关断时间Toff的两个基本矛盾限制了它们的发展。近年来发明的绝缘栅双极晶体管(IGBT)是电导调制型功率器件的代表，其单元结构示意图如图1。它利用电导调制效应的原理，降低了VF，即可降低Ron从而较好也克服了Ron与VB的第一对矛盾。因此IGBT具有输入阻抗高、无二次击穿，低VF等优点，成为目前国内外耐压在1500V以内广泛使用的新型功率晶体管的主流器件。但IGBT的一个最突出的弱点是开关速度低(其值仅在20KHz左右)。影响开关特性的最主要因素是关断时间Toff，人们为此进行了一系列的工作，目前主要采用寿命控制技术，例如利用电子辐照或中子辐照来降低少数载流子的寿命以使关断时间Toff下降，或再辅以结构上的变化；在P+阳极与N-漂移区间增加N+缓冲层；或优化N-与N+层的厚度与浓度；或优化元胞(Cell)图形，减小沟道长度及元胞间距等来降低开关时间，但这都会使电导调制作用减弱，导致正向压降VF增加，特别当Toff低于0.5μs时，VF将急剧上升，而且还受到工艺的限制。因此，高速度与低损耗即上述第二对矛盾便成为IGBT的主要矛盾；另外在IGBT制作上还存在一个问题，它的衬底材料采用P+/N-异性高阻硅厚外延片，这不仅加工困难，而且生产成本高(进口1片厚度为100μm的3英寸片约需800元左右，而目前国内生产的外延片质量尚不能完全满足要求)，加之外延层不可能做得太厚，因而难于制作耐压层大于2000V的器件。其后，日本东芝公司1986年利用硅片直接键合(Silicon-wafer Di-rect Bonding简称SDB)材料取代异性高阻硅厚外延片作为衬底，制作高压IGBT，但其速度仍较低；1992年德国西门子公司报道了一种利用硅单晶背面注入制作耐压为2000伏的IGBT的新方法，但其关断时间仍然很长，且其背面注入需采用激光退火方式，因而成本贵效率低；特别是，这种方法对中等耐压的IGBT则会因N-单晶层太薄，难于加工(如耐压1200伏，单晶厚度约为100微米)而不宜采用。
针对目前IGBT存在的上述两大问题，本实用新型的任务在于设计一种新结构的IGBT，使之既能克服常规lGBT速度低的主要矛盾，实现高速度和低损耗，又能在全耐压范围(从几百伏到大于2000V)内工作，且制作工艺简单、成本低，以满足各类用户对高速、高耐压IGBT的急需。
本实用新型是一种隧道泵高速绝缘栅双极晶体管(TIGBT)，其单元结构示意图如图2。它采用含有隧道泵的硅片直接键合(SDB)材料代替常规的异性高阻硅厚外延片作为衬底10，该SDB衬底10的下部为P型硅高浓度区(P+)9，上部为n型硅低浓度区(N-)6，在上、下部之间有由多个高浓度的P+7/N+8/P+7相间区域组成的一个层，其中的N+区8与四周的P+区7和下部的P+区9组成复合隧道结，该隧道结尤如一个电荷泵，在器件关断时为非平衡电子提供快速释放通道，从而降低了关断时间Toff，提高了IGBT的开关速度，减少了损耗。该隧道结的N+区8和四周P+区7在垂直于电流方向上的面积之比为K值，K值的大小将影响关断时间Toff与正向压降VF的高低，其值可选为0.05～0.5的范围内，N+区8的形状可为方形或矩形或园形，N+区8的面积在工艺允许的范围内选作较小的尺寸；在衬底10的N-单晶面上制有多个单元，其单元数目由该器件所要求的额定电流值决定。每个单元上有栅极3和阴极4，N-单晶层的厚度由器件要求的耐压高低而定，如要求耐压高则选取厚的N-单晶层，要求的耐压低则选取较薄的N-单晶层，将N-单晶层上各单元的栅极3和阴极4分别并联；衬底10的P+区9单晶的下表面上金属化后作为阳极5，从而构成隧道泵高速绝缘栅双极晶体管(TIGBT)。
本实用新型有三个优点采用含有隧道泵的SDB材料代替常规的异性高阻硅厚外延片做为衬底，不仅加工容易，易于批量生产，大大降低了成本(一片3英寸大小的衬底仅需200元左右)；而且，利用这种衬底材料制成TIGBT的Toff有较大的降低，目前国际上5～35A/1200V的IGBT的关断时间Toff的典型值为0.2～1.5μs之间，而本实用新型的Toff等于或小于0.18μs，提高了速度；利用本实用新型的结构，只要适当控制衬底中N-单晶的厚度，可方便地做出全耐压(数百伏到大于2000伏)范围的高速TIGBT，从而大大扩展了IGBT的应用范围，满足各类军、民应用领域的急需。
附图及
图1常规IGBT单元结构示意图其中1—P+硅单晶；2—N-硅厚外延层；3—栅极；4—阴极；5—阳极。
图2本实用新型的隧道泵TIGBT单元结构示意图其中3—栅极；4—阴极；5—阳极；6—N-硅单晶；7—P+区；8—N+区；9—P+硅单晶。
实施例衬底N-硅单晶的电阻率p＝80·Ωcm，3英寸抛光片，厚度为120μm，选取K值＝0.2，利用选择性扩散硼和磷形成由多个P+区/N+区/P+区相间组成的层，P+区的浓度＞1020cm-3，N+区的浓度＞5×1020cm-3。P+硅单晶的p＝0.001Ω·cm，从而构成含有隧道泵的SDB衬底。在这衬底上制作有一万个图2所示单元，将每个单元的栅极和阴极分别并联，与P+硅单晶金属化后作阳极所构成的隧道泵高速绝缘栅双极晶体管(TIGBT)的耐压在1200伏以上，瞬态关断时间在0.18微秒以下。
权利要求1.隧道泵高速绝缘栅双极晶体管(TIGBT)其特征在于采用了含有隧道泵的硅片直接键合(SDB)材料作为衬底(10)，衬底(10)的下部为P+高浓度硅单晶材料(9)，上部为N-低浓度硅单晶材料(6)，在上、下部之间有由多个高浓度的P+(7)/N+(8)/P+(7)相间区域组成的一个层，其中N+区(8)与四周的P+区(7)和下部的P+区(9)组成复合的隧道结；衬底(10)上部N-单晶面上制作有多个单元，每个单元上有栅极(3)和阴极(4)，将各单元内的栅极(3)和阴极(4)分别并联；衬底(10)下部P+单晶面上金属化后作阳极(5)构成的。
2.如权利要求1的隧道泵高速绝缘栅双极晶体管(TIGBT)其特征在于所述的衬底(10)(1)N+区(8)可为正方形、矩形、园形，在工艺允许的条件下，N+区(8)的尺寸要尽量小；(2)N+区(8)和P+区(7)在垂直于电流方向上的面积比为K值，其K值的范围选在0.05～0.5之间；(3)N-硅单晶区的厚度由所要求的TIGBT的耐压高低确定。
专利摘要本实用新型属半导体器件领域。它公开了一种新型隧道泵高速绝缘栅双极晶体管(TIGBT)。由于它采用了含有隧道泵的硅片直接键合(SDB)材料替代了常规IGBT中异性高阻硅厚外延片作为衬底，衬底(10)的下部为P
文档编号H01L29/02GK2217264SQ9423672
公开日1996年1月10日 申请日期1994年6月24日 优先权日1994年6月24日
发明者李肇基, 张波 申请人:电子科技大学