CN102779842A - 一种变形槽栅介质的cstbt器件 - Google Patents

Abstract

一种变形槽栅介质的CSTBT器件，属于半导体功率器件技术领域。本发明在传统CSTBT器件的基础上，改变槽内沟道区下方，即P型基区（5）下方栅介质层（7）的形状，使沟槽底部的多晶硅栅极12被更多的栅介质层7所包围，在基本不影响器件其他参数的情况下，可极大程度的提高器件的击穿电压，能更好的实现击穿电压与导通压降的折中关系，进一步优器件的综合性能。

Description

一种变形槽栅介质的CSTBT器件

技术领域

本发明属于半导体功率技术领域，涉及绝缘栅双极型晶体管（Insulate Gate BipolarTransistor，简称IGBT），特别涉及沟槽栅双极型晶体管（Trench型IGBT），尤其是载流子存储沟槽双极型晶体管（carrier stored trench bipolar transistor，简称CSTBT）。

背景技术

绝缘栅双极型晶体管IGBT既有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，又具有双极型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，市场前景非常广阔。IGBT产品是电力电子领域非常理想的开关器件，它集合了高频、高压、大电流三大技术优势，同时又能够实现节能减排，具有很好的环境保护效益。

自20世纪80年代初期，IGBT器件研制成功以来，其工艺技术和参数不断改进和提高，IGBT器件已由第一代发展到第六代，其电性能参数日益完善。当前，Trench型IGBT由于其高电流密度和更小的导通损耗正逐步取代Planar型IGBT成为IGBT产品的主流方向。载流子存储沟槽双极型晶体管CSTBT如图1所示，在传统Trench-IGBT基础上，增加一层载流子储存层，能进一步优化载流子浓度分布，从而进一步降低导通损耗，增加器件的电流能力，更好的实现了导通损耗与关断损耗的折中关系，使器件的性能进一步提高，已经逐步取代平面型IGBT成为市场上IGBT产品的主流方向。但是Trench型IGBT如CSTBT，当器件承受耐压时，大量的电流在沟槽边缘积聚，产生大的电场，很容易在沟槽边缘尤其是沟槽末端边缘处击穿，从而制约了Trench型IGBT的耐压特性。

发明内容

本发明提出一种变形槽栅介质的CSTBT器件，旨在不影响其他性能参数的同时，提高CSTBT器件的击穿电压，进一步优化CSTBT的综合性能。

本发明的技术方案如下：

一种变形槽栅介质的CSTBT器件，其元胞结构如图2~4所示，包括金属有源发射极1、金属栅电极2、金属集电极3、N+有源区4、P型基区5、P+体区6、栅介质层7、N型载流子存储层8、N-漂移区9、N+电场终止层10、P+集电区11和多晶硅栅极12；金属化集电极3位于P+集电区11的背面，N+电场终止层10位于P+集电区11的正面，N-漂移区9在N+电场终止层10的上方；N+有源区4和P+体区6相互接触且并排位于金属有源发射极1的下方并与金属有源发射极1相连；P型基区5位于N+有源区4和体P+区6的下方，N型载流子存储层8位于P型基区5和N-漂移区9之间；栅极结构为沟槽型栅，包括金属栅电极2、栅介质层7和多晶硅栅极12，多晶硅栅极12向下穿过N+有源区4、P型基区5和N型载流子存储层8并延伸入N-漂移区9，多晶硅栅极12的上表面与金属栅电极2相连，多晶硅栅极12的侧面及地面被栅介质层7包围，栅介质层7的侧壁分别与N+有源区4、P型基区5、N型载流子存储层8和N-漂移区9接触。所述P型基区5下方的栅介质层7的侧壁以及底部的厚度大于P型基区5以上的栅介质层7的侧壁的厚度。

上述技术方案中，需要进一步说明的是，满足P型基区5下方的栅介质层7的侧壁以及底部的厚度大于P型基区5以上的栅介质层7的侧壁的厚度条件时，多晶硅栅极12的底部剖面形状可以是倒三角形（如图2所示）、阶梯形（如图3所示）或圆弧形。具体实施时，栅介质层7材料可采用SiO₂、Si₃N₄、HfO₂或苯并环丁烯。

本发明的实质是在传统CSTBT器件基础上，改变槽内沟道区（P型基区5）下方栅介质层7的形状，使沟槽底部的多晶硅栅极12被更多的栅介质层7所包围。下面结合附图说明本发明的工作原理。

本发明所提出的一种变形槽栅介质的CSTBT器件，是在传统CSTBT结构的基础上，改变槽内沟道区（P型基区5）下方栅介质层7的形状，容易被击穿的沟槽底部被更多的栅介质层所保护，当栅电极加电压使沟道开启，电子通过沟道进入N-漂移区9，P+集电区11发射空穴到漂移区，大量的电子空穴对发生电导调制效应，当器件承受耐压时，由于沟槽栅底部边缘部分被更多的栅介质层所包围，而栅介质层耐压能力比多晶硅大得多，所以当大量电流在沟槽边缘积聚时，本发明提供的变形槽栅介质的CSTBT器件由于有更多更厚的栅介质层保护，能极大地提高器件的击穿电压。由于沟槽多晶硅栅极12底部比传统结构要少，所以导致沟槽正下方储存的空穴浓度比传统CSTBT结构的要略微少一点，使得器件的导通压降会稍稍上升。本发明提出的变形槽栅介质的CSTBT器件没有改变P+集电区11发射空穴的效率，所以对器件的关断特性几乎没有影响。综上所述，本发明所提出的一种变形槽栅介质的CSTBT器件，在基本不影响器件其他参数的情况下，可极大程度的提高器件的击穿电压，能更好的实现击穿电压与导通压降的折中关系，进一步优器件的综合性能。

借助MEDICI仿真软件可得，对所提供的如图1所示的传统CSTBT，如图2所示的变形槽栅介质的CSTBT器件进行了仿真比较，仿真模拟薄片工艺制造的1200V CSTBT，传统CSTBT的仿真参数为P+集电区11掺杂1×10¹⁸cm^-3、厚度为1μm；N-漂移区9掺杂5×10¹³cm^-3、厚度为119μm；N型载流子存储层8掺杂1×10¹⁵cm^-3，栅介质层7厚度为100nm，N+源区4掺杂1×10²⁰cm^-3，P型基区5掺杂2×10¹⁶cm^-3，P+体区6掺杂2×10¹⁹cm^-3，N+电场终止层10掺杂2×10¹⁶cm^-3、厚度为5μm，仿真半元胞宽度为8μm。而本发明所提供的变形槽栅介质的CSTBT器件（以下简称新型CSTBT）与传统CSTBT在仿真参数上全部一样，唯一的区别就是栅介质层7的变化。由于沟槽底部栅介质层形状是可变的，沟槽底部的多晶硅栅电极12被更多的栅介质层7所包围。图5是传统CSTBT和新型CSTBT的击穿电压比较图，在1E-8A/cm时，传统CSTBT的击穿电压为1068.7V，新型CSTB的击穿电压为1424.8V，耐压值的提升幅度高达33.4%。图6所示是传统CSTBT与新型CSTBT的导通压降的比较示意图，从图6中可知，新型CSTBT会略微提高器件的导通损耗，在电流密度为100A/cm²时，传统CSTBT的导通压降为1.26V，新型CSTBT的导通压降为1.32V，导通压降的升高幅度为4%左右。图7是传统CSTBT和新型CSTBT的关断特性比较示意图，由图7可得，传统CSTBT和新型CSTBT的关断特性相同，关断时间的定义为IGBT关断时，集电极电流从90%降到10%所需要的时间，经仿真验证，传统CSTBT和新型CSTBT关断时间均为1.8μs左右。由于新型CSTBT结构没有影响集电极空穴发射效率，所以在体现其有益效果的同时基本不会影响器件的关断特性；图8是传统CSTBT和新型CSTBT沟槽边缘部分的一维电场比较图，由图8可得本发明提出的新型CSTBT明显可以降低电场尖峰，增加器件的击穿电压。

综上诉述本发明所提出的一种变形槽栅介质的CSTBT器件，经仿真验证可以明显提高器件的击穿电压，稍微提高器件的导通压降，关断特性不变，能更好的实现器件击穿电压与导通压降的折中关系，进一步提升器件的整体性能。

附图说明

图1是传统CSTBT结构示意图。

图2是本发明提出的新型CSTBT结构示意图。

图3是本发明提出的第二种新型CSTBT结构示意图。

图4是本发明提出的第三种新型CSTBT结构示意图。

图1至图4中：1是金属有源发射极，2是金属栅电极，3是金属集电极，4是N+有源区，5是P型基区，6是P+体区，7是栅介质层，8是N型载流子储存层，9是N-漂移区，10是N+电场截止层，11是P+集电区，12是多晶硅栅极。

图5是本发明提供的新型CSTBT与传统CSTBT在常温下的击穿特性比较图。

图6是是本发明提供的新型CSTBT与传统CSTBT在常温下的导通特性比较图。

图7是是本发明提供的新型CSTBT与传统CSTBT在常温下关断时阳极电流变化趋势比较图。

图8是本发明提供的新型CSTBT与传统CSTBT在沟槽边缘处的一维电场分布比较示意图。

图5至图8中：Conventional CSTBT是指传统载流子沟槽双极型晶体管，New CSTBT是指本发明提供的变形槽栅介质载流子沟槽双极型晶体管。

具体实施方式

一种变形槽栅介质的CSTBT器件，其元胞结构如图2~4所示，包括金属有源发射极1、金属栅电极2、金属集电极3、N+有源区4、P型基区5、P+体区6、栅介质层7、N型载流子存储层8、N-漂移区9、N+电场终止层10、P+集电区11和多晶硅栅极12；金属化集电极3位于P+集电区11的背面，N+电场终止层10位于P+集电区11的正面，N-漂移区9在N+电场终止层10的上方；N+有源区4和P+体区6相互接触且并排位于金属有源发射极1的下方并与金属有源发射极1相连；P型基区5位于N+有源区4和体P+区6的下方，N型载流子存储层8位于P型基区5和N-漂移区9之间；栅极结构为沟槽型栅，包括金属栅电极2、栅介质层7和多晶硅栅极12，多晶硅栅极12向下穿过N+有源区4、P型基区5和N型载流子存储层8并延伸入N-漂移区9，多晶硅栅极12的上表面与金属栅电极2相连，多晶硅栅极12的侧面及地面被栅介质层7包围，栅介质层7的侧壁分别与N+有源区4、P型基区5、N型载流子存储层8和N-漂移区9接触。所述P型基区5下方的栅介质层7的侧壁以及底部的厚度大于P型基区5以上的栅介质层7的侧壁的厚度。

一种可变槽栅氧的CSTBT，以示意图2为例，其具体实现方法包括：选取N型<100>晶向区熔单晶衬垫，场氧化，普注载流子存储层N，普注P body基区，N+有源区注入，刻蚀深槽，淀积栅氧化层，先各向同性腐蚀形成上面部分矩形状多晶硅沟槽栅，然后各向异性腐蚀形成倒三角形多晶硅沟槽栅，P+体区注入，沉积发射极金属，发射极金属曝光与刻蚀，背面点场终止层注入，背面P+发射区注入及退火，背面金属化，钝化等等。

在实施的过程中，根据具体器件的设计要求，上述技术方案中，需要进一步说明的是，满足P型基区5下方的栅介质层7的侧壁以及底部的厚度大于P型基区5以上的栅介质层7的侧壁的厚度条件时，多晶硅栅极12的底部剖面形状可以是倒三角形（如图2所示）、阶梯形（如图3所示）或圆弧形。具体实施时，栅介质层7材料可采用SiO₂、Si₃N₄、HfO₂或苯并环丁烯。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 (3)

1.一种变形槽栅介质的CSTBT器件，其元胞结构包括金属有源发射极（1）、金属栅电极（2）、金属集电极（3）、N+有源区（4）、P型基区（5）、P+体区（6）、栅介质层（7）、N型载流子存储层（8）、N-漂移区（9）、N+电场终止层（10）、P+集电区（11）和多晶硅栅极（12）；金属化集电极（3）位于P+集电区（11）的背面，N+电场终止层（10）位于P+集电区（11）的正面，N-漂移区（9）在N+电场终止层（10）的上方；N+有源区（4）和P+体区（6）相互接触且并排位于金属有源发射极（1）的下方并与金属有源发射极（1）相连；P型基区（5）位于N+有源区（4）和体P+区（6）的下方，N型载流子存储层（8）位于P型基区（5）和N-漂移区（9）之间；栅极结构为沟槽型栅，包括金属栅电极（2）、栅介质层（7）和多晶硅栅极12，多晶硅栅极（12）向下穿过N+有源区（4）、P型基区（5）和N型载流子存储层（8）并延伸入N-漂移区（9），多晶硅栅极（12）的上表面与金属栅电极（2）相连，多晶硅栅极12的侧面及地面被栅介质层（7）包围，栅介质层（7）的侧壁分别与N+有源区（4）、P型基区（5）、N型载流子存储层（8）和N-漂移区（9）接触；

其特征在于，所述P型基区（5）下方的栅介质层（7）的侧壁以及底部的厚度大于P型基区（5）以上的栅介质层（7）的侧壁的厚度。

2.根据权利要求1所述的变形槽栅介质的CSTBT器件，其特征在于，满足P型基区（5）下方的栅介质层（7）的侧壁以及底部的厚度大于P型基区（5）以上的栅介质层（7）的侧壁的厚度条件时，多晶硅栅极（12）的底部剖面形状是倒三角形、阶梯形或圆弧形。

3.根据权利要求1所述的变形槽栅介质的CSTBT器件，其特征在于，所述栅介质层（7）材料采用SiO₂、Si₃N₄、HfO₂或苯并环丁烯。

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