阅读说明：本技术 绝缘栅极晶体管及其制备方法和应用 (Insulated gate transistor and its preparation method and application ) 是由 冯宇翔 张远浩 李媛媛 于 2019-08-19 设计创作，主要内容包括：本发明提出了绝缘栅极晶体管及其制作方法和应用。该绝缘栅极晶体管包括：漂移区；P阱区,设置在漂移区的一侧；有源区,设置在P阱区远离漂移区的一侧；栅极,设置在P阱区远离漂移区的一侧；发射极,设置在有源区和P阱区远离漂移区的一侧；缓冲层,设置在漂移区远离栅极的一侧；集电区,设置在缓冲层远离漂移区的一侧；集电极,设置在集电区远离漂移区的一侧；其中,集电区由多个P<Sup>+</Sup>离子掺杂的第一层和多个P<Sup>-</Sup>离子掺杂的第二层交替层叠设置。本发明所提出的绝缘栅极晶体管,其集电区由P<Sup>+</Sup>/P<Sup>-</Sup>复合结构层组成,优化少子的注入效率,降低关断损耗和反向电流对器件损坏的风险,有利于漂移区中载流子浓度的均匀分布,从而具有更加优化的动态和静态损耗。(The invention proposes insulated gate transistors and preparation method thereof and application.The insulated gate transistor includes: drift region；The side of drift region is arranged in p-well region；Side of the p-well region far from drift region is arranged in active area；Side of the p-well region far from drift region is arranged in grid；The side of active area and p-well region far from drift region is arranged in emitter；Side of the drift region far from grid is arranged in buffer layer；Side of the buffer layer far from drift region is arranged in collecting zone；Side of the collecting zone far from drift region is arranged in collector；Wherein, collecting zone is by multiple P + The first layer of ion doping and multiple P ‑ The alternately laminated setting of the second layer of ion doping.Insulated gate transistor proposed by the invention, collecting zone is by P + /P ‑ Composite construction layer composition optimizes the injection efficiency of few son, reduces turn-off power loss and reverse current to the risk of device failure, is conducive to being uniformly distributed for carrier concentration in drift region, to have more optimal dynamic and quiescent dissipation.)

绝缘栅极晶体管及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体的，本发明涉及绝缘栅极晶体管及其制作方法和应用。更具体的，本发明涉及绝缘栅极晶体管及其制备方法、智能功率模块及空调器。

背景技术

绝缘栅双极晶体管(IGBT)兼具双极晶体管(BJT)的电流能力和绝缘栅型场效应管(MOSFET)的电压控制特点，是一种大电流、大功率开关器件。结构上包含栅极(G)，发射极(E)，集电极(C)以及漂移区(N^-)和背面集电区(P⁺)等，其工作原理为栅极达到阈值电压后，沟道导通，集电区向漂移区注入少子空穴，起到电导调制作用，少子注入越多，导通损耗越小。但是，对应的拖尾电流效应就会越大，关断损耗越大，因此，少子的注入关乎器件的导通和关断损耗。并且，两者还存在矛盾关系，目前通常采用集电区局部区域的少子寿命控制或减小少子注入效率的方法优化导通和关断损耗的折中关系。

发明内容

本发明是基于发明人的下列发现而完成的：

本发明的发明人在研究过程中发现，为了缩短少子的寿命或减小少子的注入效率，通常会在集电区引入局部缺陷区，或者在集电区中引入隔离的不同导电类型的N⁺区域设置集电区短路结构，以上方法是在漂移区下面的集电区中引入局部导电类型不同或者材料性能不一致的区域，导致少子注入至漂移区后，在元胞漂移区的横向水平浓度分布上会存在比较大的浓度不均匀性。但是，在实际的应用过程中，IGBT漂移区中载流子浓度分布的不均匀还会增加器件的导通损耗，反而会对器件的性能具有较大的影响。

所以，发明人设计出一种由P⁺/P^-复合结构层组成的集电区，不仅能优化少子的注入效率，从而加快关断时少子的抽取速度，提高关断速度，减少电流拖尾效应，进而降低关断损耗和反向电流对器件损坏的风险，此外，还有利于漂移区中载流子浓度的均匀分布，从而使绝缘栅极晶体管具有更加优化的动态和静态的损耗。

在本发明的第一方面，本发明提出了一种绝缘栅极晶体管。

根据本发明的实施例，所述绝缘栅极晶体管包括：漂移区；P阱区，所述P阱区设置在所述漂移区的一侧；有源区，所述有源区设置在所述P阱区远离所述漂移区的一侧；栅极，所述栅极设置在所述P阱区远离所述漂移区的一侧；发射极，所述发射极设置在所述有源区和所述P阱区远离所述漂移区的一侧；缓冲层，所述缓冲层设置在所述漂移区远离所述栅极的一侧；集电区，所述集电区设置在所述缓冲层远离所述漂移区的一侧；集电极，所述集电极设置在所述集电区远离所述漂移区的一侧；其中，所述集电区由多个第一层和多个第二层交替层叠设置，且所述第一层为P⁺离子掺杂，所述第二层为P^-离子掺杂。

发明人经过研究发现，本发明实施例的绝缘栅极晶体管，其集电区由P⁺/P^-复合结构层组成，不仅能优化少子的注入效率，从而降低关断损耗和反向电流对器件损坏的风险，还有利于漂移区中载流子浓度的均匀分布，从而使其具有更加优化的动态损耗和静态损耗。

另外，根据本发明上述实施例的绝缘栅极晶体管，还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的实施例，所述第一层的厚度为120～150nm。

根据本发明的实施例，所述第二层的厚度为80～100nm。

根据本发明的实施例，所述第一层和所述第二层的个数各自为2～4个。

根据本发明的实施例，所述第一层的P⁺离子掺杂浓度为5×10¹⁸～1×10¹⁹cm^-3；和/或，所述第二层的P^-离子掺杂浓度为1×10¹⁷～5×10¹⁷cm^-3。

在本发明的第二方面，本发明提出了一种制备绝缘栅极晶体管的方法。

根据本发明的实施例，所述方法包括：对N-离子掺杂的衬底的一个表面进行P离子注入，以形成P阱区和漂移区；对所述P阱区远离所述漂移区的表面进行N⁺离子注入，以形成有源区；在所述有源区、所述P阱区和所述漂移区的表面进行金属沉积，以形成栅极和发射极；对所述漂移区远离所述栅极的表面进行N⁺离子注入，以形成缓冲层；对所述缓冲层远离所述漂移区的表面进行P离子注入，以形成集电区，且所述集电区由多个第一层和多个第二层依次交替层叠设置，并且，所述第一层为P⁺离子掺杂，所述第二层为P^-离子掺杂；在所述集电区远离所述漂移区的表面进行金属沉积，以形成集电极。

发明人经过研究发现，采用本发明实施例的制备方法，可通过调整P离子注入的剂量或注入能量，形成P⁺/P^-复合交替叠层结构的集电区，从而可制备出关断损耗更低、反向电流对器件损坏风险更低、动态损耗和静态损耗都更优化的绝缘栅极晶体管。

另外，根据本发明上述实施例的制备方法，还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的实施例，所述形成集电区的步骤包括：对所述缓冲层远离所述漂移区的表面进行P^-离子注入，以形成第二层；对所述第二层远离所述漂移区的表面进行P⁺离子注入，以形成第一层；交替重复多次所述P^-离子注入和多次所述P⁺离子注入，以形成集电区。

根据本发明的实施例，所述P^-离子注入的掺杂浓度为5×10¹⁸～1×10¹⁹cm^-3；和/或，所述P^-+离子注入的掺杂浓度为1×10¹⁷～5×10¹⁷cm^-3。

在本发明的第三方面，本发明提出了一种智能功率模块。

根据本发明的实施例，所述智能功率模块包括：电路基板，所述电路基板上设置有电路布线，且所述电路布线包括焊接器件区；至少一个上述的绝缘栅极晶体管，所述绝缘栅极晶体管的底侧面焊接于所述焊接器件区，所述绝缘栅极晶体管的顶侧面通过金属连接桥接至所述电路布线。

发明人经过研究发现，本发明实施例的智能功率模块，其绝缘栅极晶体管的关断损耗更低、反向电流对器件损坏风险更低、动态损耗和静态损耗都更优化，从而使智能功率模块的损耗更低、寿命更长。本领域技术人员能够理解的是，前面针对绝缘栅极晶体管所描述的特征和优点，仍适用于该智能功率模块，在此不再赘述。

在本发明的第四方面，本发明提出了一种空调器。

根据本发明的实施例，所述空调器包括上述的智能功率模块。

发明人经过研究发现，本发明实施例的空调器，其智能功率模块的损耗更低且寿命更长，从而使该空调器的长期使用的稳定性更高且寿命更长。本领域技术人员能够理解的是，前面针对智能功率模块所描述的特征和优点，仍适用于该空调器，在此不再赘述。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述的方面结合下面附图对实施例的描述进行解释，其中：

图1是本发明一个实施例的绝缘栅极晶体管的截面结构示意图；

图2是本发明一个实施例的制备绝缘栅极晶体管的方法流程示意图；

图3是本发明一个实施例的制备方法中制作有源区的掩膜的俯视示意图。

附图标记

100 漂移区

200 P阱区

210 掩膜区

220 空白区

300 有源区

400 栅极

500 发射极

600 缓冲层

700 集电区

710 第一层

720 第二层

800 集电极

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，本技术领域人员会理解，下面实施例旨在用于解释本发明，而不应视为对本发明的限制。除非特别说明，在下面实施例中没有明确描述具体技术或条件的，本领域技术人员可以按照本领域内的常用的技术或条件或按照产品说明书进行。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种绝缘栅极晶体管。

根据本发明的实施例，参考图1，绝缘栅极晶体管包括漂移区100、P阱区200、有源区300、栅极400、发射极500、缓冲层600、集电区700和集电极800；其中，P阱区200设置在漂移区100的一侧；有源区300设置在P阱区200远离漂移区100的一侧；栅极400设置在P阱区200远离漂移区100的一侧；发射极500设置在有源区300和P阱区200远离漂移区100的一侧；缓冲层600设置在漂移区100远离栅极400的一侧；集电区700设置在缓冲层600远离漂移区100的一侧；而集电极800设置在集电区700远离漂移区100的一侧；其中，集电区700由多个第一层710和多个第二层720交替层叠设置，且第一层710为P⁺离子掺杂，第二层720为P^-离子掺杂。需要说明的是，本文中“层叠设置”具体是指从集电极800到漂移区100的方向上依次层叠设置，即按照第一层710、第二层720、……、第一层710、第二层720的重复周期反复排列。

发明人在研究过程中发现，与常规的单层透明集电区相比，P+/P^-交替复合形成的集电区，在器件正向导通时，P⁺层相对于P^-层注入至漂移区100中的少子相对较多，所以P⁺层保证了少子空穴的注入效率，而P^-层减少了少子在漂移层100中的存储；另外，P⁺/P^-交替形成的结构还可使得空穴在往漂移层100注入的过程更加均匀，有利于漂移区100中载流子的均匀分布，进而有效改善器件的动态损耗以及抗冲击性能。

根据本发明的实施例，P⁺离子掺杂的第一层710的具体厚度，本领域技术人员可根据实际少子优化后的注入效率进行相应地设计。在本发明的一些实施例中，第一层710的厚度可以为120～150nm，如此，较薄的P⁺离子掺杂第一层710，可进一步使空穴从集电区700往漂移层100注入的过程更加均匀，从而使器件性能更好。

根据本发明的实施例，P^-离子掺杂的第二层720的具体厚度，本领域技术人员可根据实际少子优化后的注入效率进行相应地设计。在本发明的一些实施例中，第二层720的厚度可以为80～100nm，如此，较薄的P^-离子掺杂第二层720，可进一步使空穴从集电区700往漂移层100注入的过程更加均匀，从而使器件性能更好。

根据本发明的实施例，P⁺离子掺杂的第一层710和P^-离子掺杂的第二层720的具体个数，本领域技术人可根据集电区700对漂移区100的少子注入速率实际的优化效果进行相应地选择。在本发明的一些实施例中，第一层710和第二层720的个数可以各自为2～4个，具体例如都为2个，如此，更优化少子的注入速率，从而进一步加快关断时少子的抽取速度，进一步提高关断速度，更减少电流拖尾效应，进而进一步降低关断损耗和反向电流对器件损坏的风险。

根据本发明的实施例，第一层710的P⁺离子和第二层720的P^-离子的具体掺杂浓度不受特别的限制，只要第一层710与第二层720的P离子浓度不同即可，本领域技术人员可根据实际集电区700对少子的注入速率的实际优化效果进行相应地选择。在本发明的一些实施例中，第一层710的P⁺离子掺杂浓度可以为5×10¹⁸～1×10¹⁹cm^-3，而第二层720的P^-离子掺杂浓度可以为1×10¹⁷～5×10¹⁷cm^-3，如此，高掺杂浓度的第一层710与低掺杂浓度的第二层720交替层叠分布组成的集电区，可更好地优化少子的注入速率，且更有利于漂移区中载流子浓度的均匀分布。

综上所述，根据本发明的实施例，本发明提出了一种绝缘栅极晶体管，其集电区由P⁺/P^-复合结构层组成，不仅能优化少子的注入效率，从而降低关断损耗和反向电流对器件损坏的风险，还有利于漂移区中载流子浓度的均匀分布，从而使其具有更加优化的动态损耗和静态损耗。

在本发明的另一个方面，本发明提出了一种制备绝缘栅极晶体管的方法。根据本发明的实施例，参考图2，该制备方法包括：

S100：对N-离子掺杂的衬底的一个表面进行P离子注入，以形成P阱区和漂移区。

在该步骤中，对N-离子掺杂的衬底的一个表面进行P离子注入，以形成P阱区200和漂移区100。根据本发明的实施例，P阱区200的具体形状，本领域技术人员可根据绝缘栅极晶体管的结构设计进行相应地规划，在此不再赘述。

S200：对P阱区远离漂移区的表面进行N⁺离子注入，以形成有源区。

在该步骤中，对P阱区200远离漂移区100的表面进行N⁺离子注入，以形成有源区300。根据本发明的实施例，有源区300的具体形状，本领域技术人员也可根据绝缘栅极晶体管的结构设计进行相应地规划，在此不再赘述。

在本发明的一些实施例中，对于碳化硅(SiC)衬底的绝缘栅极晶体管，可以设计成横向器件，只要在元胞(即单个绝缘栅极晶体管)之间形成隔离性的绝缘区域即可。具体的，参考图3，可以先在衬底的正面外延(例如溅射或化学气相沉积)一层1.5～3微米(例如2微米)厚的氧化硅(SiO₂)保护层，并通过光刻工艺刻蚀出图3中的掩膜区210和窗口区220，其中，掩膜区210对应多个元胞的工艺区(例如有源区200)，而窗口区220对应多个工艺区之间的间隙；然后，通过高温离子注入技术在500～700摄氏度(例如600摄氏度左右)的温度下注入离子(例如B、P或N等)，如此，掩膜区210被保护层保护而没有受到离子注入影响，窗口区220受到离子注入影响，其表面材料被轰击损伤而产生深能级缺陷，从而使窗口区220的材料呈现高阻状态，进而形成隔离性的绝缘区域。最后，再通过湿法腐蚀的方法可将掩膜区210表面的保护层去除，如此，可继续后续的器件工艺。

与碳化硅横向器件常采用的沟槽式的台面间隔方式相比，局部离子注入形成的高阻隔离区，既不用在元器件间刻蚀出深沟槽，也无需再在沟槽中填充隔离介质层。并且，使得碳化硅横向器件在平面工艺的基础上获得电学性能的隔离，避免了器件由于台阶而易导致的掩模覆盖性不好、金属连线断裂不良以及工艺困难复杂的技术问题，而且，在平面上实现器件的有效隔离，有利于提高器件集成度。

S300：在有源区、P阱区和漂移区的表面进行金属沉积，以形成栅极和发射极。

在该步骤中，在有源区300、P阱区200和漂移区100的表面进行金属沉积，可以形成栅极400和发射极500。具体的，栅极400覆盖部分的P阱区200和漂移区100，而发射极500覆盖部分的有源区300和P阱区200。

根据本发明的实施例，金属沉积的具体方式，本领域技术人员可根据栅极400和发射极500的实际材料进行相应地选择，具体例如物理气相沉积法(PVD)等，在此不再赘述。

S400：对漂移区远离栅极的表面进行N⁺离子注入，以形成缓冲层。

在该步骤中，在衬底的背面进行N⁺离子注入，即对漂移区远离栅极的表面进行N⁺离子注入，可以形成缓冲层600。

S500：对缓冲层远离漂移区的表面进行P离子注入，以形成集电区。

在该步骤中，对缓冲层600远离漂移区200的表面进行P离子注入，以形成集电区700，且集电区700由多个第一层710和多个第二层720依次交替层叠设置，并且，第一层710为P⁺离子掺杂，第二层720为P^-离子掺杂。

在本发明的一些实施例中，步骤S500可以包括：S510对缓冲层600远离漂移区100的表面进行P^-离子注入，以形成第二层720；S520对第二层720远离漂移区100的表面进行P⁺离子注入，以形成第一层710；S530交替重复多次P^-离子注入和多次P⁺离子注入，以形成集电区700。如此，制作出的集电区700由不同的P离子注入层复合组成。

根据本发明的实施例，重复周期可以为2～4次，如此，形成4～8层P+/P-复合结构层组成的集电区，可更好地优化少子的注入速率，从而进一步加快关断时少子的抽取速度，进一步提高关断速度，更减少电流拖尾效应，进而进一步降低关断损耗和反向电流对器件损坏的风险。

在本发明的一些实施例中，第一层710的P⁺离子掺杂浓度可以为5×10¹⁸～1×10¹⁹cm^-3，而第二层720的P^-离子掺杂浓度可以为1×10¹⁷～5×10¹⁷cm^-3，如此，高掺杂浓度的第一层710与低掺杂浓度的第二层720交替层叠分布组成的集电区，可更好地优化少子的注入速率，且更有利于漂移区中载流子浓度的均匀分布。

S600：在集电区远离漂移区的表面进行金属沉积，以形成集电极。

在该步骤中，在集电区700远离漂移区100的表面进行金属沉积，以形成集电极800。如此，可制备出结构和功能完善的绝缘栅极晶体管。

综上所述，根据本发明的实施例，本发明提出了一种制备方法，可通过调整P离子注入的剂量或注入能量，形成P⁺/P^-复合交替叠层结构的集电区，从而可制备出关断损耗更低、反向电流对器件损坏风险更低、动态损耗和静态损耗都更优化的绝缘栅极晶体管。

在本发明的另一个方面，本发明提出了一种智能功率模块。

根据本发明的实施例，智能功率模块包括电路基板和至少一个上述的绝缘栅极晶体管；其中，电路基板上设置有电路布线，且电路布线包括焊接器件区；而绝缘栅极晶体管的底侧面焊接于所述焊接器件区，绝缘栅极晶体管的顶侧面通过金属连接桥接至所述电路布线。

综上所述，根据本发明的实施例，本发明提出了一种智能功率模块，其绝缘栅极晶体管的关断损耗更低、反向电流对器件损坏风险更低、动态损耗和静态损耗都更优化，从而使智能功率模块的损耗更低、寿命更长。本领域技术人员能够理解的是，前面针对绝缘栅极晶体管所描述的特征和优点，仍适用于该智能功率模块，在此不再赘述。

在本发明的另一个方面，本发明提出了一种空调器。

根据本发明的实施例，空调器包括上述的智能功率模块。

需要说明的是，除了上述的智能功率模块以外，该空调器还包括必要的组成和结构，具体例如风机、压缩机、换热器、节流组件、导风部件、底盘、面板等，本领域技术人员可根据该空调器的功能进行相应地设计和补充，在此不再赘述。

综上所述，根据本发明的实施例，本发明提出了一种空调器，其智能功率模块的损耗更低且寿命更长，从而使该空调器的长期使用的稳定性更高且寿命更长。本领域技术人员能够理解的是，前面针对智能功率模块所描述的特征和优点，仍适用于该空调器，在此不再赘述。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。