专利名称：一种具有浮空埋层的绝缘栅双极型晶体管的制作方法
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)，更具体的说，涉及浮空埋层IGBT器件。
背景技术：
绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是一种MOS场效应和双极型晶体管复合的新型电力电子器件。它既有MOSFET易于驱动，控制简单的优点，又有功率晶体管导通压降低，通态电流大，损耗小的优点，已成为现代电力电子电路中的核心电子元器件之一，广泛应用在诸如机车牵引、电动汽车、风力发电、UPS电源、空调等领域的变频调速逆变装置中。从IGBT发明以来，人们一直致力于改善IGBT三个重要并且相互矛盾的参数正向导通压降、关断时间和安全工作区。经过几十年的发展，相继提出了 6代IGBT器件结构，使器件性能得到了稳步的提升。然而，对于IGBT器件，在通过电导调制效应使器件具有较低正向导通压降的同时，基区的非平衡电子空穴对的存储也使其关断速度明显减慢，限制了应用频率和增加了开关损耗，这成为IGBT器件进一步应用的主要障碍。近年来，随着逆变装置的快速发展，现有的IGBT结构已难以满足系统对高速IGBT器件的需求，迫切需要开发新的器件结构。同时，IGBT在工业领域的大规模应用，对器件的可靠性和耐用度提出了更高的要求，迫切需要开发具有宽安全工作区的IGBT器件。因此，研究宽安全工作区的高速 IGBT新结构已成为当前功率电子学的热点领域之一。
发明内容
为了获得低正向导通压降和宽安全工作区的高速IGBT器件新结构，本发明提供一种具有浮空埋层的绝缘栅双极型晶体管。所提供的浮空埋层绝缘栅双极型晶体管在传统IGBT结构的基础上(如图1所示)，在器件具有第一导电类型的漂移区内引入一到多层连续或不连续的第二导电类型浮空埋层，通过第二导电类型浮空埋层引入的空间电荷及附加电场的调制作用，在第一导电类型的漂移区内引入新的电场尖峰，在相同的器件漂移区厚度下，可大大提高IGBT器件的击穿电压；在一定的击穿电压下，可大大减小IGBT器件漂移区的厚度，从而大大减小器件的正向导通压降和关断时间。同时浮空埋层引入的空间电荷的作用，可抑制器件关断时的雪崩击穿，提高IGBT器件的动态击穿电压和反向安全工作区。本发明技术方案如下浮空埋层绝缘栅双极型晶体管，如图2至图7所示，所述绝缘栅双极型晶体管的第一导电类型的漂移区14内具有第二导电类型的埋层22。上述方案中所述第二导电类型的埋层22形状可以是方形、条形、三角形、梯形、圆形或椭圆形。所述第二导电类型的埋层22可以是单层连续结构(如图2所示)，或单层非连续结构(如图3所示)。所述第二导电类型的埋层22可以是多层连续结构(如图4所示)，或多层非连续结构(如图5-7所示)。所述绝缘栅双极型晶体管的集电极可以是电场终止结构、透明阳极结构或阳极短路结构。所述绝缘栅双极型晶体管的栅极可以是平面型栅或沟槽型栅。所述绝缘栅双极型晶体管，可以是第一导电类型N型，第二导电类型为P型，也可以是第一导电类型是P型，第二导电类型为N型。所述埋层的浓度、厚度、形状、层数等可根据设计要求而相应变化。所述绝缘栅双极型晶体管的半导体材料可采用硅(Si)、碳化硅(SiC)、砷化镓(GaAs)或者氮化镓(GaN)寸。本发明的有益效果表现在本发明提供的具有浮空埋层的绝缘栅双极型晶体管，是在传统IGBT结构的基础上，在器件具有第一导电类型的漂移区内引入一到多层连续或不连续的第二导电类型浮空埋层，通过第二导电类型浮空埋层引入的空间电荷及附加电场的调制作用，在第一导电类型的漂移区内引入新的电场尖峰，在相同的器件漂移区厚度下，可大大提高IGBT器件的击穿电压；在一定的击穿电压下，可大大减小IGBT器件漂移区的厚度，从而大大减小器件的正向导通压降和关断时间。同时浮空埋层引入的空间电荷的作用，可抑制器件关断时的雪崩击穿，提高IGBT器件的动态击穿电压和反向安全工作区。所述绝缘栅双极型晶体管可适用于从小功率到大功率的半导体功率器件和功率集成电路领域。
图1是常规的IGBT器件结构示意图。图2至图7是本发明提出的具有浮空埋层的绝缘栅双极型晶体管结构示意图。图1至图7中，11为集电极，12为第二导电类型集电区，13为第一导电类型电场阻止层，14为第一导电类型漂移区，15为栅氧，16为栅极，17为栅极和发射极之间的绝缘层， 18为第二导电类型基区，19为第一导电类型接触区，20为第二导电类型接触区，21发射极， 22为第二导电类型埋层。图8是仿真获得的具有相同器件漂移区厚度的传统结构和浮空埋层结构IGBT器件的反向I-V特性曲线。图9和图10是仿真获得的相同击穿电压下，传统结构和浮空埋层结构IGBT器件的正向I-V特性曲线和关断瞬态电流和电压的波形。
具体实施例方式一种具有浮空埋层的绝缘栅双极型晶体管，如图2至图7所示，所述绝缘栅双极型晶体管的第一导电类型的漂移区14内具有一到多层连续或不连续的第二导电类型的埋层 21。上述实施方式中所述第二导电类型的埋层22可以在传统IGBT工艺开始之前，在第一导电类型衬底材料上通过两步扩散工艺获得。即在传统IGBT工艺开始之前，在第一导电类型衬底材料上先进行一步深的第二导电类型杂质扩散，然后再进行一步浅的第一导电类型杂质扩散， 控制两次扩散的结深之差，就可获得满足厚度和浓度要求的第二导电类型的埋层22。所述第二导电类型的埋层22可以在传统IGBT工艺开始之前，通过离子注入或扩散等方式在第一导电类型的衬底表面形成一层厚度、浓度和形状可控的第二导电类型的材料层，然后在此衬底表面通过外延等工艺再生长一层第一导电类型的材料层，即可获得满足厚度和浓度要求的第二导电类型的埋层22。所述第二导电类型的埋层22形状可以是规则的或不规则的方形、条形、三角形、 梯形、圆形或椭圆形。所述第二导电类型的埋层22可以是单层连续结构，或单层非连续结构。所述第二导电类型的埋层22可以是多层连续结构，或多层非连续结构。所述绝缘栅双极型晶体管的集电极可以是电场终止结构、透明阳极结构或阳极短路结构。所述绝缘栅双极型晶体管的栅极可以是平面型栅或沟槽型栅。所述绝缘栅双极型晶体管，可以是第一导电类型N型，第二导电类型为P型，也可以是第一导电类型是P型，第二导电类型为N型。所述埋层的浓度、厚度、形状、层数等可根据设计要求而相应变化。所述绝缘栅双极型晶体管的半导体材料可采用硅(Si)、碳化硅(SiC)、砷化镓 (GaAs)或者氮化镓(GaN)等。图8是仿真获得的具有相同器件漂移区厚度的传统结构和浮空埋层结构IGBT器件的反向I-V特性曲线。从图中可以看出，通过第二导电类型浮空埋层的引入，在相同的器件漂移区厚度下，浮空埋层结构可大大的提高IGBT器件的击穿电压。图9和图10是仿真获得的相同击穿电压下，传统结构和浮空埋层结构IGBT器件的正向I-V特性曲线和关断瞬态电流和电压的波形。从图中可以看出，在一定的击穿电压下，浮空埋层结构IGBT器件可大大减小器件的正向导通压降和关断时间。
权利要求
1.一种具有浮空埋层的绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，所述绝缘栅双极型晶体管的第一导电类型的漂移区(14)内具有第二导电类型的埋层02)。
2.根据权利要求1所述的具有浮空埋层的绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，所述埋层0 形状为方形、条形、三角形、梯形、圆形或椭圆形。
3.根据权利要求1或2所述的具有浮空埋层的绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，所述埋层02)为单层连续结构。
4.根据权利要求1或2所述的具有浮空埋层的绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，所述埋层02)为单层非连续结构。
5.根据权利要求1或2所述的具有浮空埋层的绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，所述埋层02)为间隔的多层连续结构。
6.根据权利要求1或2所述的具有浮空埋层的绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，所述埋层02)为间隔的多层非连续结构。
7.根据权利要求1或2所述的具有浮空埋层的绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，所述埋层0 在传统IGBT工艺开始之前，在第一导电类型衬底材料上通过两步扩散工艺获得。
8.根据权利要求1或2所述的具有浮空埋层的绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，所述埋层0 在传统IGBT工艺开始之前，通过离子注入或扩散等方式在第一导电类型的衬底表面形成一层第二导电类型的材料层，然后在此衬底表面通过外延等工艺再生长一层第一导电类型的材料层而获得。
9.根据权利要求1或2所述的具有浮空埋层的绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，所述绝缘栅双极型晶体管的集电极为电场终止结构、透明阳极结构或阳极短路结构。
10.根据权利要求1或2所述的具有浮空埋层的绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，所述绝缘栅双极型晶体管的栅极为平面型栅或沟槽型栅。
全文摘要
浮空埋层绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，属于功率半导体器件技术领域。本发明在传统IGBT器件结构的基础上，在器件具有第一导电类型的漂移区内引入一到多层连续或不连续的第二导电类型浮空埋层，通过第二导电类型浮空埋层引入的空间电荷及附加电场的调制作用，在第一导电类型的漂移区内引入新的电场尖峰，在相同的器件漂移区厚度下，可大大提高IGBT器件的击穿电压；在一定的击穿电压下，可大大减小IGBT器件漂移区的厚度，从而大大减小器件的正向导通压降和关断时间。同时浮空埋层引入的空间电荷的作用，可抑制器件关断时的雪崩击穿，提高IGBT器件的动态击穿电压和反向安全工作区。
文档编号H01L29/739GK102306657SQ201110309838
公开日2012年1月4日 申请日期2011年10月13日 优先权日2011年10月13日
发明者张波, 张金平, 李泽宏 申请人:电子科技大学