专利名称：一种具有终端深能级杂质层的igbt的制作方法
技术领域：
本发明属于半导体功率器件技术领域，涉及绝缘栅双极性晶体管(IGBT)。
背景技术：
IGBT既有MOSFET的输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单、开关速度高的优点，又具有双极功率品体管的电流密度大、饱和压降低、电流处理能力强的优点。所以IGBT功率器件的三大特点就是高压、大电流、高速，这是其它功率器件不能比拟的。所以它是电力电子领域非常理想的开关器件，IGBT产品集合了高频、高压、大电流三大技术优势，同时IGBT能够实现节能减排，具有很好的环境保护效益，IGBT广泛应用于电力领域、消费电子、汽车电子、新能源等传统和新兴领域，市场前景非常广阔。IGBT最大的优点是无论在导通状态还是在短路状态都可以承受电流冲击，其不足之处是高压IGBT内阻大，导致导通损耗 大，在应用于高(中)压领域时，通常需多个串联，并且过压、过热、抗冲击、抗干扰等承受力较低。当IGBT正向导通时，正的栅极电压使得沟道开启，发射极电子经过沟道流向漂移区，由于集电极正向偏置，集电区空穴大量涌入漂移区，和漂移区的大量电子发生电导调制效应，从而能使得IGBT相比于VDMOS的导通压降小很多；当IGBT关断时，栅极电压为负电压或者是零电压，发射极电子突然消失，集电极为高电压，大量空穴继续涌向漂移区，形成大的空穴电流，此时IGBT处于反向阻断状态，由于寄生PNP管α ΡΝΡ随着温度升高而急剧上升，使得IGBT的漏电流随着温度的升高而大幅升高，高温、大的漏电流很容易引起器件的雪崩击穿乃至烧毁。而涌向漂移区的大量空穴除了和电子一部分分别被阳极和阴极快速抽取，另一部分在没有耗尽的底部漂移区内复合从而产生拖尾电流，相比于VDMOS，IGBT关断时间大得多；虽然IGBT有诸多性能优势，但是减少高温漏电流，改善IGBT的关断特性，提高IGBT的可靠性一直是IGBT研究的热点，难点和重点。
发明内容
本发明提供一种具有终端深能级杂质层的IGBT，是在传统Planar FS-IGBT基础上，在终端漂移区内注入一层深能级杂质层，所述终端区深能级杂质层随着温度升高电离度增加，终端区杂质浓度增加，IGBT关断时，可减少PNP管α ΡΝΡ，有效减少高温漏电流，进而能防止高温、高压、大电流引起的雪崩击穿。而且深能级杂质本身就是复合中心，可有效改善IGBT关断特性，提高IGBT的可靠性。本发明的技术方案如下—种具有终端深能级杂质层的IGBT,其元胞结构如图2所示,包括金属有源发射极I、多晶硅栅电极2、金属集电极3、栅氧化层4、Ν+有源区5、Ρ型基区6、Ρ型等位环7、多晶硅场板8、金属铝场板9、终端区氧化层10、终端多晶硅场板11、Ρ型场限环12、Ν+电场截止环13、N-漂移区14、N+电场终止层15，P+集电区16 ；器件从底层往上依次是金属集电极3、Ρ+集电区16、Ν+电场终止层15、Ν_漂移区14，P型基区6位于N-漂移区14顶部，P型基区6内具有N+有源区5，元胞表面分别与N+有源区5和P型基区6接触的是金属有源发射极1，元胞表面分别与N+有源区5、P型基区6和N-漂移区8接触的是二氧化硅栅氧化层4，二氧化硅栅氧化层4表面是多晶硅栅电极2，多晶硅栅电极2与金属有源发射极I之间填充绝缘介质；器件终端部分的N-漂移区14中靠近P型基区6的位置处具有P型等位环7，P型等位环7上方具有多晶硅场板8 ;器件终端部分的N-漂移区14中远离P型基区6的位置处具有N+电场截止环13，N+电场截止环13上方具有第二终端多晶硅场板11 ；P型等位环7与N+电场截止环13之间的N-漂移区14中具有系列P型场限环12 ;器件终端表面还分别具有与多晶硅场板8相连的第一金属铝场板9，与系列P型场限环12相连的终端多晶硅场板11和第二金属铝场板(9)，与第二终端多晶硅场板11相连的第三金属铝场板9 ；所述N-漂移区14的终端部分还注入了一层深能级杂质层17，所述深能级杂质层17在N-漂移区14终端区域内，背面是N+电场终止层15，正上方是P型等位环7、P型场限环12和N+电场截止环13。
需要进一步说明的是，所述的终端漂移区深能级杂质层(15)掺杂元素包括硫、硒、碲、金、钼等；而且终端漂移区深能级杂质层的位置、长度、宽度可调。制作器件时还可用碳化硅、砷化镓、磷化铟或锗硅等半导体材料代替体硅。本发明的工作原理如下本发明提供的具有终端深能级杂质层的IGBT，由于终端漂移区的深能级杂质层，可以明显减小高温漏电流，有效防止因高电压、大电流、高温引起的雪崩击穿。且能有效改善关断特性，现以图2，掺硫元素为例，说明其工作原理。本发明所提供具有终端深能级杂质层的IGBT，在传统Planar FS-IGBT基础上，在终端区域漂移区注入一层深能级杂质层15，利用深能级杂质随着温度升高而电离度增加这一有益特性来改善IGBT的性能。本发明所述的具有终端深能级杂质层的IGBT与传统IGBT一样，当IGBT在正向导通时，由于所述的终端区深能级杂质层不影响IGBT的正向导通特性，所以对器件的正向导通特性没有影响；当IGBT关断时，发射极电子发射突然停止，空穴电流瞬间增大，IGBT处于反向阻断状态，如图I所示的传统IGBT结构此时P型基区向终端漂移区大幅扩展，由于寄生PNP管的Cipnp是正温度系数，从而终端产生了持续增大的阳极漏电流，此时IGBT的高电流，高电压，高温很容易引起器件的动态雪崩击穿。但是本发明所述的新型IGBT如图2所示，在IGBT关断时，由于终端漂移区注入一层深能级杂质层结构，器件温度升高，终端漂移区深能级杂质电离度升高，硫电离的电子浓度大幅上升，增加的载流子浓度可明显减小PNP管的α ΡΝΡ，有效减少高温漏电流，从而能有效防止因阻断状态下的高温、高电压、高电流引起的动态雪崩击穿。漂移区增加的电子浓度和P+发射区注入的空穴加速复合，而且深能级杂质本身就是复合中心，进一步加速电子空穴的复合，可有效改善IGBT的关断特性，极大提高IGBT的可靠性。综上所述，本发明所提出的具有终端深能级杂质层的IGBT，能有效减少IGBT终端部分高温漏电流，从而有效防止因高温、高电流、高电压而引起的雪崩击穿，有效改善器件关断特性，提闻IGBT的可罪性。
图I是传统Planar FS-IGBT结构示意图。图2是本发明提供的具有终端深能级杂质层的IGBT结构示意图。图3是传统Planar FS-IGBT结构关断时空穴复合与抽取过程示意图。图4是本发明提供的具有终端深能级杂质层的IGBT关断时空穴复合与抽取过程示意图。图I至图4中I是金属有源发射极，2是多晶硅栅电极，3是金属集电极，4是栅氧化层，5是N+有源区，6是P型基区，7是P型等位环，8是等位环上多晶硅场板，9是金属铝场板，10是终端区氧化层，11是终端多晶娃场板，12是P型场限环，13是N+截止环，14是N-漂移区，15是N+电场终止层，16是P+集电区。图3至图4中+符号表示空穴，-符号表示电子，箭头表示载流子运动方向。 具体实施方案一种具有终端深能级杂质层的IGBT，其元胞结构如图2所示，包括金属有源发射极I、多晶硅栅电极2、金属集电极3、栅氧化层4、N+有源区5、P型基区6、P型等位环7、多晶硅场板8、金属铝场板9、终端区氧化层10、终端多晶硅场板11、P型场限环12、N+电场截止环13、N-漂移区14、N+电场终止层15，P+集电区16 ；器件从底层往上依次是金属集电极3、P+集电区16、N+电场终止层15、N_漂移区14，P型基区6位于N-漂移区14顶部，P型基区6内具有N+有源区5，元胞表面分别与N+有源区5和P型基区6接触的是金属有源发射极1，元胞表面分别与N+有源区5、P型基区6和N-漂移区8接触的是二氧化硅栅氧化层4，二氧化硅栅氧化层4表面是多晶硅栅电极2，多晶硅栅电极2与金属有源发射极I之间填充绝缘介质；器件终端部分的N-漂移区14中靠近P型基区6的位置处具有P型等位环7，P型等位环7上方具有多晶硅场板8 ;器件终端部分的N-漂移区14中远离P型基区6的位置处具有N+电场截止环13，N+电场截止环13上方具有第二终端多晶硅场板11 ；P型等位环7与N+电场截止环13之间的N-漂移区14中具有系列P型场限环12 ;器件终端表面还分别具有与多晶硅场板8相连的第一金属铝场板9，与系列P型场限环12相连的终端多晶硅场板11和第二金属铝场板(9)，与第二终端多晶硅场板11相连的第三金属铝场板9 ;所述N-漂移区14的终端部分还注入了一层深能级杂质层17，所述深能级杂质层17在N-漂移区14终端区域内，背面是N+电场终止层15，正上方是P型等位环7、P型场限环12和N+电场截止环13。需要进一步说明的是，所述的终端漂移区深能级杂质层(15)掺杂元素包括硫、硒、碲、金、钼等；而且终端漂移区深能级杂质层的位置、长度、宽度可调。制作器件时还可用碳化硅、砷化镓、磷化铟或锗硅等半导体材料代替体硅。一种终端具有深能级杂质层的IGBT，其具体实现方法如下，在传统PlanarFS-IGBT结构基础上背面注入深能级杂质层时增加一张掩膜板，选取N型〈100〉晶向区熔单晶衬垫，背面注入深能级杂质层，背面注入FS层，场氧化，P型场限环光刻与注入，光刻有源区，栅氧化，淀积多晶硅，光刻多晶硅，P型基区注入及退火，P+体区注入，N+源区光刻及注入，沉积氧化层，刻引线孔，沉积发射极金属，发射极金属曝光与刻蚀，背面透明集电极注入及退火，背面金属化，钝化等等。
权利要求
1.一种具有终端深能级杂质层的IGBT，其元胞结构包括金属有源发射极(I)、多晶硅栅电极(2)、金属集电极(3)、栅氧化层(4)、N+有源区(5)、P型基区(6)、P型等位环(7)、多晶硅场板(8)、金属铝场板(9)、终端区氧化层(10)、终端多晶硅场板(11)、P型场限环(12)、N+电场截止环(13)、N-漂移区(14)、N+电电场终止层(15)，P+集电区(16)； 器件从底层往上依次是金属集电极(3)、P+集电区(16)、N+电场终止层(15)、N-漂移区(14)，P型基区(6)位于N-漂移区(14)顶部，P型基区(6)内具有N+有源区(5)，元胞表面分别与N+有源区(5)和P型基区(6)接触的是金属有源发射极(1)，元胞表面分别与N+有源区(5)、P型基区(6)和N-漂移区(8)接触的是二氧化硅栅氧化层(4)，二氧化硅栅氧化层(4)表面是多晶硅栅电极(2)，多晶硅栅电极(2)与金属有源发射极(I)之间填充绝缘介质； 器件终端部分的N-漂移区(14)中靠近P型基区(6)的位置处具有P型等位环(7)，P型等位环(7)上方具有多晶硅场板(8);器件终端部分的N-漂移区(14)中远离P型基区(6)的位置处具有N+电场截止环(13 )，N+电场截止环(13 )上方具有第二终端多晶硅场板(11);P型等位环(7 )与N+电场截止环(13 )之间的N-漂移区(14 )中具有系列P型场限环(12 );器件终端表面还分别具有与多晶硅场板(8)相连的第一金属铝场板(9)，与系列P型场限环(12)相连的终端多晶硅场板(11)和第二金属铝场板(9)，与第二终端多晶硅场板(11)相连的第三金属铝场板(9); 所述N-漂移区(14)的终端部分还注入了一层深能级杂质层(17)，所述深能级杂质层(17)在N-漂移区(14)终端区域内，背面是N+电场终止层(15)，正上方是P型等位环(7)、P型场限环(12)和N+电场截止环(13)。
2.根据权利要求I所述的具有终端深能级杂质层的IGBT，其特征在于，所述深能级杂质层(15)的掺杂元素包括硫、硒、締、金或钼。
3.根据权利要求I所述的具有终端深能级杂质层的IGBT，其特征在于，所述深能级杂质层(15)的纵向宽度、横向长度以及在漂移区中的位置可调。
4.根据权利要求I所述的一种终端具有深能级杂质层的新型IGBT，其特征在于，此结构不仅适用于Planar-IGBT，而且适用于Trench-IGBT，不仅适用于FS-IGBT，而且也适用于NPT-IGBT 和 PT-IGBT。
全文摘要
一种具有终端深能级杂质层的IGBT，属于半导体功率器件技术领域。本发明在传统Planar FS-IGBT基础上，在终端漂移区(14)注入一层深能级杂质层(15)。所述的深能级杂质层(15)，随着器件温度升高，深能级杂质电离度升高，杂质浓度大幅上升，在IGBT关断时，终端漂移区增加的载流子浓度有效减小终端区P+集电区的空穴发射效率，减小寄生PNP管αPNP，从而有效减少器件的高温漏电流；漂移区增加的电子浓度和P+集电区注入的空穴加速复合，而且深能级杂质本身就是复合中心，进一步加速电子空穴的复合，有效改善关断特性，提高IGBT的可靠性。
文档编号H01L29/36GK102779840SQ20121024914
公开日2012年11月14日 申请日期2012年7月18日 优先权日2012年7月18日
发明者任敏, 夏小军, 张波, 张金平, 李巍, 李泽宏, 赵起越 申请人:电子科技大学