CN102184949A - 一种深槽侧氧调制的平面型绝缘栅双极型晶体管 - Google Patents

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Abstract

一种深槽侧氧调制的平面型绝缘栅双极型晶体管，属于半导体功率器件技术领域。本发明在常规电场阻止平面型绝缘栅双极型晶体管结构中引入由P型浮空层、深槽二氧化硅氧化层和深槽体电极构成的深槽体电极结构，实现一个额外电场的引入，帮助横向耗尽N-pillar，从而在相同的耐压下可提高N-pillar的掺杂浓度，进而降低正向导通时的通态压降。体电极上施加一定的正向电压可在器件顶部产生一个和原电场方向相反的逆向电场，降低原峰值电场，使得器件击穿电压提高。深槽体电极结构中的P型浮空层，可有效防止深槽底部的电场集中。器件正向导通时，优化体电极一侧的正向电压，可在厚氧化层一侧形成电子积累层，为电流提供了一个低阻抗的通道。

Description

一种深槽侧氧调制的平面型绝缘栅双极型晶体管
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。
发明内容
本发明提供一种深槽侧氧调制的平面型绝缘栅双极型晶体管，它具有深槽体电极结构，可以获得更大的击穿电压和更低的Vce-on。与传统的非穿通型绝缘栅双极型晶体管相比，击穿电压得到了明显提高；在相同的电流密度下，正向导通压降得到了明显的减小。
本发明提供的深槽侧氧调制的平面型绝缘栅双极型晶体管，通过深槽体电极结构的引入，引入了一个额外的电场，帮助横向耗尽N-pillar，从而在相同的耐压下可以提高N-pillar的掺杂浓度，进而降低了正向导通时的通态压降。并且在体电极上施加一定的正向电压，可以在器件顶部产生一个和原电场方向相反的逆向电场，降低原峰值电场，使得器件击穿电压提高。深槽体电极结构下方引入的P型浮空层，可以有效防止深槽底部的电场集中。在器件正向导通时，优化体电极一侧的正向电压，可以在厚氧化层一侧形成电子积累层，为电流提供了一个低阻抗的通道，降低了Vce-on。此外，器件底部采用较N-pillar掺杂浓度低的N型基区，可以实现器件较软的反向恢复特性，提高抗动态雪崩击穿能力。此器件实现电荷平衡无需多步离子注入及多步外延工艺，降低了工艺的复杂性和工艺成本。
本发明技术方案如下：
一种深槽侧氧调制的平面型绝缘栅双极型晶体管，其基本结构如图5所示，包括金属化集电极1、P型集电区2、N-基区3、P+体区4、P型基区5、N+源区6、多晶硅栅电极7、二氧化硅栅氧化层8、金属化发射极9、N型电场阻止层15、N型掺杂柱区(N-pillar)17和深槽体电极结构18。金属化集电极1位于P型集电区2的背面，P型集电区2的正面是N型电场阻止层15，N型电场阻止层15的上面是N-基区3，N-基区3的上面是N型掺杂柱区17，N+源区6和P+体区4并排位于金属化发射极9下方、且与金属化发射极9相连，其中P+体区4下方直接与N型掺杂柱区17相连，而N+源区6与N型掺杂柱区17之间间隔着P型基区5；二氧化硅栅氧化层8位于N型掺杂柱区17、P型基区5和部分N+源区6三者的表面，平面型多晶硅栅电极7位于二氧化硅栅氧化层8表面、且居于金属化发射极9的一侧；在N-基区3上方、且居于N型掺杂柱区17侧面的区域还具有深槽体电极结构18。所述深槽体电极结构18由P型浮空层10、深槽二氧化硅氧化层11和深槽体电极12构成；其中所述P型浮空层10位于深槽二氧化硅氧化层11下方，其侧面与N型掺杂柱区17接触，其下方与N-基区3接触；所述深槽二氧化硅氧化层11的侧面与P+体区4和N型掺杂柱区17接触，深槽体电极12被深槽二氧化硅氧化层11所包围。
上述方案中：
所述P型浮空层10其形状是方形、条形、圆形、梯形或椭圆形。
所述深槽体电极结构18的槽深和P型浮空层10的最大深度可以到达N型电场阻止层15。具体深度是根据对绝缘栅双极型晶体管所要达到的击穿特性、导通特性和开关特性得要求而设定的。
所述深槽二氧化硅氧化层11的厚度是根据对绝缘栅双极型晶体管所要达到的击穿特性、导通特性和开关特性得要求而设定的，一般大于0.5微米。
所述深槽体电极12材料可以采用多晶硅、金属或其它导电材料，且其上可接正电位，可独立于栅极单独控制。
本发明的工作原理：
本发明提供的一种深槽侧氧调制的平面型绝缘栅双极型晶体管，可以更好的折衷绝缘栅双极型晶体管击穿电压和导通压降的之间的矛盾关系，获得较大器件耐压和较小的正向导通压降，现以图5为例，说明本发明的工作原理。
本发明所提供的一种深槽侧氧调制的平面型绝缘栅双极型晶体管，在传统的非穿通型绝缘栅双极型晶体管的基础之上，引入了一个由P型浮空层10、深槽二氧化硅氧化层11和深槽体电极12共同构成的深槽体电极结构18。在器件正向阻断时，该结构引入了一个额外的电场，帮助横向耗尽N-pillar，从而可以提高N-pillar的掺杂浓度，进而降低了正向导通时的通态压降。并且在体电极上施加一定的正向电压，可以在器件顶部产生一个和原电场方向相反的逆向电场，降低原峰值电场，使得器件击穿电压提高。深槽体电极结构下方引入的P型浮空层，可以有效防止深槽底部的电场集中。在器件正向导通时，优化体电极一侧的正向电压，可以在厚氧化层一侧形成电子积累层，为电流提供了一个低阻抗的通道，降低了Vce-on。此外，器件底部采用较N-pillar掺杂浓度低的N型基区，可以实现器件较软的反向恢复特性，提高抗动态雪崩击穿能力。此器件实现电荷平衡无需多步离子注入及多步外延工艺，降低了工艺的复杂性和工艺成本。
附图说明
图1是传统的穿通型绝缘栅双极型晶体管(PT-IGBT)结构示意图。
其中，1是金属化集电极，13是P+衬底，14是N型缓冲层，3是N-基区，4是P+体区，5是P型基区，6是N+源区，7是多晶硅栅电极，8是二氧化硅栅氧化层，9是金属化发射极。
图2是传统的非穿通型绝缘栅双极型晶体管(NPT-IGBT)结构示意图。
其中，1是金属化集电极，2是P型集电区，3是N-基区，4是P+体区，5是P型基区，6是N+源区，7是多晶硅栅电极，8是二氧化硅栅氧化层，9是金属化源极。
图3是超结型绝缘栅双极型晶体管(SJ-IGBT)结构示意图。
其中，1是金属化集电极，2是P型集电区，5是P型基区，6是N+源区，7是多晶硅栅电极，8是二氧化硅栅氧化层，9是金属化发射极，15是电场阻止层，16是P-pillar，17是N-pillar。
图4是半超结型绝缘栅双极型晶体管(Semi-SJ-IGBT)结构示意图。
其中，1是金属化集电极，2是P型集电区，3是N-基区，5是P型基区，6是N+源区，7是多晶硅栅电极，8是二氧化硅栅氧化层，9是金属化源极，15是电场阻止层，16是P-pillar，17是N-pillar。
图5是本发明提供的深槽侧氧调制的平面型绝缘栅双极型晶体管(OB-IGBT)结构示意图。
其中，1是金属化集电极，2是P型集电区，3是N-基区，5是P型基区，6是N+源区，7是多晶硅栅电极，8是二氧化硅栅氧化层，9是金属化发射极，10是P型浮空层，11是深槽二氧化硅氧化层，12是深槽体电极，15是电场阻止层，17是N-pillar，18是深槽体电极结构。
具体实施方式
采用本发明的一种深槽侧氧调制的平面型绝缘栅双极型晶体管，可以更好的折衷绝缘栅双极型晶体管击穿电压和导通压降的之间的矛盾关系。随着半导体技术的发展，采用本发明还可以制作更多的高耐压器件。
一种深槽侧氧调制的平面型绝缘栅双极型晶体管，其基本结构如图5所示，包括金属化集电极1、P型集电区2、N-基区3、P+体区4、P型基区5、N+源区6、多晶硅栅电极7、二氧化硅栅氧化层8、金属化发射极9、N型电场阻止层15、N型掺杂柱区(N-pillar)17和深槽体电极结构18。金属化集电极1位于P型集电区2的背面，P型集电区2的正面是N型电场阻止层15，N型电场阻止层15的上面是N-基区3，N-基区3的上面是N型掺杂柱区17，N+源区6和P+体区4并排位于金属化发射极9下方、且与金属化发射极9相连，其中P+体区4下方直接与N型掺杂柱区17相连，而N+源区6与N型掺杂柱区17之间间隔着P型基区5；二氧化硅栅氧化层8位于N型掺杂柱区17、P型基区5和部分N+源区6三者的表面，平面型多晶硅栅电极7位于二氧化硅栅氧化层8表面、且居于金属化发射极9的一侧；在N-基区3上方、且居于N型掺杂柱区17侧面的区域还具有深槽体电极结构18。所述深槽体电极结构18由P型浮空层10、深槽二氧化硅氧化层11和深槽体电极12构成；其中所述P型浮空层10位于深槽二氧化硅氧化层11下方，其侧面与N型掺杂柱区17接触，其下方与N-基区3接触；所述深槽二氧化硅氧化层11的侧面与P+体区4和N型掺杂柱区17接触，深槽体电极12被深槽二氧化硅氧化层11所包围。
上述方案中：
所述P型浮空层10其形状是方形、条形、圆形、梯形或椭圆形。
所述深槽体电极结构18的槽深和P型浮空层10的最大深度可以到达N型电场阻止层15。具体深度是根据对绝缘栅双极型晶体管所要达到的击穿特性、导通特性和开关特性得要求而设定的。
所述深槽二氧化硅氧化层11的厚度是根据对绝缘栅双极型晶体管所要达到的击穿特性、导通特性和开关特性得要求而设定的，一般大于0.5微米。
所述深槽体电极12材料可以采用多晶硅、金属或其它导电材料，且其上可接正电位，可独立于栅极单独控制。
上述深槽侧氧调制的平面型绝缘栅双极型晶体管，其具体实现方法包括：选取N型<100>晶向区熔单晶衬垫，生长N型外延，场氧化，深槽刻蚀，槽底部P型浮空层注入与推阱，生长二氧化硅厚氧化层，硅表面厚氧化层刻蚀，表面栅氧化，淀积及刻蚀掺磷多晶硅，P型基区和P+体区注入与推阱，N+源区注入，生长钝化层，刻引线孔，沉积金属，金属曝光刻蚀，背面减薄，背面N型电场阻止层注入，背面透明P区注入，背面金属化等等。
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。

Claims (5)

1.一种深槽侧氧调制的平面型绝缘栅双极型晶体管，包括金属化集电极(1)、P型集电区(2)、N-基区(3)、P+体区(4)、P型基区(5)、N+源区(6)、多晶硅栅电极(7)、二氧化硅栅氧化层(8)、金属化发射极(9)、N型电场阻止层(15)、N型掺杂柱区(17)和深槽体电极结构(18)；金属化集电极(1)位于P型集电区(2)的背面，P型集电区(2)的正面是N型电场阻止层(15)，N型电场阻止层(15)的上面是N-基区(3)，N-基区(3)的上面是N型掺杂柱区(17)，N+源区(6)和P+体区(4)并排位于金属化发射极(9)下方、且与金属化发射极(9)相连，其中P+体区(4)下方直接与N型掺杂柱区(17)相连，而N+源区(6)与N型掺杂柱区(17)之间间隔着P型基区(5)；二氧化硅栅氧化层(8)位于N型掺杂柱区(17)、P型基区(5)和部分N+源区(6)三者的表面，平面型多晶硅栅电极(7)位于二氧化硅栅氧化层(8)表面、且居于金属化发射极(9)的一侧；在N-基区(3)上方、且居于N型掺杂柱区(17)侧面的区域还具有深槽体电极结构(18)；所述深槽体电极结构(18)由P型浮空层(10)、深槽二氧化硅氧化层(11)和深槽体电极(12)构成；其中所述P型浮空层(10)位于深槽二氧化硅氧化层(11)下方，其侧面与N型掺杂柱区(17)接触，其下方与N-基区(3)接触；所述深槽二氧化硅氧化层(11)的侧面与P+体区(4)和N型掺杂柱区(17)接触，深槽体电极(12)被深槽二氧化硅氧化层(11)所包围。
2.根据权利要求1所述的深槽侧氧调制的平面型绝缘栅双极型晶体管，其特征是，所述P型浮空层(10)其形状是方形、条形、圆形、梯形或椭圆形。
3.根据权利要求1所述的深槽侧氧调制的平面型绝缘栅双极型晶体管，其特征是，所述深槽体电极结构(18)的槽深和P型浮空层(10)的最大深度可达N型电场阻止层(15)。
4.根据权利要求1所述的一种深槽侧氧调制的平面型绝缘栅双极型晶体管，其特征是，所述的深槽二氧化硅氧化层(11)的厚度大于0.5微米。
5.根据权利要求1所述的一种深槽侧氧调制的平面型绝缘栅双极型晶体管，其特征是，所述深槽体电极12材料采用多晶硅、金属或其它导电材料。
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