CN101887913B - 一种具有改善型集电极结构的igbt - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有改善型集电极结构的IGBT。其包括半导体基板；半导体基板的第二主面上设置第二导电类型集电区及金属化集电极；半导体基板内设有第二导电类型基区；第二导电类型基区的上部设有第一导电类型发射区；半导体基板的第一主面上还设有绝缘栅、绝缘介质层与金属化发射极；第二导电类型集电区包括一个或多个具有第一掺杂浓度的第一区域和一个或多个具有第二掺杂浓度的第二区域，第一区域包围多个第二区域或第一区域与第二区域交替邻接设置；第一区域的第一掺杂浓度小于第二区域的第二掺杂浓度，且第一区域的第一掺杂浓度大于第一导电类型半导体基板的掺杂浓度。本发明通态压降低，具有较低的关断损耗及较高的耐冲击性能。

Description

一种具有改善型集电极结构的IGBT
技术领域
本发明涉及一种功率半导体器件，尤其是一种具有改善型集电极结构的IGBT。
背景技术
绝缘栅双极型晶体管IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)于二十世纪八十年代被提出和迅速推广，现已广泛应用于中高压大电流领域，并同MOSFET(金属-氧化物-半导体场效应晶体管)将功率电子技术推向了高频时代，对比其它种类的功率半导体，如双极型晶体管、MOSFET；所述绝缘栅双极型晶体管能够以更低的功率损耗处理更高的功率，并且能够工作于高频的电路当中，是IGBT最为突出的特点和优势。目前，已经被广泛生产和使用的IGBT种类包括有：穿通型IGBT(PT-IGBT)、非穿通型IGBT(NPT-IGBT)、场截止型IGBT(FS-IGBT)，上述种类的IGBT都为既能降低功率损耗、又能提高工作频率的初衷和目标被设计和发展。IGBT的功率损耗主要包括通态损耗和开关损耗。导通状态时器件的电压降(简称通态压降)越低，通态损耗越低；器件开关时间越短、关断时的拖尾电流越小，开关损耗越低。
除了功率损耗以外，IGBT的抗冲击能力也是评价器件性能的另一重要特性。以非穿通型IGBT为例，其单个元胞的结构示意图和等效电路图分别如图1和图2所示。当非穿通型IGBT关断时，图2等效电路中的二极管的反向恢复电流电压波形示意图如图3，其中，IRM为最大反向恢复电流，VRM为最大反向恢复电压，QR为反向恢复电荷，tm为反向恢复时间，并且，我们通常用软化因子S来描述反向恢复电流：S＝(t2-t1/(t1-t0)，t0、t1与t2分别表示对应的时间点。这种利用软化因子S表征方法一直被广泛采用，通常要求软化因子S越大越好，因为越小，它会在电路电感中产生较高的电动势，这个电势叠加于电源电压之上，一起加在二极管及与其并联的开关元件上，我们称之为过冲电压。这个电势不仅提高了二极管和开关元件的电压要求及成本，而且是对器件的一大威胁。
目前已知常用的非穿通型IGBT，其集电极结构包括P+集电区，如中国专利CN 101452951《非穿通(NPT)绝缘栅双极型晶体管IGBT及其制造方法》中附图。目前非穿通型IGBT的集电极结构还包括集电极短路结构，所述集电极短路结构由短路N+区与P型集电区相间排列形成，并且N+区连通P型集电区下面的金属化集电极与P型集电区上面的N-漂移区；如中国专利CN 101478001A《一种具有空穴注入结构的集电极短路IGBT》中附图4。上述两种集电极结构拥有一个共同的特点：即构成集电区的P型集电区掺杂浓度固定不变，且掺杂浓度较浓。P型集电区掺杂浓度越浓，IGBT在正向导通状态下，所述P型集电区作为PNP双极型晶体管的发射区的注入效率就会越高，空穴电流就会越大，从而通态压降就会越低；然而，由于注入效率的提高，导致器件反向恢复电荷、反向恢复时间和拖尾电流都将增大，增加了器件关断时的功率损耗，并且，由于P型集电区与N-型漂移区间的浓度梯度非常大，使得注入进P型集电区的少数载流子数量非常有限，这些少数载流子在反向恢复过程中被迅速扫出或复合，增加了反向恢复的硬度，即S值较小，降低了器件的耐冲击性。相反，如果降低P型集电区的杂质浓度，那么器件的通态压降又会增大，导致通态耗损增加，同样不利于器件性能。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种具有改善型集电极结构的IGBT，其通态压降低，具有较低的关断损耗及较高的耐冲击性能。
按照本发明提供的技术方案，所述具有改善型集电极结构的IGBT，在所述半导体IGBT器件的截面上，包括具有两个相对主面的第一导电类型的半导体基板，半导体基板包括第一主面与第二主面；所述半导体基板的第二主面上设置第二导电类型集电区，所述第二导电类型集电区上淀积有金属化集电极；所述半导体基板内设有第二导电类型基区，所述第二导电类型基区邻近第一主面，且与第一主面相接触；所述第二导电类型基区的上部设有第一导电类型发射区；所述半导体基板的第一主面上还设有绝缘栅、绝缘介质层与金属化发射极；所述绝缘栅与第一导电类型发射区相接触，所述绝缘栅与金属化发射极利用绝缘介质层相隔离；所述金属化发射极淀积在第一主面上，并与第一导电类型发射区、第二导电类型基区电性接触；其创新在于：
在所述半导体IGBT器件的截面上，所述第二导电类型集电区包括一个或多个具有第一掺杂浓度的第一区域和一个或多个具有第二掺杂浓度的第二区域，所述第一区域包围多个第二区域或第一区域与第二区域交替邻接设置；所述第一区域的第一掺杂浓度小于第二区域的第二掺杂浓度，且所述第一区域的第一掺杂浓度大于第一导电类型半导体基板的掺杂浓度。
在所述半导体IGBT器件的截面上，所述绝缘栅包括绝缘氧化层和位于绝缘氧化层上的导电多晶硅；所述绝缘氧化层位于第一主面上，所述绝缘氧化层与半导体基板上相邻的第二导电类型基区及所述相邻第二导电类型基区内对应的第一导电类型发射区均相接触；所述相邻的第二导电类型基区利用半导体基板的第一导电类型层相隔离。
在所述半导体IGBT器件的截面上，所述绝缘栅包括沟槽；所述沟槽位于第二导电类型基区内，并延伸到第二导电类型基区下方的第一导电类型半导体基板内；第二导电类型基区位于半导体基板的上部，所述沟槽内壁生长有绝缘氧化层，并在所述生长有绝缘氧化层的沟槽内淀积有导电多晶硅；所述沟槽的槽口由绝缘介质层覆盖，所述沟槽对应于侧壁的上方均设有第一导电类型发射区，所述第一导电类型发射区与沟槽的相接触。
在所述半导体IGBT器件的截面上，所述第二导电类型集电区内的第一区域在沿垂直于电流流动的方向分布，所述第一区域的形状包括方形、条形、或圆形。在所述半导体IGBT器件的截面上，所述第二导电类型集电区内的第二区域在沿垂直于电流流动的方向分布，所述第二区域的形状包括方形、条形、或圆形。在所述半导体IGBT器件的截面上，所述第二导电类型集电区内对应的第一区域的面积与第二区域的面积比值为0.01～1。
在所述半导体IGBT器件的截面上，所述第二导电类型集电区内设有第一导电类型集电极短路区，所述第一导电类型集电极短路区与第一导电类型半导体基板、金属化集电极相接触；所述金属化集电极与第一导电类型集电极短路区、第一区域及第二区域均欧姆接触。所述绝缘介质层为硅玻璃(USG)、硼磷硅玻璃(BPSG)或磷硅玻璃(PSG)。所述半导体基板的材料包括硅。
所述“第一导电类型”和“第二导电类型”两者中，对于N型绝缘栅双极型晶体管IGBT，第一导电类型指N型，第二导电类型为P型；对于P型绝缘栅双极型晶体管IGBT，第一导电类型与第二导电类型所指的类型与N型绝缘栅双极型晶体管IGBT正好相反。
本发明的优点：通过在第二导电类型集电区内设置具有不同掺杂浓度的第一区域与第二区域，对比传统的非穿通型IGBT，提高了器件在关断过程中的反向恢复“硬度”，降低了器件反向恢复的过冲电压，提高了器件的耐冲击性，获得了更好的通态压降，使关断损耗和耐冲击性能之间具有较好的平衡。
附图说明
图1为现有绝缘栅双极型晶体管IGBT的结构示意图。
图2为图1的等效电路示意图。
图3为图2中对应的二极管反向恢复过程中电流电压波形示意图。
图4为本发明实施例1的结构示意图。
图5为本发明实施例2的结构示意图。
图6为本发明实施例3的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图4～图6所示：以N型非穿通型绝缘栅双极型晶体管IGBT为例，本发明包括P基区1、N型发射区2、绝缘氧化层3、导电多晶硅4、P+基区5、金属化发射极6、N型漂移区7、P型集电区8、金属化集电极9、绝缘介质层10、第一区域11、沟槽12、N+集电极短路区13、第二区域14、第一主面15及第二主面16。
实施例1
如图4所示：在所述绝缘栅双极型晶体管IGBT截面上，N型半导体基板包括N型漂移区7，所述N型漂移区7具有两个相对主面，所述两个相对主面包括第一主面15及第二主面16。所述N型漂移区7的第二主面16上形成有P型集电区8，所述P型集电区8内包括一个或多个第一区域11和一个或多个第二区域14，所述第一区域11与第二区域14均为P导电类型；所述第一区域11包围多个第二区域14或是第二区域14与第一区域11交替邻接设置。本实施例中采用第二区域14与第一区域11交替邻接设置。所述第一区域11具有第一掺杂浓度，第二区域14具有第二掺杂浓度，所述第一区域11的第一掺杂浓度小于第二区域14的第二掺杂浓度；且第一区域11的第一掺杂浓度要大于N型漂移区7的掺杂浓度，即所述第一区域11为轻掺杂的P+区域。所述P型集电区8上设有金属化集电极9，所述金属化集电极9的材料包括铝、钛、镍、银或金。所述金属化集电极9与P型集电区8内的第一区域11、第二区域14均欧姆接触。所述第一区域11与第二区域14间的面积比值范围为0.01～1间。
所述N型漂移区7的上部设有P基区1，所述P基区1内设有N型发射区2；所述相邻的P基区1利用N型漂移区7相隔离。所述P基区1的底部设有P+基区5。所述N型漂移区7的第一主面15上设有平面型绝缘栅结构；所述绝缘栅包括绝缘氧化层3与导电多晶硅4；所述绝缘氧化层3与N型漂移区7内相邻的P基区1及所述P基区1内对应的N型发射区2相接触。所述绝缘氧化层3与导电多晶硅4上设有绝缘介质层10，所述绝缘介质层10包覆绝缘氧化层3与导电多晶硅4，绝缘介质层10能够将绝缘氧化层3、导电多晶硅4与金属化发射极6相隔离。所述N型漂移区7的第一主面15上还淀积有金属化发射极6，所述金属化发射极6覆盖在第一主面15上，并包覆绝缘介质层10。所述金属化发射极6与N型发射区2、P基区1均电性连接，使得N型发射区2与P基区1间具有相等电位。
所述绝缘氧化层3与导电多晶硅4均位于第一主面15上，形成平面型绝缘栅结构。所述N型漂移区7的材料包括硅。绝缘介质层10的材料包括硅玻璃(USG)、硼磷硅玻璃(BPSG)或磷硅玻璃(PSG)。在所述半导体IGBT器件的截面上，P型集电区8内的第一区域11在沿垂直于电流流动的方向分布，所述第一区域11的形状包括方形、条形、或圆形；P型集电区8内的第二区域14在沿垂直于电流流动的方向分布，所述第二区域14的形状包括方形、条形、或圆形。
实施例2
如图5所示：为采用沟槽型绝缘栅结构的绝缘栅双极型晶体管IGBT。在绝缘栅双极型晶体管IGBT截面上，所述N型漂移区7上部设有P基区1，所述P基区1贯穿N型漂移区7。所述P基区1内设有沟槽12，所述沟槽12位于P基区1内，深度延伸到P基区1下方的N型漂移区7。所述沟槽12内壁生长有绝缘氧化层3，在所述生长有绝缘氧化层3的沟槽12内淀积有导电多晶硅4。所述沟槽12外壁的上方设有N型发射区2，所述N型发射区2与沟槽12的外壁相接触。沟槽12的槽口由绝缘介质层10覆盖，在所述N型漂移区7的第一主面15上还淀积有金属化发射极6。所述金属化发射极6覆盖第一主面15，并包围绝缘介质层10；所述金属化发射极6与N型发射区2、P基区1均电性连接，使P基区1与N型发射区2具有相等电位。
所述N型漂移区2的第二主面16上设有P+集电极8，所述P型集电区8内包括一个或多个第一区域11和一个或多个第二区域14，所述第一区域11与第二区域14均为P导电类型；所述第一区域11包围多个第二区域14或是第二区域14与第一区域11交替邻接设置。本实施例中，所述第一区域11与第二区域14间采用交替邻接设置，如图5所示。所述第一区域11具有第一掺杂浓度，第二区域14具有第二掺杂浓度，所述第一区域11的第一掺杂浓度小于第二区域14的第二掺杂浓度；且第一区域11的第一掺杂浓度要大于N型漂移区7的掺杂浓度，即所述第一区域11为轻掺杂的P+区域。所述P型集电区8上设有金属化集电极9，所述金属化集电极9的材料包括铝。所述金属化集电极9与P型集电区8内的第一区域11、第二区域14均欧姆接触。
实施例3
如图6所示：为采用平面型绝缘栅结构的绝缘栅双极型晶体管IGBT，在所述P型集电区8内设有N+集电极短路区13。如图6所示：所述N型漂移区7的上部设有P基区1，所述P基区1内设有两个N型发射区2；所述相邻的P基区1利用N型漂移区7相隔离。所述P基区1的底部设有P+基区5。所述N型漂移区7的第一主面15上设有平面型绝缘栅结构；所述绝缘栅包括绝缘氧化层3与导电多晶硅4；所述绝缘氧化层3与N型漂移区7内相邻的P基区1及所述P基区1内对应的N型发射区2相接触。所述绝缘氧化层3与导电多晶硅4上设有绝缘介质层10，所述绝缘介质层10包覆绝缘氧化层3与导电多晶硅4，绝缘介质层10能够将绝缘氧化层3、导电多晶硅4与金属化发射极6相隔离。所述N型漂移区7的第一主面15上还淀积有金属化发射极6，所述金属化发射极6覆盖在第一主面15上，并包覆绝缘介质层10。所述金属化发射极6与N型发射区2、P基区1均电性连接，使得N型发射区2与P基区1间具有相等电位。
所述N型漂移区7的第二主面16上形成有P型集电区8，所述P型集电区8内包括一个或多个第一区域11和一个或多个第二区域14，所述第一区域11与第二区域14均为P导电类型；所述第一区域11包围多个第二区域14或是第二区域14与第一区域11交替邻接设置；本实施例中，所述第一区域11与第二区域14间采用交替邻接设置，如图6所示。所述第一区域11具有第一掺杂浓度，第二区域14具有第二掺杂浓度，所述第一区域11的第一掺杂浓度小于第二区域14的第二掺杂浓度；且第一区域11的第一掺杂浓度要大于N型漂移区7的掺杂浓度，即所述第一区域11为轻掺杂的P+区域。所述P型集电区8内还设有N+集电极短路区13，所述N+集电极短路区13与N型漂移区7的第二主面16、金属化集电极9均相接触；所述P型集电区8上设有金属化集电极9，所述金属化集电极9的材料包括铝。所述金属化集电极9与P型集电区8内的第一区域11、第二区域14、N+集电极短路区13均欧姆接触。
本发明具有改善型集电极结构的IGBT的工作机理为：所述IGBT的P型集电区8对比传统的非穿通型IGBT的集电区，设置为具有不同掺杂浓度的第一区域11与第二区域14，所述第一区域11与第二区域14为交替邻接设置或第一区域11包围第二区域14，从而形成具有高低掺杂浓度区域镶嵌而成的P型集电区8。当绝缘栅双极型晶体管IGBT工作于正向导通状态时，具体来讲，为金属化集电极9施加正向偏置电压，金属化发射极6接零电位，栅极端施加高于器件阈值电压(Vth)的偏置电压，P型集电区8内低浓度的第一区域11注入于N型漂移区7内的载流子数量要明显低于P型集电区8内第二区域14注入于N型漂移区7内的载流子数量，因此，低浓度第一区域11的存在减少了总体储存于N型漂移区7内的少数载流子数量，使得器件在反向恢复过程中的反向恢复电荷、反向恢复时间和拖尾电流得以减小；同时，高浓度第二区域14的高注入效率又保证了器件仍然具有较低的通态压降。当绝缘栅双极型晶体管IGBT工作于反向偏压状态时，具体来讲，指金属化集电极9施加正向偏置电压，金属化发射极6接零电位，栅极端施加低于器件阈值电压(Vth)的偏置电压或接零电位，由于P型集电区8第二区域14与N型漂移区7所形成的浓度梯度要明显小于第一区域11与N型漂移区7所形成的浓度梯度，因此，储存于第二区域14内的少数载流子数量要多于储存于第一区域11内的少数载流子，这些储存于P型集电区8内的少数载流子在器件反向恢复过程中也会被扫出或复合，所以在器件反向恢复过程的后期，这些存储于P型集电区8内的少数载流子仍然需要通过复合消失，从而产生软恢复特性，降低了过冲电压，提高了器件的耐冲击性能。
本发明通过在P型集电区8内设置具有不同掺杂浓度的第一区域11与第二区域14，对比传统的非穿通型IGBT，提高了器件在关断过程中的反向恢复“硬度”，降低了器件反向恢复的过冲电压，提高了器件的耐冲击性，获得了更好的通态压降，使关断损耗和耐冲击性能之间具有较好的平衡。

Claims (9)

1.一种具有改善型集电极结构的IGBT，在半导体IGBT器件的截面上，包括具有两个相对主面的第一导电类型的半导体基板，半导体基板包括第一主面与第二主面；所述半导体基板的第二主面上设置第二导电类型集电区，所述第二导电类型集电区上淀积有金属化集电极；所述半导体基板内设有第二导电类型基区，所述第二导电类型基区邻近第一主面，且与第一主面相接触；所述第二导电类型基区的上部设有第一导电类型发射区；所述半导体基板的第一主面上还设有绝缘栅、绝缘介质层与金属化发射极；所述绝缘栅与第一导电类型发射区相接触，所述绝缘栅与金属化发射极利用绝缘介质层相隔离；所述金属化发射极淀积在第一主面上，并与第一导电类型发射区、第二导电类型基区电性接触；其特征是：
在所述半导体IGBT器件的截面上，所述第二导电类型集电区包括一个或多个具有第一掺杂浓度的第一区域和一个或多个具有第二掺杂浓度的第二区域，所述第一区域包围多个第二区域或第一区域与第二区域交替邻接设置；
所述第一区域的第一掺杂浓度小于第二区域的第二掺杂浓度，且所述第一区域的第一掺杂浓度大于第一导电类型半导体基板的掺杂浓度。
2.根据权利要求1所述具有改善型集电极结构的IGBT，其特征是：在所述半导体IGBT器件的截面上，所述绝缘栅包括绝缘氧化层和位于绝缘氧化层上的导电多晶硅；所述绝缘氧化层位于第一主面上，所述绝缘氧化层与半导体基板上相邻的第二导电类型基区及所述相邻第二导电类型基区内对应的第一导电类型发射区均相接触；所述相邻的第二导电类型基区利用半导体基板的第一导电类型层相隔离。
3.根据权利要求1所述具有改善型集电极结构的IGBT，其特征是：在所述半导体IGBT器件的截面上，所述绝缘栅包括沟槽；所述沟槽位于第二导电类型基区内，并延伸到第二导电类型基区下方的第一导电类型半导体基板内；第二导电类型基区位于半导体基板的上部，所述沟槽内壁生长有绝缘氧化层，并在所述生长有绝缘氧化层的沟槽内淀积有导电多晶硅；所述沟槽的槽口由绝缘介质层覆盖，所述沟槽对应于侧壁的上方均设有第一导电类型发射区，所述第一导电类型发射区与沟槽相接触。
4.根据权利要求1所述具有改善型集电极结构的IGBT，其特征是：在所述半导体IGBT器件的截面上，所述第二导电类型集电区内的第一区域在沿垂直于电流流动的方向分布，所述第一区域的形状包括方形、条形、或圆形。
5.根据权利要求1所述具有改善型集电极结构的IGBT，其特征是：在所述半导体IGBT器件的截面上，所述第二导电类型集电区内的第二区域在沿垂直于电流流动的方向分布，所述第二区域的形状包括方形、条形、或圆形。
6.根据权利要求1所述具有改善型集电极结构的IGBT，其特征是：在所述半导体IGBT器件的截面上，所述第二导电类型集电区内对应的第一区域的面积与第二区域的面积比值为0.01～1。
7.根据权利要求1所述具有改善型集电极结构的IGBT，其特征是：在所述半导体IGBT器件的截面上，所述第二导电类型集电区内设有第一导电类型集电极短路区，所述第一导电类型集电极短路区与第一导电类型半导体基板、金属化集电极相接触；所述金属化集电极与第一导电类型集电极短路区、第一区域及第二区域均欧姆接触。
8.根据权利要求1所述具有改善型集电极结构的IGBT，其特征是：所述绝缘介质层为未掺杂硅玻璃(USG)、硼磷硅玻璃(BPSG)或磷硅玻璃(PSG)。
9.根据权利要求1所述具有改善型集电极结构的IGBT，其特征是：所述半导体基板的材料包括硅。
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