CN108767003B - 高抗闩锁能力的igbt器件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种IGBT器件，尤其是一种高抗闩锁能力的IGBT器件，属于IGBT器件的技术领域。元胞沟槽呈倒T字型，源极接触孔呈T字型，在源极接触孔的第二孔区内设置接触孔电介质层，从而能对第一导电类型漂移区内的载流子流通路径进行引导，即使得空穴载流子绕开元胞沟槽的槽底向元胞区集中，在T字型源极接触孔的作用下，可以使得空穴在有源区零电位的吸引下，绕开第一导电类型源区，并能竖直向上集中流向第一孔区，从而使得IGBT器件中寄生晶闸管更难达到闩锁条件，提高IGBT器件的抗闩锁能力，安全可靠。
Description
技术领域
本发明涉及一种IGBT器件，尤其是一种高抗闩锁能力的IGBT器件，属于IGBT器件的技术领域。
背景技术
IGBT是功率半导体器件中具有代表性的一类器件，因其同时具有高耐压、低导通压降、易驱动、开关速度快等优点，在开关电源、变频调速、逆变器等许多功率领域有重要的应用，闩锁问题是影响IGBT可靠性的重要原因之一。
以N型IGBT器件为例，IGBT结构中包含了由N+发射区、P型基区、N-漂移区和P+集电极区构成的N-P-N-P的四层三结的晶闸管结构。通过载流子流通路径来解释IGBT发生闩锁的机制：当IGBT正常工作时，寄生晶闸管不会开启，这是由于正常工作电流下N+发射区和P型基区形成的短路发射极结构保证了上层NPN管的发射结不发生导通，IGBT电流受到栅极电压的控制，具有饱和特性；若由于某种原因使IGBT中的电流密度过大，过高的空穴电流流过N+发射区下方的P型基区，该电流在P型基区路径电阻上产生压降，若压降足够大则会使P型基区与N+发射区形成的PN结正偏，上层的NPN管进入放大区工作，并驱动下层的PNP管，PNP管开启后又反过来驱动上层NPN管，如此形成正反馈，再生反馈效应使得IGBT栅极失去对电流的控制能力，电流迅速增大，当电流增大到一定程度后，可能使IGBT器件过热烧毁，因此闩锁现象限制了IGBT的最大安全工作电流。
要抑制寄生晶闸管的闩锁效应，就必须减小上层NPN管和下层PNP管的开基极电流增益，由于宽基区的下层PNP管在IGBT正常工作时需要传导通态电流，减小其电流增益会增大IGBT的导通压降，而上层NPN通常不参与IGBT导通态电流的传导，因此，最好是降低上层NPN管的电流增益。现有的防止措施是在增加P型基区的掺杂浓度，以减小N+区下方的P型基区的路径电阻，以防止N+发射区/P型基区结发生正偏，但有可能增加IGBT的阈值电压并降低反向耐压。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种高抗闩锁能力的IGBT器件，其结构紧凑，能有效提升IGBT器件的抗闩锁能力，安全可靠。
按照本发明提供的技术方案，所述高抗闩锁能力的IGBT器件，包括半导体基板以及位于所述半导体基板中心的元胞区，所述半导体基板包括第一导电类型漂移区以及位于所述第一导电类型漂移区内上部的第二导电类型基区；
所述元胞区包括若干元胞，每个元胞内包括两个相邻的元胞沟槽，所述元胞沟槽位于第二导电类型基区内，且元胞沟槽的槽底位于所述第二导电类型基区下方的第一导电类型漂移区内；
在所述IGBT器件的截面上，元胞沟槽槽底的宽度大于元胞沟槽槽口的宽度，在元胞沟槽内的侧壁以及底壁设置栅氧化层，在设置栅氧化层的元胞沟槽内填充有栅极导电多晶硅；在元胞沟槽相对应外侧壁的第二导电类型基区内设置第一导电类型源区，第一导电类型源区与邻近元胞沟槽的外侧壁接触；
在相邻的元胞沟槽之间设置源极接触孔，所述源极接触孔贯穿第二导电类型基区，源极接触孔的孔底位于第二导电类型基区下方的第一导电类型漂移区内；所述源极接触孔包括位于上部的第一孔区以及位于下部的第二孔区，所述第一孔区的宽度大于第二孔区的宽度，第一孔区与第二孔区相互连通，在所述第二孔区的内壁上设置接触孔电介质层；
在所述IGBT器件的截面上，第一导电类型漂移区的上方还设置源极金属层以及栅极金属层，所述源极金属层填充在源极接触孔的第一孔区以及第二孔区内，且源极金属与第二导电类型基区、第一导电类型源区欧姆接触，栅极金属与栅极导电多晶硅欧姆接触。
在所述IGBT器件的截面上，所述源极接触孔的第一孔区与元胞沟槽的槽底交叠。
在所述IGBT器件的截面上，第二孔区的孔底与元胞沟槽的槽底的上边缘在同一水平面上，第二孔区与元胞沟槽的外壁之间的间隙至少为1μm。
在所述IGBT器件的截面上，所述第一孔区的深度不小于第一导电类型源区的深度。
所述接触孔电介质层包括氧化硅或氮化硅，接触孔电介质层的厚度为
在所述第一导电类型漂移区的背面设置第二导电类型集电区，在所述第二导电类型集电区上设置集电极金属层，所述集电极金属层与第二导电类型集电区欧姆接触。
所述“第一导电类型”和“第二导电类型”两者中，对于N型功率IGBT器件，第一导电类型指N型，第二导电类型为P型；对于P型功率IGBT器件，第一导电类型与第二导电类型所指的类型与N型半导体器件正好相反。
本发明的优点：元胞沟槽呈倒T字型，源极接触孔呈T字型，在源极接触孔的第二孔区内设置接触孔电介质层，从而能对第一导电类型漂移区内的载流子流通路径进行引导，即使得空穴载流子绕开元胞沟槽的槽底向元胞区集中，在T字型源极接触孔的作用下，可以使得空穴在有源区零电位的吸引下，绕开第一导电类型源区，并能竖直向上集中流向第一孔区，从而使得IGBT器件中寄生晶闸管更难达到闩锁条件，提高IGBT器件的抗闩锁能力，安全可靠。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的载流子路通路径示意图。
附图标记说明：1-栅极导电多晶硅、2-栅氧化层、3-N+源区、4-源极接触孔、5-P型基区、6-接触孔电介质层、7-N型漂移区、8-P+集电区、9-集电极金属层、10-元胞沟槽、11-第二孔区以及12-第一孔区。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1和图2所示：为了能有效提升IGBT器件的抗闩锁能力，本发明包括半导体基板以及位于所述半导体基板中心的元胞区，所述半导体基板包括N型漂移区7以及位于所述N型漂移区7内上部的P型基区5；
所述元胞区包括若干元胞，每个元胞内包括两个相邻的元胞沟槽10，所述元胞沟槽10位于P型基区5内，且元胞沟槽10的槽底位于所述P型基区5下方的N型漂移区7内；
在所述IGBT器件的截面上，元胞沟槽10槽底的宽度大于元胞沟槽10槽口的宽度，在元胞沟槽10内的侧壁以及底壁设置栅氧化层2，在设置栅氧化层2的元胞沟槽10内填充有栅极导电多晶硅1；在元胞沟槽10相对应外侧壁的P型基区5内设置N+源区3，N+源区3与邻近元胞沟槽10的外侧壁接触；
在相邻的元胞沟槽10之间设置源极接触孔4，所述源极接触孔4贯穿P型基区5，源极接触孔4的孔底位于P型基区5下方的N型漂移区7内；所述源极接触孔4包括位于上部的第一孔区12以及位于下部的第二孔区11，所述第一孔区12的宽度大于第二孔区11的宽度，第一孔区12与第二孔区11相互连通，在所述第二孔区12的内壁上设置接触孔电介质层6；
在所述IGBT器件的截面上，N型漂移区7的上方还设置源极金属层以及栅极金属层，所述源极金属层填充在源极接触孔4的第一孔区12以及第二孔区11内，且源极金属与P型基区5、N+源区3欧姆接触，栅极金属与栅极导电多晶硅1欧姆接触。
具体地，半导体基板可以选用常用的材料，如体硅、氮化硅、砷化镓等材料，具体可以根据需要进行选择，此处不再赘述。元胞区位于半导体基板的中心区，一般地，在元胞区的外圈还设置终端区域，利用终端区域能对元胞区进行保护，元胞区、终端区域之间的具体配合关系为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。
P型基区5设置在N型漂移区7内，P型基区5的厚度远小于N型漂移区7的厚度。元胞区内的元胞采用并联呈一体，元胞区内的元胞采用沟槽结构，每个元胞包括两个相邻的元胞沟槽10，元胞沟槽10的槽口位于N型漂移区7的上表面对齐，元胞沟槽10的槽底位于P型基区5下方的N型漂移区7内，元胞沟槽10的上部贯穿P型基区5。
在所述IGBT器件的截面上，元胞沟槽10的槽底大于元胞沟槽10槽口的宽度，元胞沟槽10槽口与元胞沟槽10槽底之间部分的宽度与元胞沟槽10槽口的宽度相一致，即元胞沟槽10呈倒T型，栅氧化层2可以为二氧化硅层，栅氧化层2覆盖在元胞沟槽10的侧壁以及底壁，栅极导电多晶硅1填充在元胞沟槽10内，栅极导电多晶硅1通过栅氧化层2与元胞沟槽10的侧壁以及底壁绝缘隔离。N+源区3位于P型基区5内，N+源区3位于元胞内两相邻元胞沟槽10之间，N+源区3与相应元胞沟槽侧壁外上方接触。
此外，在两相邻元胞沟槽10之间还设置源极接触孔4，所述源极接触孔4贯穿P型基区5，且源极接触孔4的孔底位于P型基区5下方的N型漂移区7内，源极接触孔4的孔底位于元胞沟槽10槽底的上方，源极接触孔4与元胞沟槽10之间具有间隙。源极接触孔4包括位于上部的第一孔区12以及位于下部的第二孔区11，第二孔区11邻近元胞沟槽10的槽底，第一孔区12的宽度大于第二孔区11的宽度，即通过第一孔区12与第二孔区11配合，使得源极接触孔4呈T型结构，第二孔区11的主体贯穿P型基区5，第二孔区11的孔底位于P型基区5下方的N型漂移区7内。第二孔区11的孔壁设置接触孔电介质层6。
源极金属层能填充在源极接触孔4内，即源极金属层同时填充在第一孔区12、第一孔区11内，当源极金属层填充在源极接触孔4内后，源极金属层与P型基区5以及N+源区3欧姆接触，利用源极金属层能形成IGBT器件的源电极。栅极金属层与栅极导电多晶硅1欧姆接触，利用栅极金属层能形成IGBT器件的栅电极。为了便于表述，在图1和图2中，均未示出源极金属层、栅极金属层的在N型漂移区7上方的分布情况；一般地，在N型漂移区7上方设置源极金属层、栅极金属层后，还需要设置绝缘介质层等结构，源极金属层、栅极金属层、绝缘介质层之间的具体分布以及配合关系均可以根据需要进行选择，只要能满足形成IGBT器件的源电极、栅电极均可，具体为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。
具体实施时，在所述N型漂移区7的背面设置P+集电区8，在所述P+集电区8上设置集电极金属层9，所述集电极金属层9与P+集电区8欧姆接触。本发明实施例中，通过集电极金属层9与P+集电区8的欧姆接触，能形成IGBT器件的集电极，集电极金属层9、源极金属层以及栅极金属层均可以选用本技术领域常用的材料，具体制备工艺与现有工艺兼容，此处不再赘述。
进一步地，在所述IGBT器件的截面上，所述源极接触孔4的第一孔区12与元胞沟槽10的槽底交叠。
本发明实施例中，第一孔区12的宽度与元胞沟槽10槽底的宽度相一致，栅氧化层2、栅极导电多晶硅1在元胞沟槽10内形状与元胞沟槽10的形状相一致。第一孔区12与元胞沟槽10的槽底相交叠，具体是指在进行正投影时，第一孔区12与元胞沟槽10的槽底能重叠。
进一步地，在所述IGBT器件的截面上，第二孔区11的孔底与元胞沟槽10的槽底的上边缘在同一水平面上，第二孔区11与元胞沟槽10的外壁之间的间隙至少为1μm。
本发明实施例中，在所述IGBT器件的截面上，所述第一孔区12的深度不小于N+源区3的深度。第二孔区11的孔底与元胞沟槽10槽底的上位于同一水平面上，第二孔区11与元胞沟槽10之间的间隙至少为1μm。此外，所述接触孔电介质层6包括氧化硅或氮化硅，接触孔电介质层6的厚度为
本发明实施例中，元胞沟槽10的倒T字型结构缩窄了空穴的流通路径，使得空穴载流子绕开元胞沟槽10的底部向元胞中心区域集中，将有源区接触孔4设置为T字型且在第二孔区11内设置接触孔电介质层6，可以使得空穴在有源区0电位(即源电极接0电位)的吸引下，绕开N+源区3底部，竖直向上集中流向有源区接触孔4的第一孔区11，使IGBT中的寄生晶闸管更难达到闩锁条件，提高了IGBT器件的抗闩锁能力。
Claims (6)
1.一种高抗闩锁能力的IGBT器件，包括半导体基板以及位于所述半导体基板中心的元胞区，所述半导体基板包括第一导电类型漂移区以及位于所述第一导电类型漂移区内上部的第二导电类型基区；其特征是：
所述元胞区包括若干元胞，每个元胞内包括两个相邻的元胞沟槽，所述元胞沟槽位于第二导电类型基区内，且元胞沟槽的槽底位于所述第二导电类型基区下方的第一导电类型漂移区内；
在所述IGBT器件的截面上，元胞沟槽槽底的宽度大于元胞沟槽槽口的宽度，在元胞沟槽内的侧壁以及底壁设置栅氧化层，在设置栅氧化层的元胞沟槽内填充有栅极导电多晶硅；在元胞沟槽相对应外侧壁的第二导电类型基区内设置第一导电类型源区，第一导电类型源区与邻近元胞沟槽的外侧壁接触；
在相邻的元胞沟槽之间设置源极接触孔，所述源极接触孔贯穿第二导电类型基区，源极接触孔的孔底位于第二导电类型基区下方的第一导电类型漂移区内；所述源极接触孔包括位于上部的第一孔区以及位于下部的第二孔区，所述第一孔区的宽度大于第二孔区的宽度，第一孔区与第二孔区相互连通，在所述第二孔区的内壁上设置接触孔电介质层；
在所述IGBT器件的截面上，第一导电类型漂移区的上方还设置源极金属层以及栅极金属层，所述源极金属层填充在源极接触孔的第一孔区以及第二孔区内，且源极金属与第二导电类型基区、第一导电类型源区欧姆接触，栅极金属与栅极导电多晶硅欧姆接触。
2.根据权利要求1所述的高抗闩锁能力的IGBT器件，其特征是：在所述IGBT器件的截面上，所述源极接触孔的第一孔区与元胞沟槽的槽底交叠。
3.根据权利要求1所述的高抗闩锁能力的IGBT器件，其特征是：在所述IGBT器件的截面上，第二孔区的孔底与元胞沟槽的槽底的上边缘在同一水平面上，第二孔区与元胞沟槽的外壁之间的间隙至少为1μm。
4.根据权利要求1所述的高抗闩锁能力的IGBT器件，其特征是：在所述IGBT器件的截面上，所述第一孔区的深度不小于第一导电类型源区的深度。
5.根据权利要求1所述的高抗闩锁能力的IGBT器件，其特征是：所述接触孔电介质层包括氧化硅或氮化硅，接触孔电介质层的厚度为
6.根据权利要求1所述的高抗闩锁能力的IGBT器件，其特征是：在所述第一导电类型漂移区的背面设置第二导电类型集电区，在所述第二导电类型集电区上设置集电极金属层，所述集电极金属层与第二导电类型集电区欧姆接触。
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| 具有更宽安全工作区的IGBT元胞的研究与设计;朱利恒;蒋其梦;陈星弼;;微电子学(06);全文 * |
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