[发明专利]一种深槽侧氧调制的平面型绝缘栅双极型晶体管

说明书

技术领域

本发明属于半导体功率器件技术领域，涉及平面型绝缘栅双极型晶体管。

背景技术

绝缘栅双极型晶体管，是目前发展最快的一种混合型电力电子器件。它具有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，又具有双极功率晶体管的电流密度大、饱和压降低、电流处理能力强的优点。广泛应用于电磁炉、UPS不间断电源、汽车电子点火器、三相电动机变频器、电焊机开关电源等产品中作为功率开关管或功率输出管。

80年代初研究成功并投产的绝缘栅双极型晶体管是非透明集电区穿通型绝缘栅双极型晶体管，今天简称为穿通型绝缘栅双极型晶体管，其结构如图1所示，它是在高浓度的P⁺衬底13上依次外延N型缓冲层14、N^-基区3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14，正向阻断时电场在N型缓冲层14中将得到终止，从而形成一个梯形的电场分布，故可利用较薄的N^-基区即可得到较高的击穿电压，有利于降低饱和压降，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，只能在基区的复合消失，导致其关断时间很长，增大了开关损耗。为了改善其开关特性，必须控制少子寿命，现已已采用诸如电子辐照、氦离子注入的方法降低少子寿命的技术，也有人用掺入重金属元素控制少子寿命的技术。但是，电子辐照、氦离子注入的方法不是VLSI(超大规模集成电路)的标准工艺，重金属掺杂又会带来交叉污染的风险。此外，这些方法又会导致导通压降成负温系数，这种导通压降的负温系数特性不利于绝缘栅双极型晶体管的并联使用，因为如果其中一支绝缘栅双极型晶体管的电流偏大一些，热电正反馈效应会使电流越来越集中在这支绝缘栅双极型晶体管中，使其温度越来越高，最终导致器件烧毁。此外少子寿命的减小，会导致正向饱和压降增大，这些都会对性能控制和制造工艺带来一定难度。而且，随着器件耐压幅度的提高，所需外延层越厚，这使得制造成本大大增加。针对穿通型绝缘栅双极型晶体管的缺点，人们开发了非穿通型绝缘栅双极型晶体管，其结构如图2所示。它最主要的变革是：采用了高电阻率的FZ(区熔)单晶替换昂贵的外延片，晶体完整性和均匀性得到充分满足，使用背注工艺降低了P区发射效率和厚度。这一般称之为“透明集电区”，采用此技术，可以使得绝缘栅双极型晶体管在关断时，N型基区的大量过剩电子可以以扩散的方式穿透极薄的P区，而达到快速关断的效果。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，明显改善了关断的延迟；因不用外延片和寿命控制技术而降低成本。自非穿通型绝缘栅双极型晶体管发明以来，以后出现的绝缘栅双极型晶体管基本都采用透明集电区技术。但是，非穿通型绝缘栅双极型晶体管的实际关断损耗要比由通常所定义的关断损耗所得的计算值要大得多。文献J.Yamashita，T.Yamada，S.Uchida，H.Yamaguchiand S.Ishizawa，″A Relation between Dynamic Saturation Characteristics and Tail Current ofNon-Punchthrough IGBT″，ConfRec.of31st IAS Annual Meeting，vol.3，pp.1425-1432，1996指出，计算上集电极额定电流10％以下的拖尾电流(几十微秒)所产生的损耗，非穿通型绝缘栅双极型晶体管的实际关断损耗要比根据一般意义上定义的关断损耗的计算值大2-3倍，这主要是由于非穿通型绝缘栅双极型晶体管的N^-基区太厚造成的。另一方面，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，故为了保证耐压必须采用相对较宽的N^-基区，导致饱和压降增大，也就增加了静态损耗。为了降低静态损耗，人们开发出了具有N型电场阻止层的透明集电极绝缘栅双极型晶体管。N型电场阻止层能够使得电场在N型阻止层中快速下降为零，使N型基区中的电场为梯形分布，从而减小了透明集电极绝缘栅双极型晶体管的N型基区厚度，降低了静态损耗。为了进一步降低绝缘栅双极型晶体管的损耗，人们结合超结理论又开发出了超结绝缘栅双极型晶体管(SJ-IGBT)，如图3所示。利用电荷补偿原理，在P型基区下方引入直接延伸到N型缓冲层的P-pillar，使得在器件阻断状态下N-pillar和P-pillar完全耗尽，从而在实现高耐压的同时可以提高N型基区的掺杂浓度，降低静态损害。但是，此种结构工艺难度和成本高，且动态雪崩能力差。为此，人们又提出了半超结绝缘栅双极型晶体管(Semi-SJ-IGBT)，如图4所示。此种结构减短了N-pillar和P-pillar的长度，并且在其下用N^-基区来代替。此种结构可以减少一步外延生长和离子注入的工序从而降低工艺难度和成本，并且实现了软关断，提高了抗动态雪崩击穿能力，并在一定程度上实现了通态压降和阻断电压的更好折衷。但是这种结构上部仍为超结器件结构，要精确的控制pillar的掺杂浓度和宽长比来实现电荷补偿，这对工艺要求高且需要更多的热过程。