CN103943673B - 具有不连续沟槽的沟槽双极型晶体管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有不连续P型基区的沟槽双极型晶体管，包括金属集电极、P型集电极、N型场终止层和N‑漂移区，晶体管顶部的沟槽栅结构由相互接触的多晶硅栅电极和栅氧化层组成，沟槽栅结构从沟槽中延伸出来，覆盖住顶部一侧的N‑漂移区，在N‑漂移区的另一侧顶部，还包括P型基区，金属发射极同时接触N+反射区和P+接触区。其中，在沿沟槽的延伸方向上，沟槽具有若干缺口。本发明在传统的Trench‑FS IGBT基础上，使沟槽具有周期性的小缺口。在P型基区扩散工序时，P型基区可以穿越这些缺口。这部分P型基区可以有效的屏蔽器件的高电场区域，获得更好的耐压可靠性，而同时基本不影响器件的正向饱和压降。
Description
技术领域
本发明属于功率半导体器件技术领域，涉及绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，尤其涉及沟槽双极型晶体管(Trench IGBT)。
背景技术
电能转换是现代化工业生产的基础和实施节能减排的主要途径，因此市场对电能转换系统的需求很大而且将持续增加。电能转换的传统器件是BJT和GTO等芯片，这些芯片的优点是功率大，但是速度慢、能耗大、控制复杂、安全工作区受限，不符合信息化和节能减排的发展潮流。20世纪80年代发明的IGBT结合了大功率和易控制的优点，而且无论在导通状态还是短路状态都可以承受电流冲击，它的并联和串联也很容易，因此IGBT成为划时代的发明。
自问世以来，IGBT技术不断推陈出新，经历了PT(穿通)结构，NPT(非穿通)结构和FS(场终止)结构等几次升级换代，芯片性能大大提高。栅结构也从Planar(平面型)升级到了Trench(沟槽型)结构。
本世纪初，英飞凌公司推出了第一款Trench‐FS IGBT，其结构如图1和图2所示(为了避免图形重叠，图1中没有画出多晶硅栅和N+发射区等区域，这些区域可以在纵向剖面结构图中看到)。其主要特征为，用Trench栅结构把P型基区完全包围，把P型基区和侧面的N‐漂移区隔开，提高了器件正面的载流子浓度，降低了器件的正向饱和压降。
发明内容
本发明的目的是降低沟槽顶部的电场强度，获得更好的耐压可靠性，为此，本发明提供一种具有不连续沟槽的沟槽双极型晶体管，在传统的Trench‐FS IGBT结构的基础上，把连续的沟槽打断，使沟槽具有周期性的小缺口。在制作IGBT的过程中，具体的说是在P型基区扩散工序时，P型基区可以穿越这些缺口，从而降低沟槽顶部的电场强度，获得更好的耐压可靠性。
本发明的技术方案如下：
具有不连续沟槽的沟槽双极型晶体管，包括背面的金属集电极、P型集电极、N型场终止层和N‐漂移区，晶体管顶部具有沟槽栅结构，沟槽栅结构由相互接触的多晶硅栅电极和栅氧化层组成，多晶硅栅电极和栅氧化层从沟槽中延伸出来，覆盖住顶部一侧的N‐漂移区，在N‐漂移区的另一侧顶部，还包括P型基区，P型基区中具有N+发射区和P+接触区，金属发射极同时接触N+发射区和P+接触区。所述沟槽是不连续的，即在沿沟槽的延伸方向上，沟槽具有若干缺口，使P型基区扩散工序时，P型基区可以穿越所述缺口。
作为本发明的进一步改进，所述沟槽的若干缺口为周期性缺口。
作为本发明的进一步改进，所述的沟槽缺口的宽度和间隔距离根据设计要求确定。
作为本发明的进一步改进，所述的沟槽栅结构所包围的区域形状是条形、圆形、方形或者多边形。
本发明的有益效果是：
本发明在传统的Trench‐FS IGBT基础上，沟槽(trench)打开了周期性的缺口，P型基区可以穿越这些缺口，有效的屏蔽器件的高电场区域，提高了器件的耐压可靠性。同时由于trench的缺口比较小，穿越缺口的P型基区具有比较小的面积，因此对器件的正向饱和压降基本毫无影响。
附图说明
图1是现有技术中的Trench‐FS IGBT版图；
图2是图1中对应的A‐A’单元连线的纵向剖面结构；
图3是本发明具有不连续沟槽的沟槽双极型晶体管的版图；
图4是图3中对应的A‐A’单元连线的纵向剖面结构；
图5是图3中对应的B‐B’单元连线的纵向剖面结构；
图6是图3中对应的C‐C’单元连线的纵向剖面结构。
图中：1、金属发射极；2、N+发射区；3、多晶硅栅电极；4、P+接触区；5、P型基区；6、栅氧化层；7、N‐漂移区；8、N型场终止层；9、P型集电极；10、金属集电极；11、沟槽。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明，为了避免图形重叠，图1和图3中没有画出多晶硅栅和N+发射区等区域，这些区域可以在纵向剖面结构图中看到。
本发明具有不连续沟槽的沟槽双极型晶体管的版图结构如图3所示，版图单元中对应的A‐A’单元、B‐B’单元连线和C‐C’单元连线的纵向剖面结构分别如图4、图5和图6所示。其中B‐B’单元连线处于trench的缺口处。本发明具有不连续沟槽的沟槽双极型晶体管包括背面的金属集电极10、P型集电极9、N型场终止层8和N‐漂移区7。器件顶部具有沟槽栅(即trench栅)结构，trench栅结构由相互接触的多晶硅栅电极3和栅氧化层6组成。图4中多晶硅栅电极3和栅氧化层6还从trench中延伸出来，覆盖住顶部一侧的漂移区7。在图4所示剖面结构中，漂移区7的一侧顶部还包括了P型基区5，P型基区5中具有N+发射区2和P+接触区4。金属发射极1同时接触N+发射区2和P+接触区4。图5所示剖面结构处于沟槽的缺口处，因此图5中没有trench栅结构，但是仍然有平面栅结构3和栅氧化层6，该平面栅结构3和栅氧化层6覆盖住顶部一侧的漂移区7。在P型基区扩散工序时，通过掺杂离子的横向扩散，使得P型基区5穿越trench的缺口。从图6的剖面图中可以清楚的看到，P型基区5穿越了trench的缺口。
本发明的工作原理如下：
本发明所提供的新型Trench‐FS IGBT结构，可以有效提高器件的耐压可靠性。其基本结构如图3，图4，图5和图6所示。和图1和图2所示的传统Trench‐FS IGBT结构相比，trench打开了周期性的缺口，P型基区5扩散时，通过掺杂离子的横向扩散，P型基区5可以穿越这些缺口。当IGBT处于反向偏置时，集电极承受了较高的正电压，因此器件内部会出现较高的电场强度，这对器件的耐压可靠性有不利影响。在传统的IGBT结构(图2)中，E点处的电场强度尤其高。这个高电场导致了器件的耐压可靠性问题。本发明提出的图3版图中包括图4和图5两种不同的纵向剖面结构。图4中的F点对应于图2中E点位置。图6中也标出了F点的位置，从图6可以看出：F点处于两侧的P型基区5之间，电场被两侧的P型基区4所屏蔽，因此F点的电场强度比E点低。综合以上分析，可见本发明的器件结构比传统的器件结构具有更低的电场强度，提高了器件的耐压可靠性。
本发明在传统的Trench‐FS IGBT基础上，在trench中打开周期性的缺口。在P型基区扩散工序时，通过掺杂离子的横向扩散，使得P型基区5穿越这些缺口。这部分多余出来的P型基区可以有效的屏蔽器件的高电场区域，降低了器件的最高电场强度，提高了器件的耐压可靠性。同时由于trench的缺口比较小，穿越缺口的P型基区5具有比较小的面积，因此对器件的正向饱和压降基本毫无影响。
在上述方案中，图3中的L1和L2可以根据设计要求而相应变化。L1可以在1nm～1000um之间选择。L2可以在1nm～1000um之间选择。如果L1选择的比较小，同时L2选择的比较大，比如L1＝0.1um而且L2＝100um，这种结构不会明显的提高器件的耐压可靠性，而且正向饱和压降也不会有明显的上升。反之，如果L1比较大，同时L2比较小，会明显的提高器件的耐压可靠性，但是同时正向饱和压降也会相应上升。
在上述方案中，trench栅结构所包围的区域是条形。在具体实施时，trench栅结构所包围的区域也可以是圆形，方形，或者其他多边形。制作器件时，也可以用碳化硅，氮化镓等其他半导体代替硅。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.具有不连续沟槽的沟槽双极型晶体管，包括背面的金属集电极(10)、P型集电极(9)、N型场终止层(8)和N‐漂移区(7)，晶体管顶部具有沟槽栅结构，沟槽栅结构由相互接触的多晶硅栅电极(3)和栅氧化层(6)组成，多晶硅栅电极(3)和栅氧化层(6)从沟槽(11)中延伸出来，覆盖住顶部一侧的N‐漂移区(7)，在N‐漂移区(7)的另一侧顶部，还包括P型基区(5)，P型基区(5)中具有N+发射区(2)和P+接触区(4)，金属发射极(1)同时接触N+发射区(2)和P+接触区(4)；其特征在于：所述沟槽是不连续的，即在沿沟槽(11)的延伸方向上，沟槽具有若干缺口，使P型基区扩散工序时，P型基区穿越所述缺口；所述P型基区(5)只设置于N‐漂移区(7)的一侧，使P型基区层不将沟槽(11)完全包裹起来。
2.根据权利要求1所述的具有不连续沟槽的沟槽双极型晶体管，其特征在于：所述沟槽的若干缺口为周期性缺口。
3.根据权利要求1或2所述的具有不连续沟槽的沟槽双极型晶体管，其特征在于：所述的沟槽缺口的宽度和间隔距离根据设计要求确定。
4.根据权利要求1或2所述的具有不连续沟槽的沟槽双极型晶体管，其特征在于：所述的沟槽栅结构所包围的区域形状是条形、圆形、方形或者多边形。
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