CN101752415A - 一种绝缘栅双极晶体管及其制造方法 - Google Patents

一种绝缘栅双极晶体管及其制造方法 Download PDF

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邵凯
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Abstract

本发明提供一种绝缘栅双极晶体管,包括金属层、P+区、场终止层、N-区、P区、N+区、栅氧层及硅栅层。该场终止层包含N型硅锗合金。本发明还提供一种制造绝缘栅双极晶体管的方法。因本发明所提供的绝缘栅双极晶体管,利用包括N型硅锗合金的场终止层作为反向击穿终止层,进一步增强过剩少子空穴复合几率,从而减少了绝缘栅双极晶体管的关断时间并提高了关断速度,进而提高了电路效率。

Description

一种绝缘栅双极晶体管及其制造方法
技术领域
本发明涉及半导体功率器件制造领域,尤其涉及一种绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Biplar Transistor,IGBT)及其制造方法。
背景技术
绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Biplar Transistor,IGBT)是一种由MOSFET与双极型晶体管构成的电压控制型复合器件。它兼具两种器件的优点,既有MOSFET易于驱动、开关速度快的特点,也有双极型晶体管电压较高、电流容量较大的特点。因此,绝缘栅双极晶体管已逐步取代了高压双极晶体管和晶闸管,被广泛应用于变频空调、电力网络以及机车牵引等大功率***之中。
通常绝缘栅双极晶体管利用场终止(fieldstop)技术降低导通电阻以提高其性能,现有的绝缘栅双极晶体管的场终止技术是采用了缓变的n+-Si层来作为反向击穿终止层达到降低导通电阻的目的,然而此种技术未能大幅提高开关速度,尤其是对影响开关特性的关断时间改进效果较差。
发明内容
本发明提供一种能有效减小关断时间的绝缘栅双极晶体管。
还提供一种制造上述绝缘栅双极晶体管的方法。
一种绝缘栅双极晶体管,包括金属层、P+区、场终止层、N-区、P区、N+区、栅氧层及硅栅层。该场终止层包含N型硅锗合金。
一种制造绝缘栅双极晶体管的方法,包括第一步,提供基材,在该基材上形成栅氧层和硅栅层;第二步,在该基材的正面形成P区及N+区,并在正面制作金属电极;第三步,在该基材的背面注入锗(germanium,Ge)离子和N型杂质;第四步,通过退火形成包含N型硅锗合金的场终止层;第五步,注入硼离子并低温退火激活形成P+区和阳极;及第六步,背面蒸发形成金属层,制成绝缘栅双极晶体管。
作为本发明的进一步改进,该场终止层还包括N型杂质。
作为本发明的进一步改进,该场终止层中锗离子的浓度为1%-30%,注入能量为20KeV-1MeV。
作为本发明的进一步改进,该场终止层位于该P+区和该N-区之间。
作为本发明的进一步改进,该绝缘栅双极晶体管是用硅晶片制成,P区和N+区位于硅晶片的正面,P+区和场终止层位于硅晶片的背面。
作为本发明的进一步改进,在第三步中,在该基材的背面还注入N型杂质。
作为本发明的进一步改进,在第四步中,用低温固相外延结合激光形成GeSi晶体层,并激活注入的N型杂质。
因本发明所提供的绝缘栅双极晶体管,利用包含N型硅锗合金的场终止层作为反向击穿终止层,进一步增强过剩少子空穴复合几率,从而减少了绝缘栅双极晶体管的关断时间并提高了关断速度,进而提高了电路效率。
附图说明
图1为本发明绝缘栅双极晶体管的结构示意图。
图2为本发明绝缘栅双极晶体管制造方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述:
请参阅图1,所示为本发明实施方式的绝缘栅双极晶体管100(InsulatedGate Biplar Transistor,IGBT)的结构示意图。
在本实施方式中,绝缘栅双极晶体管100是由硅晶片制成,其包括金属层10、P+区20、场终止层30、N-区40、P区50、N+区60、栅氧层70及硅栅层80,其中N-区40为区熔硅衬底,P+区20为背面硼注入后形成的P+层。P区50和N+区60位于硅晶片的正面,P+区20和场终止层30位于硅晶片的背面。场终止层30位于P+区20和N-区40之间,包括低锗含量的硅锗合金和N型杂质。
在本实施方式中,栅氧层70为二氧化硅(SiO2)层,厚度为50-300纳米。该栅氧层70也可为其它硅化合物,如氮氧化硅等。
在本实施方式中,P区50和N+区60为绝缘栅双极晶体管100的MOS管P型阱区和源区。P区50进一步包括P-体区和P+扩散区。该P+扩散区用于连接P-体区和阴极,同时用于连接N+区60和地。
在本实施方式中,绝缘栅双极晶体管100是用同质(homogeneous)本底单晶硅晶片制成的,对低浓度N型硅晶片通过扩散形成正面的高浓度P区50及N+区60,然后制作正面电极;在背面N型硅晶片上通过离子注入锗(germanium,Ge)和N型杂质形成浓度较高厚度较薄(小于10μm)的N型硅锗合金区,并低温(350℃-450℃)固相外延形成GeSi晶体层结合激光退火进一步激活N型杂质从而形成包含N型硅锗合金和N型杂质的场终止层30,然后注入硼离子并低温退火激活形成P+区20和阳极的发射结,最后在背面蒸发形成金属层10,制成绝缘栅双极晶体管100。其中,退火时间为1个小时,温度为350℃-450℃。
因场终止层30的GeSi与P+区20的Si之间的价带能隙失配可以有效地在反向截止时将临近区域过剩少子空穴陷入GeSi层中,并通过调整GeSi层中的N型杂质注入浓度使得该区域有较高的电子浓度,从而增强过剩少子空穴复合几率,提高绝缘栅双极晶体管100的关断速度。
在本实施方式中,N型硅锗合金中锗离子的浓度为1%-30%,注入能量为20KeV-1MeV。
图2为本发明绝缘栅双极晶体管100制造方法的流程图。在步骤200,提供基材。在本实施方式中,基材为低浓度N型硅晶片;在步骤201,在基材上以热生长的方法形成栅氧层70;在步骤202,在基材上以淀积的方法形成硅栅层80;在步骤203,以光刻、干法刻蚀方法除去预定阱区和源区范围内的栅氧层70和硅栅层80,并通过注入和扩散在硅晶片的正面形成高浓度的P区50及N+区60,在正面制作金属电极;在步骤204,在硅晶片的背面通过离子注入的方式注入锗(germanium,Ge)形成硅锗合金和N型杂质形成浓度较高厚度较薄的N型硅锗合金区;在步骤205,通过低温(350-450度)固相外延形成GeSi晶体层并用激光退火进一步激活N型杂质从而形成包括GeSi合金和N型杂质的场终止层30;在步骤206,注入硼离子并低温退火激活形成P+区20和阳极的发射结;在步骤207,在背面蒸发形成金属层10,制成绝缘栅双极晶体管100。
因本发明利用包括GeSi晶体层的场终止层30作为反向击穿终止层,进一步增强过剩少子空穴复合几率,从而减少了绝缘栅双极晶体管100的关断时间并提高了关断速度,进而提高了电路效率。
本发明的场终止层30还进一步包括N型杂质,从而进一步减少了绝缘栅双极晶体管100的关断时间并提高了关断速度。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种绝缘栅双极晶体管,包括金属层、P+区、N-区、P区、N+区、栅氧层及硅栅层,其特征在于,该绝缘栅双极晶体管还包括包含N型硅锗合金的场终止层。
2.根据权利要求1所述的绝缘栅双极晶体管,其特征在于,该场终止层还包括N型杂质。
3.根据权利要求2所述的绝缘栅双极晶体管,其特征在于,该场终止层中锗离子的浓度为1%-30%,注入能量为20KeV-1MeV。
4.根据权利要求1所述的绝缘栅双极晶体管,其特征在于,该场终止层位于该P+区和该N-区之间。
5.根据权利要求1所述的绝缘栅双极晶体管,其特征在于,该绝缘栅双极晶体管是用硅晶片制成,P区和N+区位于硅晶片的正面,P+区和场终止层位于硅晶片的背面。
6.一种制造绝缘栅双极晶体管的方法,其特征在于,该方法包括如下步骤:
第一步,提供基材,在该基材上形成栅氧层和硅栅层;
第二步,在该基材的正面形成P区及N+区,并在正面制作金属电极;
第三步,在该基材的背面注入锗(germanium,Ge)形成硅锗合金;
第四步,退火形成包含N型硅锗合金的场终止层;
第五步,注入硼离子并低温退火激活形成P+区和阳极;及
第六步,背面蒸发形成金属层,制成绝缘栅双极晶体管。
7.根据权利要求6所述的制造的方法,其特征在于,在第三步中,在该基材的背面还注入N型杂质。
8.根据权利要求7所述的制造的方法,其特征在于,该场终止层还包括N型杂质。
9.根据权利要求8所述的制造的方法,其特征在于,在第四步中,用低温固相外延结合激光退火形成GeSi晶体层,并激活注入的N型杂质。
10.根据权利要求9所述的制造的方法,其特征在于,该场终止层中锗离子的浓度为1%-30%,注入能量为20KeV-1MeV。
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