具有超結(jié)結(jié)構(gòu)的高壓igbt的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有超結(jié)結(jié)構(gòu)的高壓IGBT，所述IGBT包括漂移區(qū)、位于所述漂移區(qū)上方的p型區(qū)及n型區(qū)、位于所述漂移區(qū)下方的緩沖層、以及位于所述緩沖層下方的注入層，所述漂移區(qū)為由交替相間的p柱和n柱構(gòu)成的超結(jié)結(jié)構(gòu)。本發(fā)明將電荷補(bǔ)償原理設(shè)計(jì)的超結(jié)結(jié)構(gòu)引入IGBT中，能保證高耐壓的同時(shí)導(dǎo)通電阻大大降低；同時(shí)，橫向交替存在的pn結(jié)有利于關(guān)斷過程中迅速排出正向?qū)〞r(shí)存儲(chǔ)在漂移區(qū)中的少數(shù)載流子，關(guān)斷時(shí)間減少。
【專利說明】 具有超結(jié)結(jié)構(gòu)的局壓IGBT
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電力電子【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種具有超結(jié)結(jié)構(gòu)的高壓IGBT。
【背景技術(shù)】
[0002]絕緣柵雙極晶體管(IGBT)是場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)和雙極功率晶體管(BJT)結(jié)合形成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，具有MOSFET輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單、開關(guān)速度高的優(yōu)點(diǎn)，又具有BJT電流密度大、飽和壓降低、電流處理能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，是比較理想的全控型器件。新一代溝槽柵場(chǎng)終止型IGBT綜合了前幾代產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)，采用最新功率半導(dǎo)體制造工藝，其模塊容量應(yīng)已經(jīng)達(dá)到400A-2400A/1200V-6500V，滿足電力電子與電力傳動(dòng)領(lǐng)域應(yīng)用要求，并正在向更高功率要求的應(yīng)用領(lǐng)域拓展。
[0003]現(xiàn)代電力電子器件要求:(I)更大導(dǎo)通電流容量，更高阻斷電壓及更高功率容量；
(2)低通態(tài)電阻和低導(dǎo)通壓降；(3)更快的開關(guān)速度和更高的工作頻率；(4)驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單，易于控制；(5)高穩(wěn)定性及高可靠性，成本低。IGBT滿足大部分現(xiàn)代電力電子器件要求，但高壓時(shí)導(dǎo)通電阻較大、導(dǎo)通壓降高且開關(guān)速度慢。目前，已經(jīng)有較多的研究在解決這些問題，例如:(1)刻槽技術(shù)(Trench-1GBT) ；(2)穿通型IGBT設(shè)計(jì)(PT-1GBT) ；(3)注入增強(qiáng)技術(shù)(Injection enhancement-1EGT) ; (4)少子壽命控制技術(shù)。然而,這些技術(shù)對(duì)器件性能的改進(jìn)都是有限的或者需要進(jìn)行折衷處理。
[0004]20世紀(jì)80年代末90年代初，一種新概念的提出打破了 “硅限”，它可以同時(shí)得到較低的功耗和較高的開關(guān)速度。這一概念經(jīng)過演化和完善之后，成為現(xiàn)在的“超結(jié)理論”(Superjunction Theory)。目前商品化的CoolMOS?就是在超結(jié)理論的基礎(chǔ)上發(fā)展出來的，得到了擊穿電壓與通態(tài)比電阻之間較好的關(guān)系。因此，將超結(jié)結(jié)構(gòu)應(yīng)用在IGBT中可以與現(xiàn)有CoolMOS工藝相兼容，滿足高耐壓要求的同時(shí)進(jìn)一步減小通態(tài)比電阻，降低器件正向?qū)ü摹?br> [0005]目前高壓IGBT芯片通常采用電場(chǎng)截止型設(shè)計(jì)(FS-1GBT)，通過在n_基區(qū)和ρ+集電區(qū)之間加入一個(gè)比η-基區(qū)窄而摻雜濃度高的η型緩沖層，彌補(bǔ)了非穿通型(NPT)及穿通型(PT) IGBT的不足。
[0006]然后現(xiàn)有技術(shù)具有以下缺點(diǎn):
[0007](I) FS-1GBT中的η型緩沖層是在表面MOSFET工藝完成后經(jīng)離子注入和退火推進(jìn)形成的，退火條件不當(dāng)容易造成緩沖層較薄，電場(chǎng)截止效果不明顯；
[0008](2)需要背面減薄工藝，減薄后厚度較薄，碎片率較高；
[0009](3)FS-1GBT中承受耐壓的漂移區(qū)通態(tài)比電阻與擊穿電壓之間存在制約關(guān)系，提高擊穿電壓和降低通態(tài)比電阻不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)，高壓設(shè)計(jì)時(shí)通態(tài)比電阻較大，功耗及壓降大。
[0010]因此，針對(duì)上述技術(shù)問題，有必要提供一種具有超結(jié)結(jié)構(gòu)的高壓IGBT。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]有鑒于此，本發(fā)明提供了一種具有超結(jié)結(jié)構(gòu)的高壓IGBT，將超結(jié)理論應(yīng)用在IGBT中，滿足高耐壓的同時(shí)進(jìn)一步減小通態(tài)比電阻，降低正向?qū)ü?，且制備工藝與現(xiàn)有CoolMOS相兼容。
[0012]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明實(shí)施例提供的技術(shù)方案如下:
[0013]一種具有超結(jié)結(jié)構(gòu)的IGBT，所述IGBT包括漂移區(qū)、位于所述漂移區(qū)上方的P型區(qū)及η型區(qū)、位于所述漂移區(qū)下方的緩沖層、以及位于所述緩沖層下方的注入層，所述漂移區(qū)為由交替相間的P柱和η柱構(gòu)成的超結(jié)結(jié)構(gòu)。
[0014]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述緩沖層為η型區(qū)，所述注入層為P型區(qū)。
[0015]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述注入層為P+摻雜。
[0016]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述漂移區(qū)中的ρ柱為P-摻雜，η柱為η-摻雜。
[0017]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述漂移區(qū)上方η型區(qū)兩端分別設(shè)有發(fā)射極和柵極，所述注入層的下方設(shè)有集電極。
[0018]本發(fā)明具有以下有益效果:
[0019]將電荷補(bǔ)償原理設(shè)計(jì)的超結(jié)結(jié)構(gòu)引入IGBT中，能保證高耐壓的同時(shí)導(dǎo)通電阻大大降低；
[0020]橫向交替存在的ρη結(jié)有利于關(guān)斷過程中迅速排出正向?qū)〞r(shí)存儲(chǔ)在漂移區(qū)中的少數(shù)載流子，關(guān)斷時(shí)間減少
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明中記載的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0022]圖1為現(xiàn)有技術(shù)中電場(chǎng)截止型FS-1GBT的結(jié)構(gòu)示意圖及電場(chǎng)分布曲線圖；
[0023]圖2為本發(fā)明一實(shí)施方式中超結(jié)結(jié)構(gòu)SJ-1GBT的結(jié)構(gòu)示意圖及電場(chǎng)分布曲線圖；
[0024]圖3為四種超結(jié)原胞的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]為了使本【技術(shù)領(lǐng)域】的人員更好地理解本發(fā)明中的技術(shù)方案，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都應(yīng)當(dāng)屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0026]參圖1所示，現(xiàn)有技術(shù)中電場(chǎng)截止型FS-1GBT包括漂移區(qū)3、位于漂移區(qū)3上方的P型區(qū)2及η型區(qū)1、位于漂移區(qū)下方的緩沖層4、以及位于緩沖層4下方的注入層5，還包括位于η型區(qū)I上方的發(fā)射極6、柵極7和位于注入層5下方的集電極8。其中，漂移區(qū)3為η-摻雜。
[0027]電場(chǎng)截止型FS-1GBT中電場(chǎng)斜率與η-漂移區(qū)摻雜濃度成反比，綜合考慮擊穿電壓與通態(tài)比電阻之間的關(guān)系，漂移區(qū)摻雜濃度不能太大，通態(tài)比電阻較高。
[0028]參圖2所示，本發(fā)明中超結(jié)結(jié)構(gòu)SJ-1GBT包括由交替相間的ρ柱31和η柱32構(gòu)成的超結(jié)結(jié)構(gòu)漂移區(qū)、位于漂移區(qū)上方的P型區(qū)2及η型區(qū)1、位于漂移區(qū)下方的緩沖層4、以及位于緩沖層4下方的注入層5，該超結(jié)結(jié)構(gòu)SJ-1GBT還包括位于η型區(qū)I上方的發(fā)射極
6、柵極7和位于注入層5下方的集電極8。
[0029]超結(jié)結(jié)構(gòu)(super junction)是由交替存在的η柱和ρ柱所構(gòu)成的耐壓層,如圖2所示。SJ-1GBT集電極外加較大偏壓時(shí)，η柱及ρ柱將全部耗盡，施主和受主電離產(chǎn)生出正電荷及負(fù)電荷。由于η柱及ρ柱交替排列,η柱中正電荷產(chǎn)生的電力線沿橫向大部分終止于ρ柱中的負(fù)電荷，正負(fù)電荷補(bǔ)償。這樣整體看來，漂移區(qū)等效電荷密度降低很多，理想情況下耐壓層中正負(fù)電荷完全補(bǔ)償，類似于本征。所以，即使η柱及ρ柱摻雜濃度很高，也能得到很高的擊穿電壓，擊穿電壓與摻雜濃度無關(guān)。
[0030]SJ-1GBT正向?qū)〞r(shí)的工作機(jī)理與FS-1GBT有很大不同。FS-1GBT正向?qū)〞r(shí)，大量的電子通過柵極下的溝道進(jìn)入耐壓層，這使得P+發(fā)射區(qū)也向耐壓層注入大量的空穴，正向?qū)〞r(shí)耐壓層中載流子濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其本身的摻雜濃度，導(dǎo)通壓降也因?yàn)檫@種強(qiáng)烈的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)而降低很多。SJ-1GBT由于在耐壓層中插入了高摻雜濃度的η柱及P柱，這使得正向?qū)〞r(shí)，電導(dǎo)調(diào)制主要發(fā)生在靠近陽極一側(cè)的耐壓區(qū)，這部分區(qū)域以電流的雙極輸運(yùn)為主；靠近陰極一側(cè)的耐壓區(qū)，非平衡載流子濃度幾乎為零，電子電流與空穴電流分別在η柱及ρ柱內(nèi)各自流動(dòng)，以單級(jí)輸運(yùn)為主。SJ-1GBT存在單級(jí)和雙極兩種電流輸運(yùn)模式。
[0031]同時(shí)，漂移區(qū)中的超結(jié)結(jié)構(gòu)有利于關(guān)斷過程中迅速排出正向?qū)〞r(shí)存儲(chǔ)在漂移區(qū)中的少數(shù)載流子，關(guān)斷時(shí)間大大減少。
[0032]超結(jié)結(jié)構(gòu)常見的原胞形式如圖3所示，其中叉指式原胞屬于一維電荷補(bǔ)償，補(bǔ)償效果在常用的原胞形式中最差。其它形式的原胞都是二維電荷補(bǔ)償，通態(tài)比電阻和耐壓之間的限制關(guān)系要好一些。
[0033]本發(fā)明中SJ-1GBT工藝與CoolMOS兼容，通常采用多次外延或深溝工藝完成。
[0034]電力電子裝置中半導(dǎo)體功率器件應(yīng)該具有低驅(qū)動(dòng)功率需求和損耗、低正向?qū)▔航岛蛯?dǎo)通損耗、良好的反向阻斷特性和極低的阻斷損耗，極低的開關(guān)損耗等。目前，IGBT模塊滿足電力電子裝置的絕大部分要求。然而對(duì)于高壓IGBT模塊，導(dǎo)通壓降通常較大，開關(guān)速度較低。
[0035]由以上技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0036]將電荷補(bǔ)償原理設(shè)計(jì)的超結(jié)結(jié)構(gòu)引入IGBT中，能保證高耐壓的同時(shí)導(dǎo)通電阻大大降低；
[0037]橫向交替存在的ρη結(jié)有利于關(guān)斷過程中迅速排出正向?qū)〞r(shí)存儲(chǔ)在漂移區(qū)中的少數(shù)載流子，關(guān)斷時(shí)間減少。
[0038]對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實(shí)施例的細(xì)節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。因此，無論從哪一點(diǎn)來看，均應(yīng)將實(shí)施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化囊括在本發(fā)明內(nèi)。不應(yīng)將權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記視為限制所涉及的權(quán)利要求。
[0039]此外，應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說明書按照實(shí)施方式加以描述，但并非每個(gè)實(shí)施方式僅包含一個(gè)獨(dú)立的技術(shù)方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說明書作為一個(gè)整體，各實(shí)施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實(shí)施方式。
【權(quán)利要求】
1.一種具有超結(jié)結(jié)構(gòu)的高壓IGBT，所述IGBT包括漂移區(qū)、位于所述漂移區(qū)上方的P型區(qū)及η型區(qū)、位于所述漂移區(qū)下方的緩沖層、以及位于所述緩沖層下方的注入層，其特征在于，所述漂移區(qū)為由交替相間的P柱和η柱構(gòu)成的超結(jié)結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有超結(jié)結(jié)構(gòu)的高壓IGBT，其特征在于，所述緩沖層為η型區(qū)，所述注入層為P型區(qū)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有超結(jié)結(jié)構(gòu)的高壓IGBT，其特征在于，所述注入層為ρ+摻雜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有超結(jié)結(jié)構(gòu)的高壓IGBT，其特征在于，所述漂移區(qū)中的ρ柱為P-摻雜，η柱為η-摻雜。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有超結(jié)結(jié)構(gòu)的高壓IGBT，其特征在于，所述漂移區(qū)上方η型區(qū)兩端分別設(shè)有發(fā)射極和柵極，所述注入層的下方設(shè)有集電極。
【文檔編號(hào)】H01L29/739GK103594502SQ201310587334
【公開日】2014年2月19日 申請(qǐng)日期:2013年11月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月19日
【發(fā)明者】曹琳 申請(qǐng)人:西安永電電氣有限責(zé)任公司