绝缘栅双极型晶体管以及电子设备的制作方法

本实用新型涉及电子领域，具体地，涉及绝缘栅双极型晶体管以及电子设备。

背景技术：

绝缘栅双极型晶体管(insulated-gate bipolar transistor,IGBT)是一种新型的MOS功率半导体器件，同时具备功率MOSFET以及双极晶体管的特点，具有输入阻抗高、控制功率小、易于驱动、开关频率高、导通电流大、导通损耗小的优点。然而，IGBT在工作时，晶体管电流经基区流至发射极过程中，受基区电阻影响，容易造成晶体管导通，IGBT器件发生闩锁。虽然可以通过引入重掺杂的体区缓解上述问题，但形成重掺杂的体区需要严格控制掺杂的浓度、注入能量等参数。而由于离子注入工艺的极限，导致IGBT器件在较大的导通电流，或是电流变化率过大时，仍旧会发生闩锁，器件无法正常关断，甚至发生烧毁。

因此，目前的绝缘栅双极型晶体管仍有待改进。

技术实现要素：

本实用新型旨在至少一定程度上缓解或解决上述提及问题中至少一个。

为此，在本实用新型的一个方面，本实用新型提出了一种绝缘栅双极型晶体管。该绝缘栅双极型晶体管包括：集电区、漂移区和基区，所述漂移区靠近所述集电区，且所述基区位于所述漂移区远离所述集电区的一侧；发射区，所述发射区位于所述基区在远离所述漂移区的一侧；栅极结构，所述栅极结构位于所述基区远离所述漂移区的一侧，覆盖所述基区的部分表面且与所所述发射区相接触；发射电极，所述发射电极位于所述栅极结构远离所述基区的一侧，且与所述栅极结构绝缘设置，并与所述基区相接触，电阻层，所述电阻层位于所述基区远离所述漂移区的一侧，所述电阻层与所述发射电极、所述发射区和所述基区接触，并与所述栅极结构之间绝缘设置。由此，可利用电阻层防止IGBT中双极晶体管的基区和发射区之间导通，防止器件发生闩锁，而无需为了防止闩锁而对体区进行重掺杂，或是控制对体区的注入工艺进行严格控制。并且，该缘栅双极型晶体管结构简单，电阻层无需额外引入构图工艺形成，因此有利于该缘栅双极型晶体管的推广和应用。

具体地，所述栅极结构为多晶硅栅，所述电阻层包括多晶硅。由此，可较为简便地在形成多晶硅栅的同时，利用栅结构的材料形成电阻层。

具体地，所述电阻层位于所述栅极结构以及所述发射区之间。由此，可进一步方便电阻层的设置。

具体地，所述电阻层覆盖所述发射区的部分表面，并且覆盖所述基区与所述发射区相邻的部分。由此，可以较为有效地防止IGBT器件发生闩锁。

具体地，该绝缘栅双极型晶体管进一步包括绝缘介质层，所述绝缘介质层覆盖所述栅极结构以及所述电阻层，并将所述栅极结构以及所述电阻层间隔开。由此，可进一步提高IGBT器件的性能。

具体地，所述发射电极覆盖所述绝缘介质层，并与所述电阻层的侧壁相接触。由此，可进一步提高IGBT器件的性能。

具体地，该绝缘栅双极型晶体管进一步包括集电极，所述集电极位于所述集电区远离所述漂移区的一侧。由此，可进一步提高IGBT器件的性能。

具体地，该绝缘栅双极型晶体管进一步包括场终止层。由此，可进一步提高IGBT器件的性能，且可适当地减薄漂移区的厚度。

具体地，所述电阻层的阻值，大于所述基区电阻的阻值。由此，可进一步提高IGBT器件的性能。

在本实用新型的另一方面，本实用新型提出了一种电子设备。该电子设备包括前面所述的绝缘栅双极型晶体管。由此，该电子设备具有前面描述的绝缘栅双极型晶体管所具有的全部特征以及优点，在此不再赘述。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1显示了目前的绝缘栅双极型晶体管的结构示意图；

图2显示了图1所示出的绝缘栅双极型晶体管的等效电路图；

图3显示了根据本实用新型一个实施例的绝缘栅双极型晶体管的结构示意图；

图4显示了图2所示出的绝缘栅双极型晶体管的等效电路图；

图5显示了制备根据本实用新型实施例的绝缘栅双极型晶体管的部分流程图；以及

图6显示了制备根据本实用新型实施例的绝缘栅双极型晶体管的部分流程图。

附图标记说明：

800：集电区；100：漂移区；200：基区；300：发射区；400：栅极结构；410：栅极氧化层；420：多晶硅层；500’：多晶硅材料；500：电阻层；600：绝缘介质层；700：发射极；900：集电极；10：栅极氧化物；20：光刻胶。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的一个方面，本实用新型提出了一种绝缘栅双极型晶体管(或称为IGBT)。参考图3，该绝缘栅双极型晶体管包括：集电区800、漂移区100和基区200，基区200在远离漂移区100的一侧具有发射区300，发射区300与位于基区200远离漂移区100的一侧栅极结构400相接触。栅极结构400以及发射电极700之间具有电阻层500，电阻层500与发射电极700、发射区300和基区200均接触，并与栅极结构400之间绝缘设置。由此，可利用电阻层500防止IGBT中双极晶体管的基区200和发射区300之间的PN结导通，从而可以防止器件发生闩锁，而无需为了防止闩锁而对体区进行重掺杂，或是控制对体区的注入工艺进行严格控制。并且，该缘栅双极型晶体管结构简单，电阻层无需额外引入构图工艺形成，因此有利于该缘栅双极型晶体管的推广和应用。

为了方便理解，下面首先对根据本实用新型实施例的IGBT可实现防止闩锁的原理进行简单说明。

参考图1以及图2，如前所述，IGBT器件可以看作是一个电压控制的双极性器件，相当于把MOSFET作为输入端，把双极晶体管作为输出端。下面以发射区300是N⁺重掺杂，基区200是P型掺杂，漂移区100是N^-轻掺杂，集电区800是P型掺杂为例，说明图1中所示出的IGBT发生闩锁的原因：图2是IGBT器件的等效电路图，可以看作MOSFET驱动的宽基区PNP晶体管以及一个寄生的NPN晶体管。发射极700将IGBT的N⁺发射区300和P型基区200短接，相当于IGBT的发射极700与寄生NPN晶体管的发射极短路，晶体管电流经过P型基区200流至发射极700，会受到流经区域的P型基区200的电阻(Rw)影响，在寄生NPN晶体管的基极和发射极700之间形成电压降，若此压降超过发射结的内建电势，则NPN晶体管导通。由此导致IGBT器件发生闩锁，无法正常关断。虽然该问题可以通过引入重掺杂的体区，降低基区200的电阻Rw，但如前所述，该策略受到离子注入技术极限的限制，仍旧不能够较好的缓解IGBT器件发生闩锁。并且，该策略需要对离子注入进行严格的控制，因此也增加了制备工艺的难度和器件的生产成本。

本实用新型的一个目的在于提出一种新型的IGBT结构，通过引入电阻层，缓解甚至解决双极晶体管导通而导致的器件发生闩锁的问题。该IGBT结构无需复杂的制备工艺即可实现，且可适用于多种不同的元胞结构。

具体地，参考图3以及图4，本实用新型在与栅极结构400同层的位置处，增加电阻层500。发射极700将电阻层500与基区200短接，如图4所示出的等效电路图，相当于在发射区300与IGBT的发射极700之间形成一个电阻Rs，该电阻Rs可以将寄生晶体管发射极700的电位钳住，使其发射极电位一直高于基区电位，防止晶体管导通。由此，可防止由于晶体管导通而导致的器件发生闩锁。

具体地，电阻层500可以是在发射区300与发射极700之间引入的一层高阻材料。例如，栅极结构400可以为多晶硅栅。而多晶硅材料在不掺杂的情况下，具有较为适当的电阻，可用于形成电阻层500。由此，可在形成多晶硅栅的同时，在栅极结构400靠近发射极700与基区200接触的一侧，形成一层多晶硅作为电阻层500。

根据本实用新型的具体实施例，电阻层500可位于栅极结构400以及发射区300之间，电阻层500与栅极结构400同层，均位于基区200的顶部(远离漂移区的一侧)。发射区300的一侧与栅极结构400相接触，另一侧与电阻层500相接触，通过电阻层500连接发射极700。由此，在该IGBT的MOSFET打开时，栅极结构400和基区200之间有电流流过。当器件处于较大的导通电流下，或是电流变化率过大时，由于基区200和发射极700之间具有电阻层500，即便基区200的电阻(Rw)导致基区200和发射极700之间的电压降超过发射结的内建电势，由于有电阻层500(相当于图4中所示出的Rs)的存在，寄生晶体管也不会导通，发射区300和发射极700之间不会有电流流通。

根据本实用新型的实施例，该绝缘栅双极型晶体管还可包括常规的IGBT器件所具有的常规结构。例如，可包括绝缘介质层600，绝缘介质层600覆盖栅极结构400以及电阻层500，并将栅极结构400以及电阻层500间隔开。栅极结构400和电阻层500均仅覆盖基区200的部分表面，只要栅极结构400和电阻层500能够与发射区300相接触即可。发射电极700覆盖绝缘介质层600，并与所述电阻层的侧壁相接。即：绝缘介质层600可覆盖电阻层500和栅极结构400彼此相邻一侧的侧壁，以及电阻层500和栅极结构400远离发射区300一侧的顶面，以实现电阻层500和栅极结构400之间的绝缘，同时将栅极结构400与发射极700之间绝缘间隔。发射极700与电阻层500远离栅极结构400一侧的侧壁相接触，同时与基区200暴露在外的部分相接触，以实现IGBT器件的使用功能。在集电区800远离漂移区100的一侧，还可具有集电极900。

根据本实用新型一些实施例，该绝缘栅双极型晶体管中，集电区800、漂移区100、基区200等结构的具体掺杂类型、掺杂浓度等参数均不受特别限制，本领域技术人员可根据实际情况进行选择。例如，可根据器件的耐压需求，对漂移区100的电阻率、厚度等参数进行设计。根据本实用新型一些具体的实施例，发射区300可以是重掺杂的，漂移区100可以是轻掺杂的，发射区300和漂移区100可具有相同的掺杂类型，基区200的掺杂类型与发射区300和漂移区100相反，集电区800可通过对漂移区100的背面(远离基区200的一侧)进行掺杂而形成的。当漂移区100的厚度较厚时，该绝缘栅双极型晶体管可以不设置场终止层。

或者，根据本实用新型一些实施例，该绝缘栅双极型晶体管可具有包括场终止层。此时器件的漂移区可设计的较薄，通过背面掺杂形成场终止层和集电区，集电区和场终止层的掺杂类型相反。

如前所述，电阻层500是通过防止IGBT内部的双极管导通而实现防止器件发生闩锁的作用的。因此，可通过调节电阻层500的厚度等参数，令电阻层500的阻值，大于基区电阻的阻值。由此，可防止电流从基区和发射区之间，经发射极流出。发明人发现，多晶硅材料具有较为适当的电阻率，可以简便的通过控制电阻层的厚度，或是进行适当掺杂等操作，将电阻层500控制在合理范围内，即可起到防止器件发生闩锁，又不会由于电阻过大，而影响整个IGBT器件的性能。

为了方便理解，下面对制备该IGBT的工艺进行简单说明。

参考图5中的(1)-(3)，可选用轻掺杂N型单晶半导体衬底材料(图中未示出)，可根据器件耐压选择合适的电阻率。在衬底表面形成漂移区100之后，可在漂移区100远离衬底一侧的表面通过热氧生长的方式，生长一层较为致密的栅极氧化物10。随后可通过设置光刻胶并进行光刻(设置掩膜20)，向基区开口进行离子注入P型杂质，并通过高温扩散形成P型基区200。随后，可将P基区开口表面的栅极氧化物10去除形成栅极氧化层410，并淀积多晶硅，光刻去除部分多晶硅，形成N⁺发射区开口，剩余的多晶硅形成多晶硅层420，以实现栅极结构400的制备，同时残留用于形成电阻层的多晶硅材料500’。在开口区域离子注入N型杂质，并经过高温扩散形成N⁺发射区300。

随后，参考图6中的(4)-(5)，淀积绝缘介质以形成绝缘介质层600，并通过光刻将发射极位置打孔开口，淀积金属形成发射极700。随后，可根据器件耐压需求，选择合适的厚度进行背面减薄工艺，并背面离子注入P型杂质形成P型集电区800，设置集电极900。

综上所述，根据本实用新型实施例的IGBT器件，通过引入钳位电阻Rs，实现抑制寄生晶体管的导通。该绝缘栅双极型晶体管具有实现工艺较简单、对器件参数影响较小、安全工作区较大等优点。同时该结构对器件的阈值、沟道电阻没有明显的影响，可保证器件的性能。形成多晶的电阻层可兼容多晶栅的工艺，工艺步骤简单，易实现。制作过程中无需增加光罩版，可以适用于多种元胞结构。

在本实用新型的另一方面，本实用新型提出了一种电子设备。该电子设备包括前面所述的绝缘栅双极型晶体管。由此，该电子设备具有前面描述的绝缘栅双极型晶体管所具有的全部特征以及优点，在此不再赘述。

在本实用新型的描述中，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型而不是要求本实用新型必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“另一个实施例”等的描述意指结合该实施例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。另外，需要说明的是，本说明书中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。