一种p型绝缘栅双极型晶体管结构的制作方法
【专利摘要】一种P型绝缘栅双极型晶体管，包括：兼做集电区的N型掺杂硅衬底，在N型掺杂硅衬底下方设有集电极金属，在N型掺杂硅衬底上方依次设有P型掺杂硅缓冲层和P型轻掺杂硅外延层，在P型轻掺杂硅外延层内设有和N型柱，在N型掺杂半导体区中设有P型和N型重掺杂半导体区，在N型柱中设有N型重掺杂半导体区，在N型柱和P型轻掺杂硅外延层之间设有介质层，在P型轻掺杂硅外延层上方依次设有栅氧化层和多晶硅栅，且多晶硅栅始于介质层的上方并止于与介质层相邻的P型重掺杂半导体区的上方，在多晶硅栅上方依次设有氧化层和发射极金属，且P型和N型重掺杂半导体区均与发射极金属电连接。
【专利说明】一种P型绝缘栅双极型晶体管结构
【技术领域】
[0001]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，涉及一种低导通电阻、高电流能力、高耐压的P型绝缘栅双极型晶体管结构。
【背景技术】
[0002]当前，随着现代化和信息化时代的发展，半导体功率器件在功率变换、电能控制等领域起着越来越重要和不可替代的作用。如今，功率器件正朝着提高工作电压、增加工作电流、减小导通电阻和提高可靠性的方向发展。绝缘栅双极型晶体管(IGBT)利用电导调制效应，使其导通压降大幅降低，可作为一种有效的栅极控制开关器件，迎合了功率器件的发展方向，成为了中高压开关、中频变频器不可或缺的功率产品。
[0003]绝缘栅双极型晶体管(IGBT)可以看作场效应晶体管(MOSFET)和双极型晶体管(BJT)的结合。传统的IGBT器件结构如图1所示，在该结构中，P+接触区8、N型基区7、P_外延层4和N+衬底2形成了类似于晶闸管的PNPN四层三结结构。其中NPN晶体管的发射极为IGBT的集电极1，接低电位；NPN管的基区和PNP管的集电区是同一个区域，即IGBT的P_外延层4 ；NPN管的集电区和PNP管的基区是同一个区域，即IGBT的N型基区7 ；PNP管的发射极为IGBT的发射极13，接高电位。在正向导通状态下，IGBT结构的MOS沟道开启，有大量空穴流入P_外延层4 (即NPN管基区)。同时，IGBT的集电极(即NPN管发射极)为低电位，此时，NPN管中发射结压降超过PN结开启电压，使NPN管开启，向P_外延层4注入大量电子并流到IGBT的发射极(即NPN管集电极)，其电流放大倍数可以用P表示。要降低IGBT的导通电阻，增加工作电流可以增大器件的P值。传统结构的IGBT由于P_外延层4 (即NPN管基区)的宽度很宽，导致NPN管@值很小，制约了 IGBT的导通电流能力。
[0004]因而，如何在保证IGBT的耐压条件下，IGBT增加电流能力成为提升IGBT性能的一个重要关注点。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种P型绝缘栅双极型晶体管，能够在保证耐压的条件下，进一步降低IGBT的导通电阻，增加工作电流。同时，本发明能够提高器件的抗闩锁能力。
[0006]本发明技术方案如下:
一种P型绝缘栅双极型晶体管结构，包括兼做集电区的N型掺杂硅衬底，在N型掺杂娃衬底下方设有集电极金属，在N型掺杂娃衬底上方设有P型掺杂娃缓冲层，在P型掺杂娃缓冲层上方设有P型轻掺杂娃外延层，在P型轻掺杂娃外延层内设有N型掺杂半导体区，在N型掺杂半导体区中设有P型重掺杂半导体区和N型重掺杂半导体区，其特征在于，在P型轻掺杂硅外延层内还设有N型柱，在N型柱和P型轻掺杂硅外延层之间设有介质层，在N型柱中也设有N型重掺杂半导体 区，在P型轻掺杂硅外延层上方设有栅氧化层，在栅氧化层上方设有多晶硅栅，并且，所述多晶硅栅始于介质层的上方并止于与介质层相邻的P型重掺杂半导体区的上方，在多晶硅栅上方设有氧化层，在氧化层上方设有发射极金属，P型重掺杂半导体区和N型重掺杂半导体区与发射极金属电连接。
[0007]与传统P型绝缘栅双极型晶体管相比，本发明具有如下优点:
1、本发明结构在传统的P型绝缘栅双极型晶体管中引入N型柱，获得窄基区NPN管，增大现有绝缘栅双极型晶体管中NPN管的电流放大倍数P，达到降低IGBT导通电阻、提高工作电流的目的。下面以本发明提供的P型绝缘栅双极型晶体管为例说明本发明的工作原理:
本发明结构中N+衬底2，P型缓冲层3和N型柱5形成了 NPN晶体管，和传统IGBT中由N+衬底2，P型缓冲层3，P型外延层4和N型基区7组成的NPN结构相比，本发明提供的NPN晶体管具有更窄的基区宽度，因此具有更大的放大倍数3。
[0008]在正向导通状态下，IGBT的沟道开启，有大量空穴电流经过P型外延层流到P型缓冲层，其中一部分作为窄基区NPN晶体管的基极电流。同时，IGBT的集电极I (即NPN管发射极)为低电位，此时，NPN管中发射结压降超过PN结开启电压，向P型缓冲层3注入大量电子。大量的电子通过N型柱5直接流到IGBT的发射极，从而增大了 IGBT的工作电流。
[0009]借助TCAD仿真软件，对传统P型绝缘栅双极型晶体管和本发明提供的P型绝缘栅双极型晶体管进行了仿真比较。图4将两种结构在栅极电压为5V，集电极电压为IOV时的电子电流密度分布进行了比较，其中左图为本发明提供的结构的仿真结果，右图为传统结构的仿真结果。从图4可以看出，由于在本发明提供的结构中引入的窄基区NPN管，使N型柱的电子电流密度得到提高，并增加了器件的工作电流；本发明提供的结构和传统结构在栅压为I至IOV时的1-V曲线分别如图4和图5所示，从图中可以看出，在相同电压条件下，本发明提供的结构的工作电流提高了。
[0010]2、本发明结构在传统的P型绝缘栅双极型晶体管中引入N型柱，通过调节N型柱的掺杂浓度，使其与P型外延层达到电荷平衡，可以起到辅助耗尽的作用，即通过P型基区与N型柱横向耗尽，从而提高纵向耐压。
[0011]3、本发明结构在传统的P型绝缘栅双极型晶体管中引入N型柱，并在P型基区与N型柱之间引入介质隔离层，使得从集电极流入的电子的一部分从N型柱直接流到发射极，从而减少了流向N型基区的电子电流。这样，作为流向N型基区的电子电流的一部分，经过P型重掺杂接触区下方的那部分电子电流相应的也就减小了。因此，器件内部的PNP晶体管中，由N型基区和P型重掺杂接触区组成的发射结更难达到导通压降，使PNP晶体管更难开启，从而提高了器件抑制闩锁的能力。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1是传统P型绝缘栅双极型晶体管的剖面结构示意图。
[0013]图2是本发明所提供的一种P型绝缘栅双极型晶体管剖面结构示意图。
[0014]图3是本发明所提供的P型绝缘栅双极型晶体管与传统的P型绝缘栅双极型晶体管电子电流密度分布对比图。
[0015]图4是本发明所提供的P型绝缘栅双极型晶体管栅压为I至10伏的1-V曲线图。
[0016]图5是传统的P型绝缘栅双极型晶体管栅压为I至10伏的1-V曲线图。【具体实施方式】
[0017]采用本发明的具有介质隔离层的N型柱窄基区晶体管结构，可以大大降低器件的导通电阻。随着半导体工艺技术的发展，采用本发明可以制作更多低压降、大电流、高可靠性的功率器件。
[0018]本发明所提供的P型绝缘栅双极型晶体管结构，包括兼做集电区的N型掺杂硅衬底，在N型掺杂娃衬底下方设有集电极金属，在N型掺杂娃衬底上方设有P型掺杂娃缓冲层，在P型掺杂娃缓冲层上方设有P型轻掺杂娃外延层，在P型轻掺杂娃外延层内设有N型掺杂半导体区，在N型掺杂半导体区中设有P型重掺杂半导体区和N型重掺杂半导体区，其特征在于，在P型轻掺杂硅外延层内还设有N型柱，在N型柱和P型轻掺杂硅外延层之间设有介质层，在N型柱中也设有N型重掺杂半导体区，在P型轻掺杂硅外延层上方设有栅氧化层，在栅氧化层上方设有多晶硅栅，并且，所述多晶硅栅始于介质层的上方并止于与介质层相邻的P型重掺杂半导体区的上方，在多晶硅栅上方设有氧化层，在氧化层上方设有发射极金属，P型重掺杂半导体区和N型重掺杂半导体区与发射极金属电连接。
[0019]具体实施时的主要步骤为:首先制备N+衬底，然后依次在N+衬底上生长浓度较高的P型缓冲层和浓度较低的P—外延层，接着进行介质隔离槽刻蚀和隔离介质的填充，然后将介质隔离槽之间外延层刻蚀掉并淀积N型半导体材料形成N型柱，接着生长栅氧化层并淀积多晶硅，利用自对准技术形成N型基区，之后进行P+接触区掺杂和N+接触区掺杂，并生长氧化层覆盖，最后去除覆盖在P+接触区和N+接触区上的氧化层，淀积发射极金属和表面钝化等。
【权利要求】
1.一种P型绝缘栅双极型晶体管结构，包括兼做集电区的N型掺杂硅衬底(2)，在N型掺杂娃衬底(2)下方设有集电极金属(I)，在N型掺杂娃衬底(2)上方设有P型掺杂娃缓冲层(3),在P型掺杂娃缓冲层(3)上方设有P型轻掺杂娃外延层(4),在P型轻掺杂娃外延层(4)内设有N型掺杂半导体区(7)，在N型掺杂半导体区(7)中设有P型重掺杂半导体区(8)和N型重掺杂半导体区(9)，其特征在于，在P型轻掺杂硅外延层(4)内还设有N型柱(5)，在N型柱(5)和P型轻掺杂硅外延层(4)之间设有介质层(6)，在N型柱(5)中也设有N型重掺杂半导体区(9)，在P型轻掺杂硅外延层(4)上方设有栅氧化层(10)，在栅氧化层(10)上方设有多晶硅栅(11)，并且，所述多晶硅栅(11)始于介质层(6)的上方并止于与介质层(6)相邻的P型重掺杂半导体区(8)的上方，在多晶硅栅(11)上方设有氧化层(12)，在氧化层(12)上方设有发射极金属(13)，P型重掺杂半导体区(8)和N型重掺杂半导体区(9)与发射极金属(13)电连接。
2.根据权利要求1所述的一种P型绝缘栅双极型晶体管结构，其特征在于，介质层(6)的宽度范围为0.5um至5um,介质层(6)的深度范围为IOum至IOOum ;介质层(6)采用的材料为二氧化硅或氮化硅等。
3.根据权利要求1所述的一种P型绝缘栅双极型晶体管结构，其特征在于，N型柱(5)的掺杂浓度范围为lel3cm_3至5el6cm_3 ；N型柱(5)的宽度范围为Ium至IOum ；N型柱(5)的深度范围为Ium至lOOum。
【文档编号】H01L29/739GK103618002SQ201310496804
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2013年10月22日 优先权日:2013年10月22日
【发明者】孙伟锋, 戴伟楠, 杨卓, 孙华芳, 祝靖, 陆生礼, 时龙兴 申请人:东南大学