绝缘栅双极型晶体管的制作方法

本发明涉及半导体功率器件技术领域，尤其是涉及一种绝缘栅双极型晶体管。

背景技术：

绝缘栅双极型晶体管(insulatedgatebipolartransistor，简称igbt)是一种发展迅速、应用广泛的半导体功率器件。它可以看作是由金属氧化物半导体场效应管(mosfet)和双极结型晶体管(bjt)组成的复合全控型半导体功率器件。既具有功率mosfet的电压控制、输入阻抗高、驱动电路简单的优点，又拥有bjt导通电阻小、电流密度大、阻断电压高等多项优点。在家用电器、新能源发电、智能电网、动力牵引等领域中都有着广泛应用。

众所周知，在绝缘栅双极型晶体管正向导通时，器件背面的集电极会向n-基区注入大量的非平衡载流子，而且非平衡载流子的浓度会远远超过n-基区原有的平衡载流子的浓度，从而在n-基区内形成非常强烈的电导调制效应，因此可以大大降低了器件的导通压降。但是在器件关断时，大量的非平衡载流子由于不能及时地复合或从集电极抽出，会导致器件有较大的电流拖尾、使器件关断速度变慢，关断损耗增加，并造成器件的工作频率降低。

为增加器件的关断速度，降低关断功耗，文献p.a.gough,m.r.simpson,andv.rumenik,“fastswitchinglateralinsulatedgatetransistor”(快速开关的横向绝缘栅晶体管)，ieeeiedmtech.dig.,1986,pp.218-221，提出了阳极短路的器件结构，应用到绝缘栅双极型晶体管上如图1所示。与传统的绝缘栅双极型晶体管结构相比较，最大的不同是在背面的p+集电极区12上又增加了一个n+集电极区11。当阳极短路的绝缘栅双极型晶体管关断时，n-基区的非平衡载流子可以从n+集电极区快速退出，使得器件可以快速关断。但是，在另一方面，由于n+集电极区的存在，使得器件在正向导通时，p+集电极非平衡载流子的注入效率有所降低，这导致进入n-基区的非平衡载注子数量会有所减少，这导致器件的电导调制作用降低，器件的导通压降与传统绝缘栅双极型晶体管相比有所升高。由此看出，导通压降与关断时间这两个器件性能参数之间存在着矛盾，需要折衷考虑。在绝缘栅双极型晶体管中，导通压降与关断时间很大程度上需要依靠调节集电极的注入效率来决定，较低的阳极注入效率当然可以导致较低的关断时间和较小的关断损耗，但是导通压降却要上升，由此导致导通的损耗增加。

技术实现要素：

本发明为了克服现有的传统绝缘栅双极型晶体管导通压降低但开关时间长，而阳极短路型绝缘栅双极型晶体管虽然开关速度快，但导通压降高的问题，提供一种快速开关的绝缘栅双极型晶体管，在导通压降和开关时间上有很好的折衷。

为了实现上述的目的，本发明提供了一种快速开关的绝缘栅双极型晶体管，它包括n-基区、p+基区、n+发射极区、发射极、栅氧化层、栅电极、n型缓冲层、p+集电极区、薄二氧化硅层、n型多晶硅区和金属集电极，其特征在于：p+基区、n+发射极区、发射极、栅氧化层与栅电极在n-基区的一侧；所述的n+发射区在p+集电极区远离n-基区的一侧；所述的发射极覆盖在p+基区与n+发射极区之上，并远离n-基区；所述的栅氧化层覆盖在n-基区、p+基区与n+发射极区之上，并不与发射极接触；n型缓冲层、p+集电极区、薄二氧化硅层、n型多晶硅区和金属集电极在n-基区的另一侧；所述的n型缓冲层与p+集电极区向远离n-基区方向依次层叠；所述的薄二氧化硅层与n型多晶硅区由p+集电极区向远离n型缓冲层方向依次层叠组成一个多晶硅发射极区，且此多晶硅发射极区未完全覆盖p+集电极区；所述的n型缓冲层与n型多晶硅区的掺杂类型均为n型掺杂，p+集电极区为p型掺杂；n型缓冲层、p+集电极区与n型多晶硅区的掺杂浓度依次增加；所述的金属集电极覆盖在n型多晶硅区和p+集电极区之上。

所述的n-基区为低掺杂浓度的区域，其厚度和掺杂浓度由正向击穿电压决定，正向击穿电压与厚度正相关，与掺杂浓度负相关。如正向击穿电压为1200v的绝缘栅双极型晶体管，其n-基区的厚度在80～120μm之间，而掺杂浓度在5×10¹³cm^-3～1×10¹⁴cm^-3之间。

所述的n型缓冲层在n-基区和p+集电极区之间，其掺杂浓度低，不利于在器件正向阻断时，反向电场在此n型缓冲层截止，从而导致器件正向击穿电压降低，但浓度掺杂浓度太高，则会使集电极注入的非平衡载流子被大量复合，不利于n-基区的电导调制效应，因此n型缓冲层的掺杂浓度优选为1×10¹⁴cm^-3～1×10¹⁸cm^-3之间，n型缓冲层的厚度太厚，会使导通压降升高，太薄则可能会在器件正向阻断时，被空间电荷区不能在n型缓冲层上截止，导致器件正向击穿电压降低，因此n型缓冲层的厚度优选为1～6μm。

所述的p+集电极区在n型缓冲层远离n-基区的另一侧，其掺杂浓度和厚度决定了器件在，p+集电极区的掺杂浓度与厚度越高，则正向工作时注入n-基区的非平衡载流子就越多，这样电导调制效应就越好，器件导通压降会降低，但是在器件关断时所需要抽出的非平衡载流子会越多，导致器件关断时间上升，因此所述的p+集电极区的掺杂浓度优选为5×10¹⁶cm^-3～1×10¹⁹cm^-3之间，所述的p+集电极区的厚度优选为0.5～2μm。

所述的薄二氧化硅层生长在p+集电极区与n型多晶硅区之间，薄二氧化硅层与在其上面淀积的n型高掺杂多晶硅一起形成一个多晶硅发射区，成为由n型缓冲层、p+集电极区与多晶硅发射区组成的一个npn三极管发射极，薄二氧化硅层的存在可以改善npn三极管的电流增益。所述的薄二氧化硅层的厚度优选为

所述的n型多晶硅区的掺杂浓度必须高于p+集电极区的掺杂浓度，其两者的浓度比与组成的npn三极管的电流增益呈正相关性。因此所述的n型多晶硅区的掺杂浓度优选为1×10¹⁹cm^-3～1×10²¹cm^-3之间，所述的n型多晶硅区的厚度优选为

所述的薄二氧化硅层和n型多晶硅区组成的多晶硅发射极区没有完全覆盖住p+集电极区，留出的窗口面积占窗口面积与多晶硅发射极区面积之和的大小决定了器件在正向导通时，非平衡载流子注入n-基区的多少。如果留出的窗口减小，这可以提升器件的关断时间，但较小的窗口哈我得p+集电极区注入n-基区的非平衡载流子数量会下降，这会使器件的电导调制效应下降，从而使器件的导通压降升高，因此p+集电极区所占面积优选为20％～80％之间。

所述的n型缓冲层、p+集电极区与n型多晶硅区的掺杂浓度依次增加，n型缓冲层、p+集电极区与多晶硅发射极构成了一个npn型三极管。在器件关断过程中，这个带有多晶硅发射极的npn型三极管会成为非平衡载流子的快速通道，可以把n-基区的非平衡载流子快速地抽出，从而使得器件可以迅速关断。

附图说明

图1所示为阳极短路型绝缘栅双极型晶体管的剖面结构示意图；

图2所示为本发明提供的一种快速开关的绝缘栅双极型晶体管的剖面结构示意图；

图3所示为本发明提供的一种快速开关的绝缘栅双极型晶体管与阳极短路型绝缘栅双极型晶体管的导通压降与关断时间的折衷比较仿真结果图。

具体实施方式

如图2所示，本实施例提供的绝缘栅双极型晶体管，包括：n-基区24、p+基区29、n+发射极区27、发射极28、栅氧化层25、栅电极26、n型缓冲层23、p+集电极区22、薄二氧化硅层21、n型多晶硅区20和金属集电极30，其特征在于：p+基区29、n+发射极区27、发射极28、栅氧化层25与栅电极26在n-基区的一侧，n型缓冲层23、p+集电极区22、薄二氧化硅层21、n型多晶硅区20和金属集电极30在n-基区24的另一侧；所述的n型缓冲层23与p+集电极区22向远离n-基区24方向依次层叠；所述的薄二氧化硅层21与n型多晶硅区20由p+集电极区22向远离n型缓冲层23方向依次层叠组成一个多晶硅发射极区，且此多晶硅发射极区未完全覆盖p+集电极区22；所述的n型缓冲层23与n型多晶硅区20的掺杂类型均为n型掺杂，p+集电极区22为p型掺杂；n型缓冲层23、p+集电极区22与n型多晶硅区20的掺杂浓度依次增加；所述的金属集电极30覆盖在n型多晶硅区20和p+集电极区22之上。

在本实施例中，以正向击穿电压1200v的带有三极管辅助关断的绝缘栅双极型晶体管为例，n-基区24的厚度为85μm，掺杂浓度为7.5×10¹³cm^-3，也可根据要求在5.0×10¹³～2.0×10¹⁴cm^-3之间调整。

在本实施例中，p+基区29、n+发射极区27、发射极28、栅氧化层25与栅电极26在n-基区24的一侧，形成传统的平面栅型金属氧化物半导体结构(可简称为mos结构)，p+基区29的厚度为3μm，掺杂浓度为2×10¹⁷cm^-3，n+发射区的厚度为0.5μm，掺杂浓度为5×10¹⁹cm^-3；其上的发射极由测射的金属铝覆盖，铝的厚度为4μm；栅氧化层25的厚度为栅电极26材料为掺磷多晶硅，为调整阈值电压掺磷的浓度为5×10¹⁹cm^-3，厚度为

在本实施例中，n型缓冲层23在n-基区24形成mos结构的另一侧，其掺杂浓度为5.0×10¹⁵cm^-3，厚度为3μm；p+集电极区22在n型缓冲层23远离n-基区24的一侧，掺杂浓度为1.0×10¹⁸，厚度为1.5μm。

在本实施例中，薄二氧化硅层21与n型多晶硅区20由p+集电极区22在远离n型缓冲层23方向依次层叠组成一个多晶硅发射极区。薄二氧化硅层21的厚度为n型多晶硅区20使用磷进行掺杂，磷的掺杂浓度为1×10²⁰cm^-3，n型多晶硅区的厚度为

在本实施例中，薄二氧化硅层21和n型多晶硅区20组成的多晶硅发射极区完全覆盖住p+集电极区22，留出的窗口面积占窗口面积与多晶硅发射极区面积之和的50％。

在本实施例中，覆盖在p+集电极区22与n型多晶硅区20的金属集电极30，采用多层金属的结构，依次淀积的金属为al、ti、ni、ag，厚度分别是：和

根据以上面实施例工艺制作方法所做的绝缘栅双极型晶体管，由于n型缓冲层23、p+集电极区22与n型多晶硅区20的掺杂浓度依次增加，由此n型缓冲层23、p+集电极区22与多晶硅发射区组成了一个npn型带有多晶硅发射极的三极管，众所周知，具有多晶硅发射极的三极管具有快速的开关性能，在此绝缘栅双极型晶体管的关断过程中，可以形成一个抽取非平衡载流子的快速通道，把非平衡载流子从n-基区24迅速抽出，从而使得绝缘栅双极型晶体管可以迅速关断。

根据本实施例中的各参数的设置，对本实施例提供的绝缘栅双极型晶体管进行关断时间与导通压降的器件仿真，其在100a/cm^-2的集电极电流密度下的导通压降为1.78v，关断时间为0.18μs。与相同正面结构的参数及背面p+集电极区参数的阳极短路型双极型晶体管在不同非平衡载流子寿命下导通压降与关断时间的折衷仿真结果比较如图3所示，可以看出，本实施例的绝缘栅双极型晶体管具有更好的导通压降与关断时间的折衷。在导通压降相同的情况下，关断时间至少会快40％以上，在少子寿命较短，导通压降较高时，关断时间甚至会快一倍以上。

虽然本发明已有较佳实施例如上所示，然而并非用以限定本发明，对于本领域技术人员人说，在本专利构思及具体实施例启发下，能够从本专利公开内容及常识直接联想到一些变形，本领域普通技术人员也会想到可采用其他方式，或现有技术中常公知技术的替代，以及特征的等效变化或修饰，特征间的相互不同组合等非实质性改动，同样可以被应用，都能实现本专利描述的器件效果。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所要求的保护范围为准。