CN104752495A - 绝缘栅双极晶体管的源区结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种绝缘栅双极晶体管的源区结构，在绝缘栅双极晶体管正面的源区沿垂直于导电沟道方向的区域包括间隔设置两个以上的源区注入区和相邻两源区注入区之间的源区不注入区，各源区注入区包括接触孔引出区和源区电阻区，电流经源区注入区时，经源区电阻区后再通过接触孔引出区流出。本发明能对绝缘栅双极晶体管短路电流能力和抗闩锁能力同时进行调整，并能简化工艺降低制造成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种绝缘栅双极晶体管的源区结构，属于绝缘栅双极晶体管技术领域。
背景技术
绝缘栅双极晶体管（IGBT）是双极型三极管与绝缘栅型场效应管和成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，具有绝缘栅型场效应管的高输入阻抗及双极型三极管的低导通压降、以及驱动电路简单、安全工作区宽等优点，无论在传统产业的技术改造方面，如电机调速、各种高频开关电源等，还是在新能源的开发方面，如太阳能发电、风能发电和新能源汽车等，以及新兴产业方面，如智能电网、轨道交通等，作为电力电子系统核心开关器件的IGBT都起到了不可取代的关键的作用。
对于IGBT特性优化来说，经常需要考虑以下几对参数的平衡，即通态压降与击穿电压的平衡；通态压降与开关速度的平衡；以及通态压降与短路电流能力的平衡。实现上述关系的平衡，很多可以从结构上的设计来进行调整，但是一旦需要调整，可能整套版图或者大部分版图设计都需要进行更改，成本较高。一般IGBT的通态压降和短路电流能力的调整是通过调整多晶硅层宽度和间距来实现的，如果需要对原有设计进行调整，至少需要更改多晶硅版或沟槽版、孔版和源区注入版，因此实现轻微调整所耗费成本较高。而IGBT的抗闩锁能力可通过调整掺杂形貌、版图形状和尺寸来进行调整，调整掺杂形貌需要兼顾器件电学特性要求，调整时钳制因素较多，而调整版图形状和尺寸与需要改动好几张光刻版来实现，同样实现轻微调整所耗费成本较高。
IGBT结构一般在N型衬底上形成P型层和多晶硅层，多晶硅层下的P型层反型时即形成导电沟道，而在P型层内注入的N型层即为源区，源区为了形成欧姆接触浓度一般较高。目前绝缘栅双极晶体管源区结构见图1所示，源区是在绝缘栅双极晶体管正面沿垂直于导电沟道方向为连续注入形成，由于在源区内有尽可能多的导电沟道，降低通态压降是通过直接连接的接触孔将电流导出实现的，见图2所示为电流IE流动情况，其相对电流密度可以较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种能对绝缘栅双极晶体管短路电流能力和抗闩锁能力同时进行调整，并能简化工艺降低制造成本的绝缘栅双极晶体管的源区结构。
本发明为达到上述目的的技术方案是：一种绝缘栅双极晶体管的源区结构，其特征在于：在绝缘栅双极晶体管正面的源区沿垂直于导电沟道方向的区域包括间隔设置两个以上的源区注入区和相邻两源区注入区之间的源区不注入区，各源区注入区包括接触孔引出区和源区电阻区，电流经源区注入区时，先经源区电阻区后再通过接触孔引出区流出。
其中：所述源区注入区的源区电阻区位于接触孔引出区的两侧，源区注入区呈Z形或I字形。
其中：所述源区不注入区的长度D1与源区注入区的长度L比值控制在0.0001～1。
所述源区电阻区的长度L1与接触孔引出区的长度L2比值控制在0.5～10。
所述源区其接触孔引出区的长度L2在0.5～20μm。
所述源区电阻区边缘与接触孔边缘之间的距离D2＞0，且源区电阻区边缘与接触孔边缘之间的距离D2和源区电阻区边缘与多晶硅层边缘之间的间距D3之和控制在0.2～1μm。
本发明对绝缘栅双极晶体管正面源区结构进行改进，源区沿垂直于导电沟道方向的区域包括间隔设置两个以上的源区注入区和在相邻两源区注入区之间的源区不注入区，使源区在沿垂直于导电沟道方向的区域是分块设置，因此通过控制源区不注入区的长度D1和源区注入区的长度L来控制电沟道电流密度，实现短路电流能力的提高。本发明的源区包括接触孔引出区和源区电阻区，由于接触孔不将所有源区直接引出，电流经源区注入区时，先经两侧的源区电阻区再通过接触孔引出区流出，因此能通过调节源区电阻区的源区电阻区的长度L1实现提高抗闩锁能力。本发明只需要控制源区形状和尺寸，能同时对绝缘栅双极晶体管通态压降与短路电流能力及抗闩锁能力进行调整，实现通态压降与短路电流能力及抗闩锁能力的折衷调整。本发明仅一张源区注入光刻版，只需要稍微调整一下源区注入光刻版的形状和尺寸，即可实现通态压降和短路电流能力的调整功能，调整方便，能降低制造成本。
附图说明
下面结合附图对本发明的实施例作进一步的详细描述。
图1是常规绝缘栅双极晶体管源区结构平面示意图。
图2是图1的A-A截面电流剖面示意图。
图3是本发明绝缘栅双极晶体管源区结构平面示意图。
图4是图3中B-B截面电流剖面示意图。
图5是本发明源区结构电流平面示意图。
其中：1—多晶硅层，2—接触孔，3—源区，3-1—源区注入区，3-11—接触孔引出区，3-12—源区电阻区，3-2—源区不注入区，4—栅氧化层。
具体实施方式
见图3～5所示，本发明绝缘栅双极晶体管的源区结构，在绝缘栅双极晶体管正面的源区3沿垂直于导电沟道方向的区域包括间隔设置两个以上的源区注入区3-1和相邻两源区注入区3-1之间的源区不注入区3-2。见图3、4所示，间隔设置的源区注入区3-1内的N+杂质经栅氧化层4与多晶硅层1连接，本发明源区注入区3-1的长度为L，源区不注入区3-2的长度为D1，因沿垂直于导电沟道方向的各源区注入区3-1是断开分块的，见图4所示，源区不注入区3-2因为有栅极偏压仍然会形成反型层，仍然会和相邻的源区注入区3-1形成沟道电流，其电流IE流动情况，源区不注入区3-2沟道电流途径长，导通电阻大，因此沟道电流密度会低于源区普注的情况。本发明源区不注入区3-2的长度D1与源区注入区3-1的长度L比值越大时，导电沟道电流密度就越低，而通态压降会增大，短路电流能力会提高。但本发明电流沟道密度随D1/L1的增大不是等比例减小，因为在源区不注入区3-2的长度D1区域还是会有电流，只是通过源区不注入区3-2长度L的区域处流出。
见图3所示，本发明的源区不注入区3-2的长度D1与源区注入区3-1的长度L比值控制在0.0001～1，即源区注入区3-1的长度L为源区电阻区3-12的长度L1与接触孔引出区3-11的长度L2之和，为了能很好的调节通态压降与短路电流能力，最好是源区不注入区3-2的长度D1与源区注入区3-1的长度L比值控制在0.001～0.5，该D1/L的比值在0.01～0.4,如D1/L的比值在0.05、0.20、0.25、0.3、0.35等，通过调整源区不注入区3-2和长度D与源区注入区3-1的长度L比值，来达到所需的通态压降和短路电流能力。
见图3～5所示，本发明各源区注入区3-1包括接触孔引出区3-11和源区电阻区3-12，见图3所示，本发明源区注入区3-1的源区电阻区3-12位于接触孔引出区3-11的两侧，使源区注入区3-1可呈Z字形，或I字形，或等同的其它形状，在电流IE经源区注入区3-1时，先经源区电阻区3-12再通过接触孔引出区3-11流出，使得源区电阻区3-12的电流无法直接从接触孔2流走。本发明由于电流IE需要经过一段源区电阻区3-12，故而增加了源区电阻，能提高抗闩锁能力。
见图3所示，本发明源区电阻区的长度L1与接触孔引出区的长度L2的比值控制在0.5～10，最好源区电阻区的长度L1与接触孔引出区的长度L2的比值控制在2～8，如L1/L2的比值在3、5、或7等，而源区的接触孔引出区的长度L2在0.5～20μm，方便控制电流沟道长度，本发明接触孔引出区的长度L2能控制在1～10μm，如接触孔引出区的长度L2在2μm、5μm或8μm等，可根据器件所需的性能进行调整。
见图3所示，本发明源区电阻区边缘与接触孔边缘之间的距离D2＞0，在能确保工艺制作的同时，使接触孔2仍然无法与源区的源区电阻区3-12接触，本发明源区电阻区边缘与接触孔边缘之间的间距D2和源区电阻区边缘与多晶硅层边缘之间的间距D3之和控制在0.1～1μm，最好源区电阻区边缘与接触孔边缘之间的间距D2和源区电阻区边缘与多晶硅层边缘之间的间距D3之和控制在0.2～0.5μm，如D2与D3之和在0.25μm、0.35μm或0.4μm等，当源区电阻区边缘与多晶硅层边缘之间的间距D3越小、而接触孔引出区3-11的长度L2越小，则电流IE需要经过源区电阻区3-12的源区电阻就越大，抗闩锁就能力越强，因此能通过调整源区结构来调整源区电阻的大小。
本发明按常规工艺制作绝缘栅双极晶体管，根据不同的产品要求对通态压降与击穿电压、通态压降与开关速度以及通态压降与短路电流能力的平衡，来对源区的结构形状和尺寸进行调整，具体实施例及效果见表1所示。
本发明对源区结构形状和尺寸进行调整，而且只要对源区注入的一张光刻版进行修改即可实现上述调整，无论是在平面栅IGBT还是沟槽栅IGBT都可以采用本发明的源区结构，方便实现通态压降与短路电流能力及闩锁能力的折衷调整。
表1
Claims (8)
1.一种绝缘栅双极晶体管的源区结构，其特征在于：在绝缘栅双极晶体管正面的源区沿垂直于导电沟道方向的区域包括间隔设置两个以上的源区注入区和相邻两源区注入区之间的源区不注入区，各源区注入区包括接触孔引出区和源区电阻区，电流经源区注入区时，先经源区电阻区后再通过接触孔引出区流出。
2.根据权利要求1所述的绝缘栅双极晶体管的源区结构，其特征在于：所述源区注入区的源区电阻区位于接触孔引出区的两侧，源区注入区呈Z形或I字形。
3.根据权利要求1所述的绝缘栅双极晶体管的源区结构，其特征在于：所述源区不注入区的长度D1与源区注入区的长度L比值控制在0.0001～1。
4.根据权利要求3所述的绝缘栅双极晶体管的源区结构，其特征在于：所述源区不注入区的长度D1与源区注入区的长度L比值控制在0.001～0.5。
5.根据权利要求1所述的绝缘栅双极晶体管的源区结构，其特征在于：所述源区电阻区的长度L1与接触孔引出区的长度L2比值控制在0.5～10。
6.根据权利要求5所述的绝缘栅双极晶体管的源区结构，其特征在于：所述源区电阻区的长度L1与接触孔引出区的长度L2比值控制在2～8。
7.根据权利要求5或6所述的绝缘栅双极晶体管的源区结构，其特征在于：所述源区其接触孔引出区的长度L2在0.5～20μm。
8.根据权利要求1所述的绝缘栅双极晶体管的源区结构，其特征在于：所述源区电阻区边缘与接触孔边缘之间的距离D2＞0，且源区电阻区边缘与接触孔边缘之间的距离D2和源区电阻区边缘与多晶硅层边缘之间的间距D3之和控制在0.1～1μm。
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