[发明专利]一种具有P型浮空层的槽栅IGBT

说明书

技术领域

一种具有P型浮空层的槽栅IGBT，属于半导体功率器件技术领域。

背景技术

绝缘栅双极型晶体管，是一种发展迅速、应用广泛的电力电子器件。它是利用MOSFET的输入阻抗高、驱动电路简单和双极型晶体管电流密度大、饱和压降低的优点而组合成的新器件。现广泛应用于电磁炉、UPS不间断电源、汽车电子点火器、变频器、马达传动系统及其它能量转换装置。

IGBT最初于1982年提出，为穿通型结构，如图1所示，它是在高浓度的P⁺衬底(P⁺集电区)2上依次外延N型缓冲层3、N^-基区层4后制造成的绝缘栅双极型晶体管结构。由于存在N型缓冲层3，电场在N型缓冲层3中将得到终止，从而形成一个梯形的电场分布，如图1所示，故可利用较薄的N^-基区即可得到较高的击穿电压，有利于降低导通电阻，从而降低静态功耗，但是由于P⁺衬底相对较厚，浓度很高，使得背发射结的注入效率很高，关断时电子基本不能从背发射区流出，只靠在基区的复合消失，从而其关断时间很长，增大了开关损耗，在制造时往往需要增加寿命控制。同时，在制造大于600V的高压穿通型IGBT时，所需外延层厚度的增加，使得制造成本大大增加。其后，发展了非穿通型绝缘栅双极型晶体管，其结构如图2所示，它是在单晶N^-衬底上制造的，在表面结构完成以后通过离子注入形成薄且较轻掺杂的背P⁺集电区2(通常称为透明集电极)，降低背发射区注入效率。由于采用了透明集电区技术，使得非穿通型绝缘栅双极型晶体管与穿通型绝缘栅双极型晶体管相比，具有以下主要性能特点：导通压降呈正温度系数，功耗和电流拖尾随温度的变化小；由于对纵向PNP的发射效率有所降低和控制，明显改善了关态的延迟；因不用外延片和不用寿命控制技术而成本低。但是，非穿通型绝缘栅双极型晶体管在采用透明集电区技术提高开关速度的同时，由于没有了N型缓冲层，电场将终止于N^-基区，从而形成一个三角形的电场分布，如图2所示，故为了保证耐压必须采用相对较宽的N^-基区4，导致导通电阻的增大，也就增加了静态损耗。特别是在承受高电压时，电导调制效应将会明显减弱，导通损耗增加将更为显著。所以，只通过降低背发射区注入效率来优化正向导通压降和关断损耗的矛盾关系，其作用是很有限的，文献K.Sheng，F.Udrea，G.A.J.Amaratunga，“Optimum carrier distribution ofthe IGBT”(绝缘栅双极型晶体管载流子浓度分布的优化)，Solid-State Electronics 44，1573-1583，2000指出，要实现正向导通压降和关断损耗之间较好的优化，这和载流子在N^-基区4的分布密切相关，增大发射极一侧载流子的浓度，降低集电极一侧载流子的浓度有利于实现它们之间更好的优化。

为了实现更好的导通压降和关断损耗之间的折衷，文献T.Laska，M.Miinzer，F.Pfirsch，C.Schaeffer，T.Schmidt，“The Field Stop IGBT(FS IGBT)-A New Power Device Concept with aGreat Improvement Potential”(电场终止型绝缘栅双极型晶体管-一种具有极大提升潜力的新型功率器件)，ISPSD’2000，May 22-25，Toulouse，France，提出了一种电场终止型绝缘栅双极型晶体管，其结构如图3所示，它采用离子注入的方法在硅片背面先制造一个N型缓冲层3，再注硼形成背P⁺集电区2，由于N型缓冲层3的存在，电场将终止于N型缓冲层3，从而形成一个梯形的电场分布，如图3所示，故可使得N^-基区4可以做的较薄。但是电场终止型绝缘栅双极型晶体管的N型缓冲层3是在表面结构都制作完毕以后背面注入形成的，因而不可能进行高温长时间的退火，因此N型缓冲层3的厚度和杂质的激活浓度都是很有限的，用如此薄的缓冲层作高压器件的强电场中止层在物理上很不可靠，容易失效；而且，电场终止型绝缘栅双极型晶体管要求的硅片厚度很薄，一般在70μm左右，要确保如此薄的硅片在流片的过程中不破裂，不弯曲，是相当困难的；再者，电场终止型绝缘栅双极型晶体管对N^-基区4中载流子的分布改变并不显著，故正向导通压降和关断损耗之间的优化还可再进一步提高。