具有半超結(jié)結(jié)構(gòu)的igbt的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有半超結(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)，所述漂移區(qū)和緩沖層之間還設(shè)有電壓支持層，所述漂移區(qū)和電壓支持層構(gòu)成半超結(jié)結(jié)構(gòu)。本發(fā)明將半超結(jié)結(jié)構(gòu)引入IGBT中，相同通態(tài)比電阻時，半超結(jié)結(jié)構(gòu)IGBT相對于超結(jié)結(jié)構(gòu)IGBT長寬比更小，可以減少制備工藝，降低工藝難度和成本；同時，半超結(jié)結(jié)構(gòu)底端電壓支持層相當(dāng)于外延雙基區(qū)二極管結(jié)構(gòu)中的緩沖層，解決了超結(jié)結(jié)構(gòu)IGBT反向恢復(fù)較硬的問題。
【專利說明】具有半超結(jié)結(jié)構(gòu)的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半超結(jié)結(jié)構(gòu)的IGBT。
【背景技術(shù)】
[0002]絕緣柵雙極晶體管(IGBT)是場效應(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)動簡單、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)動簡單，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(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。然而，超結(jié)結(jié)構(gòu)本身存在不足，電荷平衡很難控制且反向恢復(fù)特性較硬。半超結(jié)結(jié)構(gòu)正好可以較好的解決這個問題，因此將半超結(jié)結(jié)構(gòu)應(yīng)用在IGBT中不但可以與現(xiàn)有CoolMOS工藝相兼容，而且可以進(jìn)一步提高器件性能。
[0005]目前功率半導(dǎo)體器件耐壓層通常采用超結(jié)結(jié)構(gòu)，超結(jié)結(jié)構(gòu)(superjunction)是由交替存在的η區(qū)和ρ區(qū)所構(gòu)成的耐壓層，以及該耐壓層上面和下面的η+和ρ+區(qū)域組成。該結(jié)構(gòu)外加較大反向偏壓時，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)。正向?qū)〞r，雖然電流通路變?yōu)樵瓉硪话耄茀^(qū)(η柱或P柱)摻雜濃度提高很多，導(dǎo)通電阻大大降低。
[0006]然而超結(jié)結(jié)構(gòu)具有以下缺點(diǎn):
[0007](I)超結(jié)結(jié)構(gòu)基于電荷補(bǔ)償原理，要求電荷平衡，否則器件性能大大降低。設(shè)計中為了滿足高耐壓和低通態(tài)電阻的要求，要求耐壓層中柱區(qū)長寬比很大。高壓IGBT芯片耐壓層很厚，因此無論采用刻蝕外延還是多次外延注入工藝，在長寬比較大的情況下很難滿足電荷平衡且制備成本很高。[0008](2)超結(jié)結(jié)構(gòu)中寄生著PiN 二極管，工作中起到反并聯(lián)續(xù)流二極管作用。正向?qū)〞r，大量過剩載流子儲存在η柱中，使得超結(jié)結(jié)構(gòu)反向恢復(fù)電荷很高。同時，超結(jié)結(jié)構(gòu)中η柱及ρ柱通常很窄，橫向ρη結(jié)使得載流子迅速排出，反向恢復(fù)較硬，反向恢復(fù)具有較高的電流峰值，較大的電磁干擾(EMI)噪聲和較高的功耗。反向恢復(fù)電流下降速度過大使得其在電路電感中產(chǎn)生較高的電動勢，這個電動勢疊加到電源上不僅提高了二極管及開關(guān)元件對電壓的要求和成本，同時也對二極管和開關(guān)器件產(chǎn)生威脅。
[0009]針對這些問題，目前已經(jīng)提出了如摻金、鉬或通過輻照來控制載流子壽命，減小反向恢復(fù)電荷等方法。但摻雜會破壞電荷平衡，輻照對器件使用壽命有較大的影響。因此，有人提出在超結(jié)MOSFET中使用肖特基接觸來改善開關(guān)特性。第三代C00LM0STM C3系列則通過在內(nèi)部集成一個SiC 二極管來改善其反向恢復(fù)特性，取得了較好的效果但增加了制造難度及成本。
[0010]因此，針對上述技術(shù)問題，有必要提供一種具有半超結(jié)結(jié)構(gòu)的IGBT。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]有鑒于此，本發(fā)明提供了一種具有半超結(jié)結(jié)構(gòu)的IGBT，將電荷補(bǔ)償理論應(yīng)用在IGBT芯片設(shè)計中，制備工藝與現(xiàn)有CoolMOS相兼容，解決了超結(jié)結(jié)構(gòu)本身的不足。
[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]一種具有半超結(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)，所述漂移區(qū)和緩沖層之間還設(shè)有電壓支持層，所述漂移區(qū)和電壓支持層構(gòu)成半超結(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)，`所述電壓支持層為η型區(qū)。
[0016]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述注入層為P+摻雜，所述電壓支持層為η-摻雜。
[0017]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述漂移區(qū)中的ρ柱為P-摻雜，η柱為η-摻雜。
[0018]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述半超結(jié)結(jié)構(gòu)的擊穿電壓為漂移區(qū)和電壓支持層的擊穿電壓之和，即VBsemi_SJ=VBSJ+VBBAL，VBsemi_SJ, VBsj, VBBAl分別為半超結(jié)結(jié)構(gòu)、漂移區(qū)和電壓支持層的擊穿電壓。
[0019]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述半超結(jié)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)通電阻為漂移區(qū)和電壓支持層的導(dǎo)通電阻之和，即Rsem1-sl=Rm+Rsl，Rsem1-Sj> RSJ> Rg分別為半超結(jié)結(jié)構(gòu)、漂移區(qū)和電壓支持層的導(dǎo)通電阻。
[0020]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述半超結(jié)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)通電阻為:
【權(quán)利要求】
1.一種具有半超結(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)，其特征在于，所述漂移區(qū)和緩沖層之間還設(shè)有電壓支持層，所述漂移區(qū)和電壓支持層構(gòu)成半超結(jié)結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有半超結(jié)結(jié)構(gòu)的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所述的具有半超結(jié)結(jié)構(gòu)的IGBT，其特征在于，所述電壓支持層為η型區(qū)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有半超結(jié)結(jié)構(gòu)的IGBT，其特征在于，所述注入層為ρ+摻雜，所述電壓支持層為η-摻雜。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有半超結(jié)結(jié)構(gòu)的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。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有半超結(jié)結(jié)構(gòu)的IGBT，其特征在于，所述半超結(jié)結(jié)構(gòu)的擊穿電壓為漂移區(qū)和電壓支持層的擊穿電壓之和，即VBsemi_SJ=VBa+VBBAL，VBsemi_SJ, VBsj, VBbal分別為半超結(jié)結(jié)構(gòu)、漂移區(qū)和電壓支持層的擊穿電壓。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有半超結(jié)結(jié)構(gòu)的IGBT，其特征在于，所述半超結(jié)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)通電阻為漂移區(qū)和電壓支持層的導(dǎo)通電阻之和，即Rsemi_Sj=lW+RSj，Rsem1-Sj、RSj、lW分別為半超結(jié)結(jié)構(gòu)、漂移區(qū)和電壓支持層的導(dǎo)通電阻。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的具有半超結(jié)結(jié)構(gòu)的IGBT，其特征在于，所述半超結(jié)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)通電阻為:

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有半超結(jié)結(jié)構(gòu)的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】H01L29/739GK103594504SQ201310589367
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年11月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月19日
【發(fā)明者】曹琳 申請人:西安永電電氣有限責(zé)任公司