一种逆导型绝缘栅双极晶体管结构及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种逆导型绝缘栅双极晶体管结构及其制备方法，属于半导体功率器件的【技术领域】。该结构包括集电极、第二P+掺杂层、N+掺杂层、N+缓冲层、N-基区、P-基底、第一P+掺杂层和发射极；N-基区的上方为P-基底，N-基区的下方为N+缓冲层，P-基底的上方为第一P+掺杂层，第一P+掺杂层的上方形成发射极，逆导型绝缘栅双极晶体管的背面有第二P+掺杂层和N+掺杂层，第二P+掺杂层和N+掺杂层的下方形成集电极，在与P-基底接近的所述N-基区上有局域寿命控制区域。本发明可以在不显著增加IGBT制备成本的基础上显著改善逆导型IGBT在二极管模式时的反向恢复特性。
【专利说明】一种逆导型绝缘栅双极晶体管结构及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体功率器件的【技术领域】，特别涉及一种逆导型绝缘栅双极晶体管结构及其制备方法。
【背景技术】
[0002]传统的绝缘栅双极晶体管(IGBT)在承受反向偏压时，集电结反偏而不能导通。所以绝缘栅双极晶体管经常与一个反并联的快恢复二极管一起使用，通过快恢复二极管来为绝缘栅双极晶体管的感性负载提供电流的泄放通道。实际应用中的绝缘栅双极晶体管的单管及模块大多数是由绝缘栅双极晶体管芯片和快恢复二极管芯片共同封装而成的。逆导型绝缘栅双极晶体管是当前国际上一种新型的绝缘栅双极晶体管器件，它是将传统的绝缘栅双极晶体管元胞结构与快恢复二极管元胞结构巧妙集成于同一芯片，提供了一个紧凑的反向电流泄放通道。逆导型绝缘栅双极晶体管节省了芯片面积、封装和测试费用，降低了器件成本。此外，它还具有低的损耗、良好的安全工作区等特性。相对传统绝缘栅双极晶体管器件，逆导型绝缘栅双极晶体管在成本和性能上具有很大优势，加上巨大的市场需求使得逆导型绝缘栅双极晶体管成为国外各大厂商研究的焦点。
[0003]然而，逆导型绝缘栅双极晶体管在拥有诸多优点的同时，其结构也有一些固有的问题。由于逆导型绝缘栅双极晶体管的制备工艺兼容于现有的绝缘栅双极晶体管制备工艺，因此逆导型绝缘栅双极晶体管工作在绝缘栅双极晶体管模式时其性能较为优秀，而工作在二极管模式时其特性和理想的快恢复二极管有很大的差别。图1给出了逆导型绝缘栅双极晶体管的结构，其中P-基底、N-基区和N+缓冲层构成了 PIN的二极管结构。P-基底的上面的第一 P+层用于防止闩锁。绝缘栅双极晶体管的发射极即为快恢复二极管的阳极。在逆导型绝缘栅双极晶体管的背面依次设有第二 P+层和N+层，分别作为绝缘栅双极晶体管的集电极和快恢复二极管的阴极。当在发射极(Emitter)和集电极(Collector)之间施加正向电压时，P-基底和N-基区之间的PN结导通，此时逆导型绝缘栅双极晶体管工作在二极管模式。图2给出了逆导型绝缘栅双极晶体管工作在二极管模式时和快恢复二极管正向导通时的载流子浓度分布。为了防止闩锁，正面第二 P+掺杂层的浓度不宜过低，因此采用通过降低正面第二 P+掺杂层注入效率来降低阳极一侧的载流子浓度的方法也有其局限性。
[0004]对于理想的快恢复二极管，正向导通时靠近阴极区域的载流子浓度要大于阳极区域的载流子浓度。当二极管上施加反向电压后，耗尽区从阳极一侧向阴极区域延伸。阴极区域具有更大的载流子浓度可以在整个反向恢复的整个过程中持续提供载流子，此时快恢复二极管具有更小的峰值反向恢复电流I?和更软的反向恢复过程，这在电路应用中是非常重要的。更小的Imi会对另一桥臂的绝缘栅双极晶体管导通瞬间产生更小的冲击电流，而软的反向恢复过程具有更低的电流变化率和更长的反向电流下降时间，因此由回路中的杂散电感产生的冲击电压更小，这对于电路的可靠工作是非常重要的。而逆导型绝缘栅双极晶体管工作在二极管模式时，其载流子浓度分布恰好相反，因此具有较差的反向恢复特性。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是提供一种逆导型绝缘栅双极晶体管结构及其制备方法，解决了现有技术中逆导型绝缘栅双极晶体管反向恢复特性差的技术问题。
[0006]为解决上述技术问题，本发明提供了一种逆导型绝缘栅双极晶体管结构，包括集电极、第二 P+掺杂层、N+掺杂层、N+缓冲层、N-基区、P-基底、第一 P+掺杂层和发射极；其中，所述N+缓冲层、所述N-基区和所述P-基底形成二极管结构，所述N-基区的上方为所述P-基底，所述N-基区的下方为所述N+缓冲层，所述P-基底的上方为所述第一 P+掺杂层，所述第一 P+掺杂层的上方形成所述发射极，所述N+缓冲层下方有所述第二 P+掺杂层和所述N+掺杂层，所述第二 P+掺杂层和所述N+掺杂层的下方形成所述集电极，在与所述P-基底接近的所述N-基区上有局域寿命控制区域。
[0007]进一步地，当在所述发射极和所述集电极之间施加零偏压时，所述P-基底与所述N-基区之间的PN结在所述N-基区有耗尽层，所述局域寿命控制区域的上界面与所述P-基底的距离大于所述耗尽层的宽度。
[0008]进一步地，所述局域寿命控制区域的宽度小于三分之一的所述N-基区的宽度。
[0009]进一步地,所述集电极的材料为锗或者娃锗合金。
[0010]进一步地，所述锗或者所述硅锗合金均为单晶、多晶或者非晶的任意一种。
[0011]进一步地,所述锗的厚度为0.1 μ m-?ο μ m。
[0012]优选地，所述锗的厚度为0.5 μ m-2 μ m。
[0013]一种逆导型绝缘栅双极晶·体管结构的制备方法，包括如下步骤:
[0014]选取N-型衬底，依次通过离子注入和高温退火形成P-基底；在与所述P-基底接近的N-基区上通过离子注入的方法形成局域寿命控制区域，然后激活，所述离子注入的离子为S或者Se ;在所述P-基底的局部区域通过离子注入的方法形成第一 P+掺杂层，在所述N-衬底的正面淀积形成发射极；将所述N-衬底背面减薄，然后通过离子注入或者质子辐照的方法形成N+缓冲层；在所述N+缓冲层的表面通过化学气相淀积的方法或者溅射的方法淀积锗或者硅锗合金，在所述锗或者硅锗合金上通过离子注入和高温退火形成第二 P+掺杂层和N+掺杂层；在所述第二 P+掺杂层和所述N+掺杂层淀积金属层，形成集电极。
[0015]进一步地,所述S和所述Se的浓度均为lel2/cm3 - lel6/cm3。
[0016]进一步地，所述形成局域寿命控制区域的离子注入的能量范围为0.5MeV_lOOMeV，所述形成局域寿命控制区域的离子注入的剂量在lelO/cm2 - lel4/cm2。
[0017]本发明提供的一种逆导型绝缘栅双极晶体管结构及其制备方法，通过载流子寿命控制，能够降低阳极一侧的载流子浓度；采用锗材料或者硅锗合金材料作为集电极，与硅相tt,杂质在错或者娃错合金中中具有更闻的激活率，因此可以获得更闻的集电极惨杂浓度。本发明可以在不显著增加IGBT制备成本的基础上显著改善逆导型IGBT在二极管模式时的反向恢复特性。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为现有技术提供的逆导型IGBT的结构示意图；
[0019]图2为现有技术提供的图1所述的逆导型IGBT的结构在在二极管模式时和FRD正向导通的载流子浓度分布示意图；
[0020]图3为本发明实施例提供的逆导型IGBT的结构示意图；
[0021]附图标记:
[0022]1、集电极，2、第二 P+掺杂层，3、N+掺杂层，4、N+缓冲层，5、N_基区，6、P_基底，7、第一 P+掺杂层,8、发射极,9、局域寿命控制区域。
【具体实施方式】
[0023]参见图3，本发明实施例提供的一种逆导型绝缘栅双极晶体管结构，包括集电极
1、第二 P+掺杂层2、N+掺杂层3、N+缓冲层4、N-基区5、P_基底6、第一 P+掺杂层7和发射极8 ;其中，N+缓冲层4、N-基区5和P-基底6形成二极管结构，N-基区5的上方为P-基底6，N-基区5的下方为N+缓冲层4，P-基底6的上方为第一 P+掺杂层7，第一 P+掺杂层7的上方形成发射极8，逆导型绝缘栅双极晶体管的背面有第二 P+掺杂层2和N+掺杂层3，第二 P+掺杂层2和N+掺杂层3的下方形成集电极1，在与P-基底6接近的N-基区5上有局域寿命控制区域9，引入载流子的深能级复合中心是一种能较好降低阳极一侧的载流子浓度的方法。其中，当在发射极8和集电极I之间施加零偏压时，P-基底6与N-基区5之间的PN结耗尽层主要在N-基区5延伸，局域寿命控制区域9的上界面与P-基底6的距离大于所述耗尽层的宽度。另 外，局域寿命控制区域9的宽度小于三分之一的N-基区5的宽度。
[0024]在本发明实施例中，该集电极I的材料为锗或者硅锗合金，并且，该锗或者硅锗合金均为单晶、多晶或者非晶的任意一种。其中，锗或者硅锗合金的厚度为0.1 μ m-?ο μ m，锗或者娃锗合金的厚度也可以优选为0.5 μ m-2 μ m。
[0025]一种逆导型绝缘栅双极晶体管结构的制备方法，包括如下步骤:
[0026]步骤101:选取N-型衬底，然后在N-型衬底正面形成栅氧化层和多晶硅栅电极，通过刻蚀的方法形成栅极图形；
[0027]步骤102:采用硼离子注入然后高温退火的方法形成P-基底；
[0028]步骤103:在与P-基底接近的N-基区上通过离子注入的方法形成局域寿命控制区域，然后激活，离子注入的离子为S或者Se，S和Se的浓度均为lel2/cm3 - lel6/cm3 ;离子注入的能量和激活退火的温度受到N-基区的掺杂浓度和宽度，P-基底的掺杂浓度和结深的影响。典型的离子注入能量范围为0.5MeV - lOOMeV，剂量在lelO/cm2 - lel4/cm2，杂质激活的温度为800°C -1OOO0C ；
[0029]步骤104:在P-基底的局部区域通过光刻的方法形成窗口，然后硼通过离子注入的方法形成第一 P+掺杂层；
[0030]步骤105:在N-衬底的正面淀积绝缘介质，刻蚀形成接触孔，然后淀积金属铝形成发射极；
[0031]步骤106:N-衬底背面减薄，然后通过离子注入或者质子辐照的方法形成N+缓冲层；
[0032]步骤107:在N+缓冲层的表面通过化学气相淀积的方法或者溅射的方法淀积锗或者硅锗合金，其厚度在0.1 μ m-?ο μ m之间，对与硅锗合金，其中锗的原子百分比大于40% ；
[0033]步骤108:在逆导型绝缘栅双极晶体管的背面依次通过离子注入和高温退火，在锗或者硅锗合金上形成第二 P+掺杂层和N+掺杂层，其中，N+掺杂层注入的杂质为P或者As，注入的能量在20KeV-2000KeV，注入的剂量在Iel2/cm2-lel6/cm2，退火的温度在300°C到 500。。；
[0034]步骤109:在背面淀积金属层，其中该金属层从上到下依次为Al、T1、Ni和Ag，形成集电极。
[0035]本发明实施例的优点在于:
[0036]I)靠近二极管P-基底区域一侧的N-基区区域中的载流子寿命控制，通过第六主族元素S、Se的注入引入深能级的复合中心，从而能够降低阳极一侧的载流子浓度；
[0037]2)采用Ge材料作为集电区材料，通过离子注入并在400°C到500°C的条件下激活杂质，与Si相比，杂质在Ge中具有更高的激活率，因此可以获得更高的集电极掺杂浓度，集电极区域更高的N型掺杂浓度能够增加电子的注入，进而能够增加阴极一侧的载流子浓度。
[0038]3)将上述方法结合，可以降低二极管的峰值反向恢复电流，并且获得更软的反向恢复特性。
[0039]最后所应说明的是，以上【具体实施方式】仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
【权利要求】
1.一种逆导型绝缘栅双极晶体管结构，其特征在于，包括集电极、第二 P+掺杂层、N+掺杂层、N+缓冲层、N-基区、P-基底、第一 P+掺杂层和发射极；其中，所述N+缓冲层、所述N-基区和所述P-基底形成二极管结构，所述N-基区的上方为所述P-基底，所述N-基区的下方为所述N+缓冲层，所述P-基底的上方为所述第一 P+掺杂层，所述第一 P+掺杂层的上方形成所述发射极，所述N+缓冲层下方有所述第二 P+掺杂层和所述N+掺杂层，所述第二 P+掺杂层和所述N+掺杂层的下方形成所述集电极，在与所述P-基底接近的所述N-基区上有局域寿命控制区域。
2.根据权利要求1所述的逆导型绝缘栅双极晶体管结构，其特征在于，当在所述发射极和所述集电极之间施加零偏压时，所述P-基底与所述N-基区之间的PN结在所述N-基区有耗尽层，所述局域寿命控制区域的上界面与所述P-基底的距离大于所述耗尽层的宽度。
3.根据权利要求1所述的逆导型绝缘栅双极晶体管结构，其特征在于，所述局域寿命控制区域的宽度小于三分之一的所述N-基区的宽度。
4.根据权利要求1所述的逆导型绝缘栅双极晶体管结构，其特征在于，所述集电极的材料为锗或者硅锗合金。
5.根据权利要求4所述的逆导型绝缘栅双极晶体管结构，其特征在于，所述锗或者所述硅锗合金的均为单晶、多晶或者非晶的任意一种。
6.根据权利要求5所述的逆导型绝缘栅双极晶体管结构，其特征在于，所述锗的厚度为 0.1 μ m-10 μ m。
7.根据权利要求6所述的逆导型绝缘栅双极晶体管结构，其特征在于，所述锗的厚度^ 0.5 μ m-2 μ m。
8.一种逆导型绝缘栅双极晶体管结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤: 选取N-型衬底，依次通过离子注 入和高温退火形成P-基底；在与所述P-基底接近的N-基区上通过离子注入的方法形成局域寿命控制区域，然后激活，所述离子注入的离子为S或者Se;在所述P-基底的局部区域通过离子注入的方法形成第一 P+掺杂层，在所述N-衬底的正面淀积形成发射极；将所述N-衬底背面减薄，然后通过离子注入或者质子辐照的方法形成N+缓冲层；在所述N+缓冲层的表面通过化学气相淀积的方法或者溅射的方法淀积锗或者硅锗合金，在所述锗或者硅锗合金上通过离子注入和高温退火形成第二 P+掺杂层和N+掺杂层；在所述第二 P+掺杂层和所述N+掺杂层淀积金属层，形成集电极。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述S和所述Se的浓度均为lel2/cm3-lel6/cm3。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述形成局域寿命控制区域的离子注入的能量范围为0.5MeV-1OOMeV,所述形成局域寿命控制区域的离子注入的剂量在IelO/cm2 - lel4/cm2。
【文档编号】H01L29/06GK103855203SQ201210524692
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2012年12月7日 优先权日:2012年12月7日
【发明者】胡爱斌, 朱阳军, 田晓丽, 张文亮 申请人:中国科学院微电子研究所, 江苏物联网研究发展中心, 江苏中科君芯科技有限公司