CN102194864B - 一种具有体电极的沟槽栅型绝缘栅双极型晶体管 - Google Patents

Abstract

一种具有体电极的沟槽栅型绝缘栅双极型晶体管，属于半导体功率器件技术领域。本发明在传统沟槽栅型绝缘栅双极型晶体管中引入沟槽型多晶硅体电极，通过优化体电极上的电压，可以改善传统沟槽栅型绝缘栅双极型晶体管电场在沟槽栅下集中的缺点，有效的降低了沟槽栅底部的峰值电场，提高了器件的击穿电压；并且，在器件正向导通时，体电极上的电压可以在体电极厚氧化层外侧形成多子积累层，降低导通电阻，从而降低正向导通时的通态损耗。

Description

一种具有体电极的沟槽栅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，涉及绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。

背景技术

1GBT(Insulate Gate Bipolar Transistor)绝缘栅双极晶体管是一种具有MOS输入、双极输出功能的MOS、双极相结合的器件。作为新型的电力半导体器件，现已成为电力电子领域的新一代主流产品。IGB T既有MOSFET管的输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单、开关速度较高的优点，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。所以IGBT被广泛应用于电磁炉、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。

20世纪80年代初期研制的IGBT称为平面穿通型绝缘栅双极型晶体管(PT-IGBT)，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，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。为了改善其开关特性，必须控制少子寿命，现已有采用诸如电子辐照、氦离子注入的方法降低少子寿命、也有用掺入重金属元素控制少子寿命的技术。但是，这样一来，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。而且绝缘栅双极型晶体管的正向导通和开关特性对少子寿命的控制有相反的要求，即少子寿命的减小，会导致正向导通压降增大，这些都会对性能控制和制造工艺带来一定难度。此外，在制造大于600V的高压穿通型绝缘栅双极型晶体管时，所需外延层厚度的增加，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，人们开发了平面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，在硅片背面用注入和退火的方法形成发射效率较低且较薄的P区。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；因不用外延片和不用寿命控制技术而成本低。但是由于电场分布为三角形分布，随着IGBT在高压领域的广泛应用，N型基区的厚度也越来越厚，IGBT的导通损耗变得尤为严重。这主要是由于非穿通型绝缘栅双极型晶体管在承受高耐压时N^-基区的电阻率较高且厚度较厚造成的。

为了降低IGBT的通态损耗和提高电流密度，人们又发明了沟槽栅(trench gate)型IGBT，其结构如图3所示。这一代IGBT采取沟槽栅结构代替平面栅，改善了器件的导通特性和电流密度。在平面栅结构中，电流流向与表面平行的沟道时，栅极下面由P阱区5围起来的一个结型场效应管(JFET)是电流的必经之路，它成为电流通道上的一个串联电阻。在沟槽栅结构中，这个栅下面的JFET是被干法刻蚀的工艺很好地挖去了，连同包围这个区域延伸到原来栅极下构成沟道的部分P区层5也都挖掉。于是N发射源区6和留下的P区层5就暴露在该沟槽的侧壁，通过侧壁氧化等一系列特殊加工，侧壁氧化层外侧的P区5内形成了垂直于硅片表面的沟道。在这种结构中，JFET被挖掉，工作时电流从N^-基区(漂移区)3直接流进垂直沟道而进入源区。于是，这种IGBT的通态压降中剔除了J-FET这块串联电阻的贡献。

但是，在沟槽栅IGBT中，由于采用沟槽栅，电场在沟槽栅底部易集中，使得沟槽栅型绝缘栅场效应晶体管的击穿电压降低。

发明内容

本发明提供一种具有体电极的沟槽栅型绝缘栅双极型晶体管，在传统的沟槽栅型绝缘栅双极型晶体管的基础上引入一个沟槽型体电极，沟槽型体电极为多晶硅并被厚氧化层所包围。通过优化沟槽型体电极的槽深和厚氧化层的厚度，并在体电极上加一定的电压，可以产生一个与原峰值电场相反的电场，从而有效的减小了原槽栅底部的峰值电场，提高了击穿电压；同时，在器件正向导通时，通过控制沟槽型体电极上的电压，可以在体电极厚氧化层外侧形成多子积累层，从而有利于降低器件正向导通时的通态损耗。

本发明技术方案如下：

一种具有体电极的沟槽栅型绝缘栅双极型晶体管，如图4所示，包括金属化集电极1、P型集电区2、N^-漂移区3、P⁺体区4、P型基区5、N⁺源区6、沟槽型多晶硅栅电极7、二氧化硅栅氧化层8、金属化发射极9、体电极10、二氧化硅体电极氧化层11；金属化集电极1位于P型集电区2的背面，N^-漂移区3位于P型集电区2的正面；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^-漂移区3相连，而N⁺源区6与N^-漂移区3之间间隔着P型基区5；沟槽型多晶硅栅电极7在器件顶部位于金属化发射极9的一侧，其表面被二氧化硅栅氧化层8所包围；二氧化硅栅氧化层8的侧壁分别与N⁺源区6、P型基区5和N^-漂移区3接触，其底部与N^-漂移区3接触；体电极10在器件顶部位于金属化发射极9的另一侧，其表面被二氧化硅体电极氧化层11所包围；二氧化硅体电极氧化层11的侧壁分别与P⁺体区4、N^-漂移区3接触，其底部与N^-漂移区3接触。

所述体电极(10)可采用沟槽型结构，其电极材料可以是多晶硅、金属或其他导体材料。

所述二氧化硅体电极氧化层(11)为厚氧化层结构，其厚度需大于0.5微米。

现以图4为例，说明本发明的工作原理。

本发明提供的一种具有体电极的沟槽栅型绝缘栅双极型晶体管在传统的沟槽栅型绝缘栅双极型晶体管的基础上加以改进，引入的体电极10和二氧化硅体电极氧化层11，并加深了原有P⁺体区4的结深至与N^-漂移区3相连。首先，在此种绝缘栅双极型晶体管关断时，即在集电极上1加正电位，栅极7和发射极9短路接零电位时，无沟道形成，P型基区5/P⁺体区4与N^-漂移区3形成的PN结耐压，耗尽层向N^-漂移区3中扩展。电场方向由下向上，但是由于电场会在沟槽型多晶硅栅电极7底部集中，这就降低了这里的峰值电场，使击穿发生在这里，并降低了器件耐压。通过在体电极10上加一个正向电压，会形成一个指向从上向下的逆向电场，从而在一定程度了降低了沟槽型多晶硅栅电极7底部的峰值电场，使该峰值电场与沟槽型多晶硅体电极10底部的电场折衷，如图5所示，使击穿电压提高。其次，在此种绝缘栅双极型晶体管正向导通时，栅极上加上一定的电压，沟道形成，器件开启，电流会从集电极流向发射极。通过在体电极10上加一定的电压，会在体电极氧化层11外侧形成多子积累层，降低导通电阻，从而降低正向导通时的通态损耗。优化的P⁺体区4采用较深的结深，可以防止在体电极10上加电压时造成P型基区5的反型，并且可以降低空穴电流的电阻。

综上所述，本发明在传统的沟槽栅型绝缘栅双极型晶体管的结构中引入一个沟槽型体电极，所引入的沟槽型体电极与栅电极位置相对，通过优化沟槽型体电极的槽深和厚氧化层的厚度，并在体电极上加一定的电压，可以产生一个与原峰值电场相反的电场，从而有效的减小了原槽栅底部的峰值电场，提高了击穿电压；同时，在器件正向导通时，通过控制沟槽型体电极上的电压，可以在体电极厚氧化层外侧形成多子积累层，从而有利于降低器件正向导通时的通态损耗。

附图说明

图1是传统的平面穿通型绝缘栅双极型晶体管结构示意图。

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^-漂移区，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是传统的平面非穿通型绝缘栅双极型晶体管结构示意图。

其中，1是金属化集电极，2是P型集电区，3是N^-漂移区，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3是传统的沟槽栅型绝缘栅双极型晶体管结构示意图。

其中，1是金属化集电极，2是P型集电区，3是N^-漂移区，4是P⁺体区，5是P型基区，6是N⁺源区，7是沟槽型多晶硅栅电极，8是二氧化硅栅氧化层，9是金属化发射极。

图4是本发明提供的具有体电极的沟槽栅型绝缘栅双极型晶体管结构示意图。

其中，1是金属化集电极，2是P型集电区，3是N^-漂移区，4是P⁺体区，5是P型基区，6是N⁺源区，7是沟槽型多晶硅栅电极，8是二氧化硅栅氧化层，9是金属化发射极，10是体电极，11是体电极氧化层。

图5是本发明提供的具有体电极的沟槽栅型绝缘栅双极型晶体管和传统的沟槽栅型绝缘栅双极型晶体管在阻断状态下的电场分布的比较如图。

图6是本发明提供的具有体电极的沟槽栅型绝缘栅双极型晶体管和传统的沟槽栅型绝缘栅双极型晶体管的在不同的体电极电压下的阻断电压的比较图。

图7是本发明提供的具有体电极的沟槽栅型绝缘栅双极型晶体管和传统的沟槽栅型绝缘栅双极型晶体管当击穿电压相同时，在不同体电压下通态压降的比较图。

图8是本发明提供的具有体电极的沟槽栅型绝缘栅双极型晶体管和传统的沟槽栅型绝缘栅双极型晶体管的在正向导通体电极电压为30v时空穴浓度的分布的比较图。

图9是本发明提供的具有体电极的沟槽栅型绝缘栅双极型晶体管和传统的沟槽栅型绝缘栅双极型晶体管的在正向导通体电极电压为30v时电子浓度的分布的比较图。

图5至图9中，Trench IGBT是指传统的沟槽栅型绝缘栅双极型晶体管，New IGBT是指本发明所提供的具有体电极的沟槽栅型绝缘栅双极型晶体管。

具体实施方式

一种具有体电极的沟槽栅型绝缘栅双极型晶体管，如图4所示，包括金属化集电极1、P型集电区2、N^-漂移区3、P⁺体区4、P型基区5、N⁺源区6、沟槽型多晶硅栅电极7、二氧化硅栅氧化层8、金属化发射极9、体电极10、二氧化硅体电极氧化层11；金属化集电极1位于P型集电区2的背面，N^-漂移区3位于P型集电区2的正面；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^-漂移区3相连，而N⁺源区6与N^-漂移区3之间间隔着P型基区5；沟槽型多晶硅栅电极7在器件顶部位于金属化发射极9的一侧，其表面被二氧化硅栅氧化层8所包围；二氧化硅栅氧化层8的侧壁分别与N⁺源区6、P型基区5和N^-漂移区3接触，其底部与N^-漂移区3接触；体电极10在器件顶部位于金属化发射极9的另一侧，其表面被二氧化硅体电极氧化层11所包围；二氧化硅体电极氧化层11的侧壁分别与P⁺体区4、N^-漂移区3接触，其底部与N^-漂移区3接触。

所述体电极10采用沟槽型结构，其电极材料采用多晶硅；所述二氧化硅体电极氧化层11为厚氧化层结构，其厚度为1.0微米。

借助MEDICI仿真软件，对所提供的如图4所示的一种具有体电极的沟槽栅型绝缘栅双极型晶体管的半个元胞进行仿真，与如图3所示的传统的沟槽栅型绝缘栅双极型晶体管进行了仿真比较。仿真模拟薄片工艺制造的400伏的绝缘栅双极型晶体管，传统的沟槽栅型绝缘栅双极型晶体管的仿真参数为P型集电区掺杂1×10¹⁸cm^-3，厚度为2μm；N^-漂移区掺杂3×10¹⁴cm^-3，厚度为70μm；槽栅深度2μm，宽度1μm；栅氧化层厚度为100nm；N⁺源区掺杂1×10²⁰cm^-3，结深0.2μm；P型基区掺杂5×10¹⁷cm^-3，结深1.2μm；P⁺体区掺杂1×10²⁰cm^-3，结深0.2μm；仿真半元胞宽度为3μm；所提供的一种具有体电极的沟槽栅型绝缘栅双极型晶体管仿真参数为，P⁺体区结深1.2um，沟槽型多晶硅体电极深10μm，二氧化硅体电极氧化层厚度1μm，其他参数与传统的沟槽栅型绝缘栅双极型晶体管参数相同。

在栅压为0伏，体电极电压为30伏，器件为阻断状态时，本发明提供的具有体电极的沟槽栅型绝缘栅双极型晶体管和传统的沟槽栅型绝缘栅双极型晶体管在阻断状态下的电场分布的比较如图5所示，可以看出，本发明提供的具有体电极的IGBT把原峰值电场一分为二，分为两个峰值较小的电场，并且其耗尽区的范围也扩大了。图6为本发明提供的具有体电极的沟槽栅型绝缘栅双极型晶体管和传统的沟槽栅型绝缘栅双极型晶体管的在不同的体电极电压下的阻断电压的比较，由图6可知，体电极的电压不同，所述结构的击穿电压也不同，在体电极电压达到30v时，所述结构具有最优的击穿电压。图7为本发明提供的具有体电极的沟槽栅型绝缘栅双极型晶体管和传统的沟槽栅型绝缘栅双极型晶体管当击穿电压相同时，不同体电压下通态压降的比较图。当击穿电压相同时，所述结构可以比传统结构具有更高的衬底掺杂浓度，并且体电极下还可以形成积累层来降低通态压降。从图7可以看出，随着体电压的增大，通态压降下降，这是因为体电压越大积累层面积越大的缘故。图8为本发明提供的具有体电极的沟槽栅型绝缘栅双极型晶体管和传统的沟槽栅型绝缘栅双极型晶体管的在正向导通体电极电压为30v时空穴浓度的分布的对比，从图8中可以看出，新结构的顶部空穴浓度更高，这是由于更强的电导调制效应所致。图9为本发明提供的具有体电极的沟槽栅型绝缘栅双极型晶体管和传统的沟槽栅型绝缘栅双极型晶体管体电极电压为30v时电子浓度的分布的对比。由图9可知，新结构的电子浓度在顶部更高，这是由于积累层所致，这增大了器件的电导调制效应，降低通态损耗。

本发明提供的一种具有体电极的沟槽栅型绝缘栅双极型晶体管，通过优化的体电极的电压，可以使器件在阻断时提高击穿电压，在正向导通时具有更低的通态损耗。由Medici仿真可知，在体电极电压30伏时，与传统的沟槽栅型绝缘栅双极型晶体管相比：在阻断电压一样的情况下，通态压降下降了约0.2v；在衬底掺杂浓度一样的情况下，击穿电压提高了约70伏。

Claims (3)

1.一种具有体电极的沟槽栅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^-型漂移区(3)、P⁺体区(4)、P型基区(5)、N⁺型硅源区(6)、沟槽型多晶硅栅电极(7)、二氧化硅栅氧化层(8)、金属化发射极(9)；金属化集电极(1)位于P型集电区(2)的背面，N^-型漂移区(3)位于P型集电区(2)的正面；N⁺型硅源区(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^-型漂移区(3)相连，而N⁺型硅源区(6)与N^-型漂移区(3)之间间隔着P型基区(5)；沟槽型多晶硅栅电极(7)在器件顶部位于金属化发射极(9)的一侧，其表面被二氧化硅栅氧化层(8)所包围；二氧化硅栅氧化层(8)的侧壁分别与N⁺型硅源区(6)、P型基区(5)和N^-型漂移区(3)接触，其底部与N^-型漂移区(3)接触；

其特征在于，所述沟槽栅型绝缘栅双极型晶体管还具有体电极(10)和二氧化硅体电极氧化层(11)；所述体电极(10)在器件顶部位于金属化发射极(9)的另一侧，其表面被二氧化硅体电极氧化层(11)所包围；二氧化硅体电极氧化层(11)的侧壁分别与P⁺体区(4)、N^-型漂移区(3)接触，其底部与N^-型漂移区(3)接触。

2.根据权利要求1所述具有体电极的沟槽栅型绝缘栅双极型晶体管，其特征是，所述体电极(10)采用沟槽型结构，其电极材料是多晶硅或金属。

3.根据权利要求1所述具有体电极的沟槽栅型绝缘栅双极型晶体管，其特征是，所述二氧化硅体电极氧化层(11)为厚氧化层结构，其厚度需大于0.5微米。

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