一种逆导型绝缘栅双极型晶体管制造技术

本申请公开了一种逆导型绝缘栅双极型晶体管，包括集电极、P型集电区、N型隧道掺杂区、N型阻挡层、N型漂移区、MOS区和栅极。P型集电区为简并掺杂区域，费米能级进入价带中；N型隧道掺杂区为掺杂浓度接近简并掺杂的区域，费米能级接近导带底但不进入导带；P型集电区的掺杂浓度比N型隧道掺杂区的掺杂浓度高。该晶体管通过引入N型隧道掺杂区，实现反向导通，因此在工艺制作上，背面无须刻蚀工艺。在工作中，由于没有普通逆导型IGBT集电极端的N型区域，不存在器件正向导通和反向导通时产生的电流集中问题；也不存在器件正向导通时的电压回跳现象。

【技术实现步骤摘要】
一种逆导型绝缘栅双极型晶体管
本申请涉及功率半导体器件，尤其是涉及一种逆导型绝缘栅双极型晶体管。
技术介绍
绝缘栅双极型晶体管(IGBT，InsulatedGateBipolarTransistor)是由金属-氧化层-半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor,MOSFET)和双极结型晶体管(BipolarJunctionTransistor,BJT)组成的一类新兴复合功率半导体器件，主要应用于中高压大功率范围。在很多应用中IGBT与感性负载一起工作，比如图1所示的H桥结构，交流电极作为感性负载，四个IGBT与反向的二极管并联，即IGBT-1、IGBT-2、IGBT-3和IGBT-4分别与反向的二极管并联，起到续流和保护的作用。日本三菱公司在2004年以纵向的形式将二极管集成到IGBT，如图2所示，这种结构叫作逆导型绝缘栅双极型晶体管(ReverseConducting-InsulatedGateBipolarTransistor，RCIGBT)，其包括集电极201、P型集电区202、N型集电区203、N型阻挡层204、N型漂移区205、P型基区206、N+发射区208、发射极209和栅极213。在栅极213不加电压、发射极209高电位时，该IGBT也能导通。这种逆导型结构的优点是显而易见的：节省系统中元器件数量；将二极管集成到IGBT，共用一个终端，硅片消耗更少；工艺成本降低，两个器件可以一起封装。然而，传统逆导型IGBT的背面集电区域需要制作N型集电区和P型集电区，背面需要制作图案，使得薄片IGBT的成品率降低。此外，如果N区比例过小，则可能导致电流集中，电流分布不均匀，则传统逆导型IGBT在安全工作条件下能导通的电流密度不能太大；如果N区比例过大，则器件正向导通过程中可能会出现电压回跳现象，如图3所示，在同一个电压值上对应多个电流值，当器件并联使用时，容易发生一个器件率先进入高电流工作状态，另一个还在低电流高阻状态的情况，这样可能导致器件被烧毁。
技术实现思路
本申请提供了一种通过隧道效应实现反向导通的逆导型绝缘栅双极型晶体管，本专利技术避免了集电区制作过程的图案工艺，避免了一般逆导型IGBT在正向导通过程中的电压回跳现象。由于在器件的背面不需要光刻制造N+集电区域，所以本专利技术尤其适用于薄片的逆导型IGBT结构。根据本专利技术的一方面，提供一种逆导型绝缘栅双极型晶体管,包括P型集电区、N型隧道掺杂区、N型阻挡层、N型漂移区和MOS区，P型集电区的底端设置作为集电极引出的电极，P型集电区的上方依次为N型隧道掺杂区、N型阻挡层、N型漂移区和MOS区；P型集电区为简并掺杂区域，费米能级进入价带中；N型隧道掺杂区为掺杂浓度接近简并掺杂的区域，费米能级接近导带底但不进入导带；P型集电区的掺杂浓度比N型隧道掺杂区的掺杂浓度高。MOS区包括位于N型漂移区上方的P阱基区、位于P阱基区上方的P+发射区和N+发射区、以及从P+发射区和N+发射区的上方引出的作为发射极的电极。该晶体管还包括位于N型漂移区的上方并被MOS区包围的栅极，栅极包括多晶硅栅、栅氧化层和栅极电极，栅氧化层包覆多晶硅栅，栅极电极从多晶硅栅引出。本申请的有益效果是，集电极背面不需要图案工艺，通过引入N型隧道掺杂区，实现反向导通，因此在工艺制作上，背面无须刻蚀工艺。在工作中，由于没有普通逆导型IGBT集电极端的N型区域，不存在N型区域比例过大或者过小的情况，因此器件的正反向导通电流密度分布完全一致，不存在N型区域比例过小而产生的电流集中的问题，使该逆导型器件的工作电流密度得以提升而不影响器件的稳定工作；同时，处于正向导通时，不存在N型区域比例过大而产生的电压回跳现象。附图说明图1是传统的绝缘栅双极型晶体管的H桥应用场景示意图；图2是传统的逆导型绝缘栅双极型晶体管的结构示意图；图3是传统的逆导型绝缘栅双极型晶体管的电流电压曲线图；图4是本专利技术具体实施例的RCIGBT的结构示意图；图5是本专利技术具体实施例的RCIGBT的P型集电区与N型隧道掺杂区所形成的PN结处于电压平衡时的能带图；图6是本专利技术具体实施例的RCIGBT的P型集电区与N型隧道掺杂区所形成的PN结处于正向电压偏置时的能带图；图7是本专利技术具体实施例的RCIGBT的P型集电区与N型隧道掺杂区所形成的PN结处于反向电压偏置时的能带图；图8是本专利技术具体实施例的RCIGBT的与传统RCIGBT的正向导通IcVc特性曲线图；图9是本专利技术具体实施例的RCIGBT的N型隧道掺杂区处于不同厚度时的正向导通IcVc特性曲线图；图10是本专利技术具体实施例的RCIGBT的与传统RCIGBT的反向导通IcVc特性曲线图；图11是本专利技术具体实施例的RCIGBT的与传统RCIGBT的正、反向导通电流密度分布图；图12是本专利技术具体实施例的RCIGBT的与传统RCIGBT的关断过程电流密度随时间的变化趋势图；图13是本专利技术具体实施例的RCIGBT的与传统RCIGBT的反向恢复过程电流密度随时间的变化趋势图。具体实施方式下面通过具体实施方式结合附图对本专利技术作进一步详细说明。实施例一：如图4所示为本专利技术具体实施例的RCIGBT的结构示意图，本实施例的RCIGBT包括P型集电区02、N型隧道掺杂区03、N型阻挡层04、N型漂移区05和MOS区，P型集电区的底端设置作为集电极引出的电极01，P型集电区的上方依次为N型隧道掺杂区、N型阻挡层、N型漂移区和MOS区；P型集电区为简并掺杂区域，费米能级进入价带中；N型隧道掺杂区为掺杂浓度接近简并掺杂的区域，费米能级接近导带底但不进入导带；P型集电区的掺杂浓度比N型隧道掺杂区的掺杂浓度高。MOS区包括位于N型漂移区上方的P阱基区06、位于P阱基区上方的P+发射区07和N+发射区08、以及从P+发射区和N+发射区的上方引出的作为发射极的电极09。该晶体管还包括位于N型漂移区的上方并被MOS区包围的栅极，栅极包括多晶硅栅10、栅氧化层11和栅极电极12，栅氧化层包覆多晶硅栅，栅极电极从多晶硅栅引出。N型隧道掺杂区的掺杂浓度范围为8×1018cm-3至2×1019cm-3，P型集电区的掺杂浓度为2×1020cm-3以上，在这个数值范围内的参数值都是合适的，本具体实施方式中的RCIGBT的具体参数如下表所示，所列数值是具体实施方式的一种举例，只是选了这样的参数来反映本专利技术RCIGBT的良好性能，器件由仿真模拟软件SENTAURUS实现。器件参数数值硅片厚度L(μm)70多晶硅栅厚度Lt(μm)3.2N型漂移区浓度(cm-3)1.5e14N型隧道掺杂区浓度(cm-3)1e19P型集电区浓度(cm-3)2e20N型阻挡层浓度(cm-3)4e16N型隧道掺杂区厚度Ld(μm)0.1P型集电区厚度Lc(μm)0.4N型阻挡层厚度Ls(μm)5栅氧化层厚度tox(μm)0.04为比较本具体实施方式中RCIGBT(以下简称新型RCIGBT，结构如图4所示)与传统RCIGBT(结构如图2所示)的性能，设置传统RCIGBT的参数，传统RCIGBT相对于新型RCIGBT在结构上有两点不同：第一，缺少了N型隧道掺杂区；第二，集电区由N型集电区和P型集本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种逆导型绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，包括P型集电区、N型隧道掺杂区、N型阻挡层、N型漂移区和MOS区，所述P型集电区的底端设置作为集电极引出的电极，所述P型集电区的上方依次为所述N型隧道掺杂区、所述N型阻挡层、所述N型漂移区和所述MOS区；所述P型集电区为简并掺杂区域，费米能级进入价带中；所述N型隧道掺杂区为掺杂浓度接近简并掺杂的区域，费米能级接近导带底但不进入导带；P型集电区的掺杂浓度比N型隧道掺杂区的掺杂浓度高。

【技术特征摘要】
1.一种逆导型绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，包括P型集电区、N型隧道掺杂区、N型阻挡层、N型漂移区和MOS区，所述P型集电区的底端设置作为集电极引出的电极，所述P型集电区的上方依次为所述N型隧道掺杂区、所述N型阻挡层、所述N型漂移区和所述MOS区；所述P型集电区为简并掺杂区域，费米能级进入价带中；所述N型隧道掺杂区为掺杂浓度接近简并掺杂的区域，费米能级接近导带底但不进入导带，费米能级到导带的能量差小于费米能级到价带的能量差；P型集电区的掺杂浓度比N型隧道掺杂区的掺杂浓度高。2.如权利要求1所述的晶体管，其特征在于，所述N型隧道掺杂区的掺杂浓度范围为至3.如权利要求1或2所述的晶体管，其特征在于，所述N型隧道掺杂区的费米能级与导带的能量差为0.01...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟航，李冰华，江兴川，林信南，
申请(专利权)人：北京大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东;44