CN102832240A

CN102832240A - 一种集电极终端具有介质层的绝缘栅双极型晶体管

Info

Publication number: CN102832240A
Application number: CN2012103333214A
Authority: CN
Inventors: 张金平; 李巍; 夏小军; 安俊杰; 张灵霞; 李泽宏; 任敏; 张波
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China; Institute of Electronic and Information Engineering of Dongguan UESTC
Priority date: 2012-09-11
Filing date: 2012-09-11
Publication date: 2012-12-19

Abstract

一种集电极终端具有介质层的绝缘栅双极型晶体管，属于功率半导体器件和功率集成电路技术领域。本发明在传统的绝缘栅双极型晶体管结构的基础上，在器件终端集电极区域引入一层连续或不连续的介质层。本发明通过介质层的引入可显著的降低器件终端集电极区域的有效空穴发射效率，从而减小器件终端处的空穴注入。当器件关断时，由于终端集电极区域空穴注入的减少，可使器件终端等位环附近的电流集中现象得到有效的抑制，从而抑制和消除由于电流集中引起的热击穿和动态雪崩击穿，从而有效改善绝缘栅双极型晶体管的关断能力，提高器件的可靠性。

Description

一种集电极终端具有介质层的绝缘栅双极型晶体管

技术领域

本发明属于功率半导体器件和功率集成电路技术领域，涉及绝缘栅双极型晶体管（IGBT）。

背景技术

绝缘栅双极型晶体管（IGBT）广泛应用于诸如通信、能源、交通、工业、医学、家用电器等领域的变频调速装置中，是现代电力电子电路中的核心电子元器件之一。作为一种MOS场效应和双极型晶体管复合的新型电力电子器件，IGBT既有MOSFET易于驱动，控制简单的优点，又有功率晶体管导通压降低，通态电流大，损耗小的优点，自上世纪80年代问世以来，得到了快速的发展。IGBT的大规模应用对电力电子系统的性能提升起到了极为重要的作用。

IGBT正向导通时，正的栅极电压使得沟道开启，发射极电子经过沟道流向漂移区，由于集电极正向偏置以及电中性的要求，大量空穴从集电极注入漂移区并和漂移区的电子形成电导调制。正是由于IGBT正向导通时的电导调制效应使得IGBT具有正向导通压降低，通态电流大，损耗小的优点。然而当IGBT关断时，当栅极电压减小到小于阈值电压后沟道截止，发射极电子电流变为零。对于广泛应用的电感负载的情形，由于电感电流不能突变，即流过IGBT的电流不能突变。因此，所有流过IGBT的电流必须由集电极注入漂移区的空穴形成的空穴电流提供。此时，对于IGBT器件的终端区域，大量的空穴从器件的集电极注入漂移区，然而注入的空穴不能直接从终端浮空的场限环结构处被抽走，而是在终端的等位环处集中，从而在终端的等位环处形成空穴电流的局部积聚效应，导致局部的高压大电流，使器件温度急剧升高，引起器件的动态雪崩击穿和热击穿，使器件烧毁，导致器件的关断失效。为了进一步减小器件终端处的电流积聚效应，改善IGBT器件的关断能力，提升IGBT器件的可靠性，本发明提供了一种终端集电极具有介质层结构的绝缘栅双极型晶体管。

发明内容

为了进一步减小器件终端处的电流积聚效应，改善IGBT器件的关断能力，提升IGBT器件的可靠性，本发明提供了一种集电极终端具有介质层的绝缘栅双极型晶体管。本发明在传统的绝缘栅双极型晶体管结构的基础上（如图1所示），在器件p型集电区10的终端部分引入一层连续或不连续的介质层17。

本发明技术方案如下：

一种集电极终端具有介质层的绝缘栅双极型晶体管，如图2至图5所示，所述绝缘栅双极型晶体管的集电极终端区域具有一层介质层17；所述介质层17具体位于P型集电区10的终端区域或金属集电极3的终端区域。

上述方案中：

所述介质层17可以是连续结构或非连续结构。

所述介质层17可以是氧化硅，氮化硅，氮氧化硅，硼磷硅玻璃等介质材料。

所述介质层17的长度、宽度、厚度及形状等可根据设计要求而相应变化。

所述绝缘栅双极型晶体管的栅电极可以是平面栅、沟槽栅或具有载流子存贮层的平面栅或沟槽栅。

所述绝缘栅双极型晶体管的集电极可以是电场终止结构、透明阳极结构或阳极短路结构。

当所述介质层（17）为非连续结构时，介质层（17）的间隔区域上方还具有第二P型集电区（18）；所述第二P型集电区（18）与P型集电区（10）具有相同或不相同的掺杂浓度、厚度和形状。

所述绝缘栅双极型晶体管的半导体材料可采用硅（Si）、碳化硅（SiC）、砷化镓（GaAs）或者氮化镓（GaN）等，其电极和金属连线可以是铝、铜或者其它合适的金属或合金。

本发明的有益效果表现在：

本发明提供的新型绝缘栅双极型晶体管，通过介质层17的引入，相当于减小了器件终端区域P型集电区10的面积，显著的降低了器件终端部分的有效空穴注入效率，从而减小器件终端处的空穴注入。当器件关断时，由于终端部分空穴注入的减少，可使器件终端等位环附近的电流集中现象得到有效的抑制，从而抑制和消除由于电流集中引起的动态雪崩击穿和热击穿，从而有效改善绝缘栅双极型晶体管的关断能力，提高器件的可靠性。同时介质层的引入仅在器件的终端部分，不影响器件元胞区域的p型集电区的空穴注入效率。因此，所提出的结构对器件的正向导通特性没有影响。本发明可适用于从小功率到大功率的半导体功率器件和功率集成电路领域。

附图说明

图1是传统的绝缘栅双极型晶体管结构示意图。

图2至图5是本发明提供的终端集电极具有介质层结构的绝缘栅双极型晶体管结构示意图。

图6是传统的绝缘栅双极型晶体管结构关断时的空穴电流分布示意图。

图7是本发明提供的绝缘栅双极型晶体管结构关断时的空穴电流分布示意图。

图1和图6中，1为栅电极，2为金属发射极，3为金属集电极，4为N+源区，5为P+接触区，6为P型基区，7为栅介质层，8为N-漂移区，9为N型电场阻止层，10为P型集电区，11为P型等位环，12为P型场限环，13为N型等位环，14为等位环的P+接触区，15为金属场板，16为场氧化层。

图2，图4和图7中，1为栅电极，2为金属发射极，3为金属集电极，4为N+源区，5为P+接触区，6为P型基区，7为栅介质层，8为N-漂移区，9为N型电场阻止层，10为P型集电区，11为P型等位环，12为P型场限环，13为N型等位环，14为等位环的P+接触区，15为金属场板，16为场氧化层，17为介质层。

图3和图5中，1为栅电极，2为金属发射极，3为金属集电极，4为N+源区，5为P+接触区，6为P型基区，7为栅介质层，8为N-漂移区，9为N型电场阻止层，10为P型集电区，11为P型等位环，12为P型场限环，13为N型等位环，14为等位环的P+接触区，15为金属场板，16为场氧化层，17为介质层，18为第二P型集电区。

具体实施方式

上述方案中：

所述介质层17可以是连续结构或非连续结构。

下面结合附图对本发明进行进一步说明。

本发明的工作原理如下：

现以图6和图7为例，说明其工作原理。图6为传统的绝缘栅双极型晶体管结构关断时的空穴电流分布示意，从图中可以看出当器件关断时，由于终端区域P型集电区的存在，大量的空穴从终端部分P型集电区注入N-漂移区8，注入N-漂移区8的空穴不能直接从上部终端浮空的场限环结构12和13处引出，遵循电流路径最小的原则，大部分的空穴从P型等位环11处流出，从而在P型等位环11处形成空穴电流积聚。积聚的空穴电流将导致局部的高压大电流，使器件温度急剧升高，引起器件终端处的动态雪崩击穿和热击穿，使器件烧毁，导致器件的关断失效。图7为本发明提供的新型绝缘栅双极型晶体管结构关断时的空穴电流分布示意。从图中可以看出当器件关断时，由于介质层的引入，终端部分P型集电区面积显著减小，从而大大减小了终端部分的空穴注入。终端部分空穴注入的减少抑制了器件终端等位环附近的电流集中现象，从而抑制和消除由于电流集中引起的动态雪崩击穿和热击穿，改善了绝缘栅双极型晶体管的关断能力，提高了器件的可靠性。

本发明提供的集电极终端具有介质层的绝缘栅双极型晶体管，其中介质层的引入可在器件的正面工艺完成之后，在器件的背面工艺中进行。具体应视介质层17是在集电区10的终端区域还是在金属集电极3的终端区域。若是在集电区10的终端区域，最好在集电区10注入推结之前进行介质层的生长、刻蚀；若是在金属集电极3的终端区域，侧最好在集电区10注入推结之后并在背面金属化之前进行生长、刻蚀。

本发明的其它实施例子，介质层17可以是连续结构，或非连续结构。材料可以是氧化硅，氮化硅，氮氧化硅，硼磷硅玻璃等。形状可以是方形、圆形、条形或不规则形状。长度、厚度、形状等可根据设计要求而相应变化。

Claims

1.一种集电极终端具有介质层的绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，所述绝缘栅双极型晶体管的集电极终端区域具有一层介质层（17）；所述介质层（17）具体位于P型集电区（10）的终端区域或金属集电极（3）的终端区域。

2.根据权利要求1所述的集电极终端具有介质层的绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，所述介质层（17）为连续结构或非连续结构。

3.根据权利要求1所述的集电极终端具有介质层的绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，所述介质层（17）材料为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或硼磷硅玻璃。

4.根据权利要求1所述的集电极终端具有介质层的绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，所述介质层（17）的长度、宽度、厚度及形状等可根据设计要求而相应变化。

5.根据权利要求1所述的集电极终端具有介质层的绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，所述绝缘栅双极型晶体管的栅电极为平面栅、沟槽栅或具有载流子存贮层的平面栅或沟槽栅。

6.根据权利要求1所述的集电极终端具有介质层的绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，所述绝缘栅双极型晶体管的集电极可以是电场终止结构、透明阳极结构或阳极短路结构。

7.根据权利要求2所述的集电极终端具有介质层的绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，当所述介质层（17）为非连续结构时，介质层（17）的间隔区域上方还具有第二P型集电区（18）；所述第二P型集电区（18）与P型集电区（10）具有相同或不相同的掺杂浓度、厚度和形状。

8.根据权利要求1至7任一所述的集电极终端具有介质层的绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，所述绝缘栅双极型晶体管的半导体材料采用硅、碳化硅、砷化镓或者氮化镓；其电极和金属连线采用铝、铜或者其它金属或合金。