CN110444595B - 具有倒t型屏蔽栅的igbt器件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有倒T型屏蔽栅的IGBT器件,其在所述第一导电类型漂移区上设置元胞结构;还包括栅极多晶硅体,栅极多晶硅体包括屏蔽栅以及控制栅,控制栅、屏蔽栅通过栅氧化层与第一导电类型漂移区间隔;所述控制栅与下方的第二导电类型体区、第一导电类型源区交叠,屏蔽栅位于第二类型体区之间;屏蔽栅呈倒T型状,屏蔽栅包括伸入第一导电类型漂移区内的横向部以及与所述横向部连接的纵向部,横向部的宽度大于纵向部的宽度;所述纵向部的顶端与发射极金属欧姆接触,发射极金属通过绝缘介质层与控制栅绝缘隔离。本发明结构紧凑,能降低IGBT器件的米勒电容,提高IGBT器件的开关速度,提高IGBT器件的耐压。

Description

具有倒T型屏蔽栅的IGBT器件
技术领域
本发明涉及一种IGBT器件,尤其是一种具有倒T型屏蔽栅的IGBT器件,属于平面栅IGBT器件的技术领域。
背景技术
IGBT的全称是Insulate Gate Bipolar Transistor,即绝缘双极晶体管,由于其优越的器件性能和可靠性,已成为中高功率电子领域的主流功率开关器件,广泛应用于工业、信息、新能源、医学、交通、军事和航空领域。
IGBT自发明以来,一直朝着低功耗、高频率和高可靠性的方向发展。关于IGBT的功率损耗,主要由静态损耗和动态损耗构成,静态损耗和动态损耗存在着折中关系。需要对IGBT结构进行优化设计,才能优化静态损耗和动态损耗的折中关系,从而降低器件的整体功率损耗。
IGBT的开关过程就是对栅极电容进行充放电的过程,栅极电容越大,充放电时间越长,因此在IGBT开关过程中,栅极电容特别是米勒电容CGC对器件的动态损耗具有重要影响。
米勒电容CGC是集电极与栅电极之间的电容,由栅电极面积、栅电极下方的介质、漂移区中的结电容等决定。现有的平面型IGBT,由于覆盖在漂移区表面的栅电极面积较大,造成米勒电容CGC偏大,制约了IGBT器件开关速度的提升。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足,提供一种具有倒T型屏蔽栅的IGBT器件,其结构紧凑,能降低IGBT器件的米勒电容,提高IGBT器件的开关速度,降低功耗。
按照本发明提供的技术方案,所述具有倒T型屏蔽栅的IGBT器件,包括半导体基板,所述半导体基板包括第一导电类型漂移区,在所述第一导电类型漂移区上设置元胞结构;
在所述IGBT器件的截面上,元胞结构包括对称分布于第一导电类型漂移区内的第二导电类型体区,在每个第二导电类型体区内设置第一导电类型源区;在第一导电类型漂移区的上方设置与第二导电类型体区以及第一导电类型源区欧姆接触的发射极金属;
还包括与第一导电类型漂移区适配连接的栅极多晶硅体,所述栅极多晶硅体包括屏蔽栅以及对称分布于所述屏蔽栅两侧的控制栅,控制栅支撑于第一导电类型漂移区上方,所述控制栅、屏蔽栅通过栅氧化层与第一导电类型漂移区间隔;所述控制栅与下方的第二导电类型体区、第一导电类型源区交叠,屏蔽栅位于第二类型体区之间;
屏蔽栅呈倒T型状,屏蔽栅包括伸入第一导电类型漂移区内的横向部以及与所述横向部连接的纵向部,横向部的宽度大于纵向部的宽度;所述纵向部的顶端与发射极金属欧姆接触,发射极金属通过绝缘介质层与控制栅绝缘隔离。
在所述IGBT器件的截面上,纵向部的长度方向与横向部的长度方向相互垂直,屏蔽栅的纵向部的高度为1μm~2μm,屏蔽栅的纵向部的宽度为2μm~4μm;屏蔽栅的横向部的高度为0.5μm~1μm,屏蔽栅的横向部的长度为4μm~6μm;横向部、纵向部均通过栅氧化层与第一导电类型漂移区绝缘隔离。
还包括集电极结构,所述集电极结构包括位于第一导电类型漂移区下方的第一导电类型场截止层、第二导电类型集电区,第一导电类型场截止层位于第二导电类型集电区与第一导电类型漂移区间,且第一导电类型场截止层邻接第一导电类型漂移区以及第二导电类型集电区,第二导电类型集电区上设置集电极金属,所述集电极金属与第二导电类型集电区欧姆接触。
所述半导体基板的材料包括硅,第二导电类型体区包括第二导电类型第一掺杂区以及第二导电类型第二掺杂区,所述第二导电类型第二掺杂区的掺杂浓度大于第二导电类型第一掺杂区的掺杂浓度,且第二导电类型第一掺杂区邻近屏蔽栅。
所述栅氧化层为二氧化硅层。
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:栅极多晶硅体包括屏蔽栅以及对称分布于屏蔽栅两侧的控制栅,控制栅2通过绝缘介质层与发射极金属欧姆接触,屏蔽栅呈倒T型,屏蔽栅的纵向部的顶端与发射极金属欧姆接触,屏蔽栅的横向部位于第一导电类型漂移区内,屏蔽栅的纵向部的底部与屏蔽栅的横向部连接,能使得集电极与栅电极的交叠面积减小;屏蔽栅与发射极金属欧姆接触且IGBT器件正向导通时,对第一导电类型漂移区表面电荷有屏蔽作用,正向阻断时,可以优化漂移区表面电场,从而可以减小米勒电容,提高开关速度,提高耐压。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
附图标记说明:1-发射极金属、2-控制栅、3-屏蔽栅、4-P型第二掺杂区、5-P型第一掺杂区、6-N+源区、7-N型漂移区、8-N型场截止层、9-P+集电区、10-集电极金属、11-横向部、12-绝缘介质层以及13-栅氧化层。
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所示:为了能降低IGBT器件的米勒电容,提高IGBT器件的开关速度,提高耐压,以N型IGBT器件为例,本发明包括半导体基板,所述半导体基板包括N型漂移区7,在所述N型漂移区7上设置元胞结构;
在所述IGBT器件的截面上,元胞结构包括对称分布于N型漂移区7内的P型体区,在每个P型体区内设置N+源区6;在N型漂移区7的上方设置与P型体区以及N+源区6欧姆接触的发射极金属1;
还包括与N型漂移区7适配连接的栅极多晶硅体,所述栅极多晶硅体包括屏蔽栅3以及对称分布于所述屏蔽栅3两侧的控制栅2,控制栅2支撑于N型漂移区7上方,所述控制栅2、屏蔽栅3通过栅氧化层13与N型漂移区7间隔;所述控制栅2与下方的P型体区、N+源区6交叠,屏蔽栅3位于P型体区之间;
屏蔽栅3呈倒T型状,屏蔽栅3包括伸入N型漂移区7内的横向部11以及与所述横向部11连接的纵向部,横向部11的宽度大于纵向部的宽度;所述纵向部的顶端与发射极金属1欧姆接触,发射极金属1通过绝缘介质层12与控制栅2绝缘隔离。
具体地,半导体基板可以采用常用的半导体材料,如硅等,具体可以根据需要进行选择,此处不再一一列举。半导体基板内包括N型漂移区7,元胞结构设置于N型漂移区7上。
本发明实施例中,采用平面栅结构,因此,在IGBT器件的截面上,P型体区对称分布于N型漂移区7内,一般地,P型体区包括P型第一掺杂区5以及P型第二掺杂区4,P型第一掺杂区5与P型第二掺杂区4连接,且P型第二掺杂区4的掺杂浓度大于P型第一掺杂区5的掺杂浓度。对于元胞结构的两个P型体区中,两个P型体区中的P型第一掺杂区5相互邻近。N+源区6设置于P型体区内,N+源区6的掺杂浓度大于N型漂移区7的掺杂浓度。
本发明实施例中,栅极多晶硅体包括控制栅2与屏蔽栅3的组合,即屏蔽栅3、控制栅2均采用导电多晶硅制成,控制栅2与屏蔽栅3间通过绝缘介质层12绝缘隔离。控制栅2位于N型漂移区7上方,屏蔽栅3位于两个P型体区之间。控制栅2的下方为P型体区、N+源区6以及N型漂移区7。控制栅2远离屏蔽栅3的一端与下方的P型体区、N+源区6部分交叠,控制栅2靠近屏蔽栅3的一端与下方的N型漂移区7交叠,屏蔽栅3与控制栅2之间互不接触。本发明实施例中,所述交叠具体是指对控制栅2正投影时,与下方的区域能够重叠。通过控制栅2能控制导电沟道的开启与关断。栅氧化层13可以为二氧化硅层。
本发明实施例中,屏蔽栅3呈倒T型状,屏蔽栅3包括深入N型漂移区7的横向部以及与所述横向部11连接的纵向部,横向部11的宽度大于纵向部的宽度,纵向部的高度大于横向部11的高度,纵向部的一端与N型漂移区7内的横向部11连接,纵向部的另一端与发射极金属1欧姆接触,发射极1通过绝缘介质层12与控制栅2绝缘隔离。
发射极金属1与P型体区、N+源区6以及屏蔽栅3欧姆接触,通过发射极金属1能形成IGBT器件的发射极,通过将控制栅2引出后能形成IGBT器件的栅电极,具体形成栅电极的具体结构等为本技术领域人员所熟知,此处不再赘述。发射极金属1通过绝缘介质层12与控制栅2绝缘隔离。绝缘介质层12可以为二氧化硅层等材料。
具体实施时,在所述IGBT器件的截面上,纵向部的长度方向与横向部11的长度方向相互垂直,屏蔽栅3的纵向部的高度为1μm~2μm,屏蔽栅3的纵向部的宽度为2μm~4μm;屏蔽栅3的横向部的高度为0.5μm~1μm,屏蔽栅3的横向部的长度为4μm~6μm;横向部、纵向部均通过栅氧化层13与N型漂移区7绝缘隔离。纵向部的顶端可以位于N型漂移区7的上方,纵向部顶端的高度可以与控制栅2顶层的高度相一致。
与常规平面IGBT相比,本发明实施例中,屏蔽栅3与发射极金属1欧姆接触之后,集电极与栅电极的交叠面积减小;屏蔽栅3与发射极金属1欧姆接触且IGBT器件正向导通时,对N型漂移区7表面电荷有屏蔽作用,正向阻断时,可以优化漂移区表面电场,提高耐压;从而可以减小米勒电容,提高开关速度,提高耐压。
具体实施时,对于倒T型屏蔽栅3的结构,可以通过在N型漂移区7内刻蚀沟槽,填充导电多晶硅,对填充的导电多晶硅刻蚀以及淀积与N型漂移区7相一致的材料等步骤实现,具体制备倒T型屏蔽栅3的工艺过程可以采用现有常用的工艺步骤,具体制备过程为本技术领域人员所熟知。
进一步地,还包括集电极结构,所述集电极结构包括位于N型漂移区7下方的N型场截止层8、P+集电区9,N型场截止层8位于P+集电区9与N型漂移区7间,且N型场截止层8邻接N型漂移区7以及P+集电区9,P+集电区9上设置集电极金属10,所述集电极金属10与P+集电区9欧姆接触。
本发明实施例中,N型场截止层8的掺杂浓度大于N型漂移区7的掺杂浓度,集电极金属10与P+集电区9欧姆接触,通过集电极金属10能形成IGBT器件的集电极,具体为本技术领域人员所熟知,此处不再赘述。
本发明的栅极多晶硅体包括屏蔽栅3以及对称分布于屏蔽栅3两侧的控制栅2,控制栅2通过绝缘介质层12与发射极金属1隔离,屏蔽栅3呈倒T型,屏蔽栅3的纵向部的顶端与发射极金属1欧姆接触,屏蔽栅3的横向部11位于N型漂移区7内,屏蔽栅3的纵向部的底部与屏蔽栅3的横向部11连接,能使得集电极与栅电极的交叠面积减小;屏蔽栅3与发射极金属1欧姆接触且IGBT器件正向导通时,对N型漂移区7表面电荷有屏蔽作用,正向阻断时,可以优化漂移区表面电场,从而可以减小米勒电容,提高开关速度,提高耐压。

Claims (5)

1.一种具有倒T型屏蔽栅的IGBT器件,包括半导体基板,所述半导体基板包括第一导电类型漂移区,在所述第一导电类型漂移区上设置元胞结构;其特征是:
在所述IGBT器件的截面上,元胞结构包括对称分布于第一导电类型漂移区内的第二导电类型体区,在每个第二导电类型体区内设置第一导电类型源区;在第一导电类型漂移区的上方设置与第二导电类型体区以及第一导电类型源区欧姆接触的发射极金属;
还包括与第一导电类型漂移区适配连接的栅极多晶硅体,所述栅极多晶硅体包括屏蔽栅以及对称分布于所述屏蔽栅两侧的控制栅,控制栅支撑于第一导电类型漂移区上方,所述控制栅、屏蔽栅通过栅氧化层与第一导电类型漂移区间隔;所述控制栅与下方的第二导电类型体区、第一导电类型源区交叠,屏蔽栅位于第二类型体区之间;
屏蔽栅呈倒T型状,屏蔽栅包括伸入第一导电类型漂移区内的横向部以及与所述横向部连接的纵向部,横向部的宽度大于纵向部的宽度;所述纵向部的顶端与发射极金属欧姆接触,发射极金属通过绝缘介质层与控制栅绝缘隔离。
2.根据权利要求1所述的具有倒T型屏蔽栅的IGBT器件,其特征是:在所述IGBT器件的截面上,纵向部的长度方向与横向部的长度方向相互垂直,屏蔽栅的纵向部的高度为1μm~2μm,屏蔽栅的纵向部的宽度为2μm~4μm;屏蔽栅的横向部的高度为0.5μm~1μm,屏蔽栅的横向部的长度为4μm~6μm;横向部、纵向部均通过栅氧化层与第一导电类型漂移区绝缘隔离。
3.根据权利要求1所述的具有倒T型屏蔽栅的IGBT器件,其特征是:还包括集电极结构,所述集电极结构包括位于第一导电类型漂移区下方的第一导电类型场截止层、第二导电类型集电区,第一导电类型场截止层位于第二导电类型集电区与第一导电类型漂移区间,且第一导电类型场截止层邻接第一导电类型漂移区以及第二导电类型集电区,第二导电类型集电区上设置集电极金属,所述集电极金属与第二导电类型集电区欧姆接触。
4.根据权利要求1所述的具有倒T型屏蔽栅的IGBT器件,其特征是:所述半导体基板的材料包括硅,第二导电类型体区包括第二导电类型第一掺杂区以及第二导电类型第二掺杂区,所述第二导电类型第二掺杂区的掺杂浓度大于第二导电类型第一掺杂区的掺杂浓度,且第二导电类型第一掺杂区邻近屏蔽栅。
5.根据权利要求1所述的具有倒T型屏蔽栅的IGBT器件,其特征是:所述栅氧化层为二氧化硅层。
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