[发明专利]绝缘栅双极型晶体管及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及高压功率半导体器件领域，尤其涉及一种绝缘栅双极型晶体管（IGBT）。

背景技术

作为最新一代的复合全控型功率半导体器件，绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，简称IGBT）将功率MOSFET和双极晶体管的优点集于一身，具有电压控制、输入阻抗大、驱动功率小、控制电路简单、开关损耗小、通断速度快和工作频率高等优点，是国际公认的电力电子技术第三次革命最具代表性的产品，电机控制、新能源、高铁、智能电网、电动汽车等领域当中必不可少的功率“芯脏”。小到PDP开关，大到高铁建设，无一例外的都有IGBT身影的出现。IGBT功率大、耐压高、节能效果好等特点决定了其不但是现在，也是未来相当长的一段时间之内高端功率半导体的主流技术，市场前景十分广阔。

自IGBT器件研制成功以来，经过三十多年的发展，其工艺技术和各项指标不断改进和提高，IGBT器件已经由第一代发展到第六代，其各种性能参数也日趋成熟。但是在向高频大功率化的发展方面，仍需在减小通态压降和提高开关速度之间进行折衷。

IGBT根据背面分布的不同，可以分为穿通型（PT-IGBT）与非穿通型（NPT-IGBT）两种结构。PT-IGBT会在均匀掺杂的P+衬底上通过外延生长的方式形成N+缓冲层与N-基区，然后再在N-基区上制作所需的正面结构即可。NPT-IGBT则是在均匀掺杂的厚度为数百微米的N-单晶衬底上先制作正面结构，然后对背面通过研磨刻蚀等工艺方法将N-基区减薄至正向阻断电压所需的厚度，再采用离子注入的方式在背面形成背P+集电极。与PT-IGBT有区别的是，NPT型IGBT不需要厚层外延，适合制造高正向阻断电压的IGBT，但由于没有N+缓冲层，因此达到相同的正向阻断电压所需的N-基区要比PT-IGBT更厚，这会导致其正向导通压降比PT-IGBT更大。但是由于PT-IGBT的集电极掺杂浓度过高，使得其在开启时电导调制效应相对于NPT型要更明显，即关断时，在漂移区中的空穴会更多，因此在关断过程中，大量的空穴不能及时得到复合，使其关断时间更长，关断功耗也会更大。为此，必须通过少子寿命控制技术来降低少子寿命，这样才使器件在关断过程中电流拖尾的幅度与持续时间都减小，而NPT-IGBT的透明集电极可以使少子在关断时迅速到达金属电极，因此无需采用辐照等技术减小载流子寿命。

中国专利申请CN201010290339.1公开了一种IGBT的新结构，如图1所示。其中包括背面的集电极10、背P+集电极区11、背N+缓冲层12、N-基区13、栅氧化层14、栅电极15、N+发射极区16、发射极17、P+发射极区18、N+残留层19。此发明所述的结构通过在正面使用N+扩散残留层可以有效地减弱JFET电阻的影响，从而使器件的导通压降降低，集电极电流得到提高。但是该结构对于器件的关断时间性能没有任何改善，在导通压降与关断时间之间没有形成一个有效的折衷。

发明内容

本发明提供一种绝缘栅双极型晶体管及其制备方法，其通过在正面高温深结扩散、再减薄后形成的扩散残留层能够有效的提高正面载流子浓度；在背面嵌入的NPN管则起到了一个少子的快速通道的作用，帮助少子能够尽快地扫出N-基区。器件得以在导通压降与关断时间形成一个更好的折衷，更适用于快速开关应用领域。

一种绝缘栅双极型晶体管，包括N型基区、P型基区、背P+集电极区、N+发射极区、栅氧化层、发射极、栅电极和集电极；所述的N型基区包括依次层叠的N+扩散残留层、N-基区和N+缓冲层，所述的N+扩散残留层和N+缓冲层从N-基区的边界起始向外掺杂浓度逐渐增加，所述的绝缘栅双极型晶体管进一步设有P-缓冲层、背N+集电极区，所述的P-缓冲层位于N+缓冲层和背P+集电极区之间，所述的背N+集电极区位于背P+集电极区的两端。

所述的N-基区为掺杂浓度恒定区，其厚度和掺杂浓度由器件所需的正向阻断电压决定，正向阻断电压与其厚度正相关，与掺杂浓度负相关。

所述的N+扩散残留层，若厚度过小，表面的杂质掺杂浓度会较低，电导调制作用较弱，导通压降下降程度较低；若厚度过大，表面的杂质掺杂浓度会较高，电导调制作用较强，导通压降虽然下降的较多，但这也会引起正向阻断电压的降低，同时也会导致关断时间的增加。因此，N+扩散残留层的厚度以5~15um为宜。