CN107863383B - 一种具有半封闭原胞的绝缘栅双极型晶体管器件结构 - Google Patents
一种具有半封闭原胞的绝缘栅双极型晶体管器件结构 Download PDFInfo
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Abstract
一种具有半封闭原胞的绝缘栅双极型晶体管器件结构，顶部包括有源沟槽和虚拟沟槽两种沟槽；有源沟槽和虚拟沟槽组成半封闭的结构；有源沟槽和虚拟沟槽之间有缝隙；所有沟槽都至少穿透了部分CS层到达N‑漂移层，并在部分N‑漂移层中延伸一段距离；CS层的上方是P型基区；P型基区上面还设有N+发射区和P+接触区，并通过接触窗口和发射极电极相连。
Description
技术领域
本发明属于功率半导体器件技术领域，涉及MOS (Metal-Oxide-Semiconductor，金属氧化物半导体)栅控双极型器件，尤其涉及绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。
背景技术
MOS栅控双极型器件不但功率高，而且可以用小信号控制。IGBT结构设计多种多样，trench-FS（沟槽栅-场终止）结构是最常见的结果。沟槽栅结构中比较常见的是条形原胞结构。也有采用封闭原胞结构的：比如方块形原胞，六角形原胞等等。
一个典型的具有封闭原胞的IGBT结构如图1所示。该结构包括：背面的金属集电极13、P型集电极12、N型场终止层11和N-漂移区10。沟槽栅结构由相互接触的多晶硅栅电极6和栅氧化层9组成。沟槽栅6形成一个封闭的方形，多晶硅6和栅电极相连。顶部包括N+发射区1和P+接触区2，它们通过接触窗口20和发射极电极相连。P型阱区7通过P+接触区2和发射极电极相连。P型阱区的下面还具有N型CS(carrier stored，载流子储存)层8。因为图1的封闭结构，P型阱区7 和CS层8无法画出，其具体位置可以参考图2。
图1所示的封闭原胞结构，和条形原胞相比，其好处是可以减少原胞内的电场强度，增加击穿电压。但是，这种结构的栅电容比较大。所以，有必要改进这种IGBT结构，降低栅电容。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种半导体器件结构，其可以降低栅电容。而且其可以应用在所有的MOS栅控双极型器件中，包括但不限于，场终止IGBT(Field-Stop IGBT)，逆导型IGBT(reverse-conducting IGBT)，逆阻型IGBT(reverse-blocking IGBT)和MOS栅控晶闸管(MOS-controlled thyristor)等。
具体来说，本发明采用以下技术方案：
一种具有半封闭原胞的绝缘栅双极型晶体管器件结构，具有背面和正面，所述器件从背面开始依次包括：金属集电极13、P型集电极12、N型场终止层11和N-漂移区10，在N-漂移区10上靠近正面的部分设置了N型CS层8；CS层8的上方是P型基区7；P型基区7上面还设有N+发射区1和P+接触区2，并通过接触窗口20和发射极电极相连；其特征在于：器件顶部包括有源沟槽37和虚拟沟槽38两种沟槽；有源沟槽37的沟槽结构由相互接触的有源沟槽多晶硅6和栅氧化层9组成，其中有源沟槽多晶硅6和栅电极相连；虚拟沟槽38的沟槽结构由相互接触的虚拟沟槽多晶硅3和栅氧化层9组成，其中虚拟沟槽多晶硅3和发射极电极相连；有源沟槽37和虚拟沟槽38组成半封闭的结构；有源沟槽37和虚拟沟槽38之间有缝隙40；所有沟槽都至少穿透了部分CS层8到达N-漂移区10，并在部分N-漂移区10中延伸一段距离。
在以上器件中，优选地，有源沟槽37和虚拟沟槽38之间的缝隙40的宽度是可以进行调整的。更优选，有源沟槽37和虚拟沟槽38之间的缝隙40的宽度小于2微米。更进一步，有源沟槽37和虚拟沟槽38之间的缝隙40的宽度小于1微米。
在以上器件结构中，有源沟槽37和虚拟沟槽38构成的所述半封闭的结构是半封闭的方形。
在另一个优选实施方案中，有源沟槽37和虚拟沟槽38构成的所述半封闭的结构是半封闭的方形以外的其它半封闭的形状。所述半封闭的结构的其它形状包括半封闭的六角形、三角形或者圆形等。
在以上所述的绝缘栅双极型晶体管器件结构中，所采用的半导体材料是硅、碳化硅、氮化镓。
本发明的有益效果是：
本发明器件的栅电容比图1结构显著降低。
附图说明
图1是一种具有封闭原胞的IGBT结构图；
图2是本发明的一种具有半封闭原胞的实例器件结构图；
图3是两种IGBT结构(图1和图2结构)的米勒电容对比图。
在图中：1、N+发射区；2、P+接触区；3、虚拟沟槽多晶硅；6、有源沟槽多晶硅；7、P型阱区； 8、N型CS层；9、栅氧化层；10、N-漂移区；11、N型场终止层；12、P型集电极；13、金属集电极； 20、接触窗口；37、有源沟槽；38、虚拟沟槽。
具体实施方式
本发明采用一种新的结构来解决现有技术中存在的上述问题。
参见图2，本发明的结构具体为：
一种半导体器件，包括金属集电极、P型集电极、N型场终止层和N-漂移区，在N-漂移区中靠近正面的部分设置了N型CS层；器件顶部包括有源沟槽和虚拟沟槽两种沟槽；有源沟槽的沟槽结构由相互接触的有源沟槽多晶硅和栅氧化层组成，其中有源沟槽多晶硅和栅电极相连；虚拟沟槽的沟槽结构由相互接触的虚拟沟槽多晶硅和栅氧化层组成，其中虚拟沟槽多晶硅和发射极电极相连；有源沟槽和虚拟沟槽组成半封闭的方形；有源沟槽和虚拟沟槽之间有缝隙；所有沟槽都至少穿透了部分CS层和部分N-漂移区；CS层的上方是P型基区；P型基区上面还设有N+发射区和P+接触区，并通过接触窗口和发射极电极相连。
应了解，虽然本发明在图2中示出了半封闭的沟槽形状为方形，但是应了解，在实际应用中，该半封闭的结构还可以是圆形、六边形、条形、三角形等任何其它形状，只要符合器件所要应用的场合即可，而本发明图2中示出的具体示例性的方形形状不能对本发明的保护范围构成限制。
在有源沟槽和虚拟沟槽围成的半封闭形状中，有源沟槽和虚拟沟槽之间的缝隙宽度可以调整。作为本发明的进一步改进，有源沟槽和虚拟沟槽之间的缝隙宽度小于2微米。作为本发明的进一步改进，有源沟槽和虚拟沟槽之间的缝隙宽度小于1微米。
作为本发明的进一步改进，有源沟槽和虚拟沟槽组成半封闭的六角形，三角形，或者圆形等其他半封闭形状。
作为本发明的进一步改进，所采用的半导体材料是硅、碳化硅、氮化镓。
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明的第一种实例如图2所示：所述器件从背面开始依次包括：金属集电极13、P型集电极12、N型场终止层11和N-漂移区10，在N-漂移区10中靠近正面的部分设置了N型CS层8；器件顶部包括有源沟槽37和虚拟沟槽38两种沟槽；有源沟槽37的沟槽结构由相互接触的有源沟槽多晶硅6和栅氧化层9组成，其中有源沟槽多晶硅6和栅电极相连；虚拟沟槽38的沟槽结构由相互接触的虚拟沟槽多晶硅3和栅氧化层9组成，其中虚拟沟槽多晶硅3和发射极电极相连；有源沟槽37和虚拟沟槽38组成半封闭的方形；有源沟槽37和虚拟沟槽38之间有缝隙40；所有沟槽都至少穿透了部分CS层8和部分N-漂移区10；CS层8的上方是P型基区7；P型基区7上面还设有N+发射区1和P+接触区2，并通过接触窗口20和发射极电极相连。
以上所述的结构实例中，有源沟槽和虚拟沟槽之间的缝隙宽度是可变的，可以根据设计要求而相应变化。
以上所述的结构实例中，有源沟槽和虚拟沟槽组成半封闭形状可以是六角形，三角形，或者圆形等其他半封闭形状。
制作器件时，也可以用碳化硅、氮化镓等其他半导体代替硅。
本发明的工作原理如下：
在图1所示的传统IGBT结构中，所有沟槽都是有源沟槽，因此栅电容比较大。在图2所示的结构中，具有虚拟沟槽，因此栅电容减少了。
为了定量的对比几种结构的性能，接下来对图1结构和本发明的图2结构的性能进行了三维数值模拟分析和对比。模拟的两种器件各层掺杂参数完全相同，而且都以1200VIGBT为例，两种器件的面积都是1.5cm2。
图3是两种IGBT结构(图1结构和本发明的图2结构)的米勒电容比较图。从中可以看出，结温(Tj)为125℃时，米勒电容(Cres)如下所示。
图1结构的Cres (Vce=25V)值为591pF，而图2结构的Cres (Vce=25V)值为173pF。
由此可见，和图1结构相比，本发明提供的图2结构可以显著的降低米勒电容。
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。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细的说明，但是本发明不限于上述实施方式，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (4)
1.一种具有半封闭原胞的绝缘栅双极型晶体管器件结构，具有背面和正面，所述器件从背面开始依次包括：金属集电极（13）、P型集电极（12）、N型场终止层（11）和N-漂移区（10），在N-漂移区（10）上靠近正面的部分设置了N型CS层（8）；CS层（8）的上方是P型基区（7）；P型基区（7）上面还设有N+发射区（1）和P+接触区（2），并通过接触窗口（20）和发射极电极相连；其特征在于：器件顶部包括有源沟槽（37）和虚拟沟槽（38）两种沟槽；有源沟槽（37）的沟槽结构由相互接触的有源沟槽多晶硅（6）和栅氧化层（9）组成，其中有源沟槽多晶硅（6）和栅电极相连；虚拟沟槽（38）的沟槽结构由相互接触的虚拟沟槽多晶硅（3）和栅氧化层（9）组成，其中虚拟沟槽多晶硅（3）和发射极电极相连；有源沟槽（37）和虚拟沟槽（38）组成半封闭的结构，所述半封闭的结构是半封闭的方形、六角形、三角形或者圆形；有源沟槽（37）和虚拟沟槽（38）之间有缝隙（40）；有源沟槽（37）和虚拟沟槽（38）之间的缝隙（40）的宽度是可变的，可以根据设计要求而相应变化；所有沟槽都至少穿透了部分CS层（8）到达N-漂移区（10），并在部分N-漂移区（10）中延伸一段距离。
2.根据权利要求1所述的一种具有半封闭原胞的绝缘栅双极型晶体管器件结构，其特征在于：有源沟槽（37）和虚拟沟槽（38）之间的缝隙（40）的宽度小于2微米。
3.根据权利要求2所述的一种具有半封闭原胞的绝缘栅双极型晶体管器件结构，其特征在于：有源沟槽（37）和虚拟沟槽（38）之间的缝隙（40）的宽度小于1微米。
4.根据权利要求1所述的一种具有半封闭原胞的绝缘栅双极型晶体管器件结构，其特征在于：所采用的半导体材料是硅、碳化硅、氮化镓。
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