CN112018172A - 绝缘栅双极型晶体管、智能功率器件及电子产品 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及半导体领域，具体涉及提供了一种绝缘栅双极型晶体管、智能功率器件及电子产品，包括漂移区、栅极结构、发射极、发射极源区以及与发射极源区接触的体区，于所述漂移区的顶层沿器件的垂直方向开设第一沟槽以及第二沟槽，所述栅极结构填充于所述第一沟槽，发射极填充于所述第二沟槽，其中，栅极结构与发射极之间设置发射极源区，第二沟槽的深度大于发射极源区的厚度。栅极结构与发射极金属之间形成横向电场，横向电场作用在发射极源区与体区的交界处形成载流子收集层，增强了载流子在交界处的收集、存储效果，从而减少了体区与发射极源区之间的电流，降低导通压降，降低闩锁效应发生几率。

Description

绝缘栅双极型晶体管、智能功率器件及电子产品
技术领域
本发明涉及半导体领域，具体涉及一种绝缘栅双极型晶体管、智能功率器件及电子产品。
背景技术
绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，简称IGBT)是由双极型三极管(BJT)和绝缘栅型场效应管(MOSFET)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，其结构包括栅极G、发射极E和集电极C。通过给栅极G施加电压，可控制集电极C与发射极E之间的通断。栅极G与发射极E之间不施加电压时，则集电极C与发射极E之间断开；栅极G与发射极E之间施加15V(或者阈值电压)电压时，则集电极C与发射极E之间导通。
绝缘栅双极型晶体管兼有MOSFET器件的高输入阻抗和电力晶体管(即巨型晶体管，简称GTR)的低导通压降两方面的优点，且驱动功率小而饱和压降低，目前IGBT作为一种新型的电力电子器件被广泛应用到各个领域。
以N型IGBT器件为例，IGBT结构包括了N型MOSFET、pnp双极型晶体管T1及寄生的npn双极型晶体管T2。其中pnp型晶体管T1和npn型晶体管T2组成了N-P-N-P的四层三结的晶闸管结构。器件的结构导致寄生晶闸管在一定条件下可以导通，可造成IGBT永久性损坏。
IGBT产生导通损耗的原因在于非理想元器件具有一定的导通电阻。以N型IGBT器件为例，其导通电阻主要有三部分构成：NMOS的沟道电阻，N-漂移区的导通电阻、集电极与漂移区形成的PN结导通电阻。其中，集电极与漂移区形成的PN结导通电阻相对固定。N-漂移区的导通电阻则与N-漂移区的厚度密切相关。NMOS的沟道电阻与沟道的长度、宽度及P区掺杂浓度有关。P区掺杂浓度增加会使沟道电阻减小，但会容易导致源级-漏极的耐压降低，栅控阈值电压增加。
发明内容
本发明至少在一定程度上解决相关技术中的上述技术问题。为此，本发明提出一种绝缘栅双极型晶体管、智能功率器件及电子产品，可有效地减小导通损耗，同时抑制闩锁效应的发生。
为了实现上述目的，本发明第一方面提供了一种绝缘栅双极型晶体管，包括漂移区、栅极结构、发射极、发射极源区以及与所述发射极源区接触的体区，于所述漂移区的顶层沿器件的垂直方向开设第一沟槽以及第二沟槽，所述栅极结构填充于所述第一沟槽，所述发射极填充于所述第二沟槽，其中，所述栅极结构与发射极之间设置发射极源区，于所述发射极源区的下方设置体区，所述第二沟槽的底部延伸至所述体区，所述第二沟槽的深度大于所述发射极源区的厚度。
本发明的第二方面提供了一种智能功率器件，包括如上所述的绝缘栅双极型晶体管。
本发明的第三方面提供了一种电子产品，包括如上所述的绝缘栅双极型晶体管。
另外，根据本发明上述绝缘栅双极型晶体管还可以具有如下附加的技术特征：
根据本发明的一个实施例，所述第二沟槽的深度小于所述第一沟槽的深度；或所述第二沟槽的深度大于所述第一沟槽的深度；或所述第二沟槽的深度等于所述第一沟槽的深度。
根据本发明的一个实施例，所述第一沟槽的宽度大于所述第二沟槽的宽度。
根据本发明的一个实施例，所述第一沟槽在所述器件正面俯视方向上的形状为条形、方形、正六边形、三角形、多边形或圆形中的任一种或其组合。根据本发明的一个实施例，所述第二沟槽在所述器件正面俯视方向上的形状为条形、方形、正六边形、三角形、多边形或圆形中的任一种或其组合。
根据本发明的一个实施例，所述第一沟槽在所述器件正面俯视方向上的形状与所述第二沟槽、所述发射极源区的形状相同。
根据本发明的一个实施例，所述绝缘栅双极型晶体管还包括集电极金属、集电极区，其中，所述集电极金属、集电极区、漂移区依次层叠设置，所述发射极源区的两相对侧面分别与所述栅极结构的侧面、所述发射极的侧面接触，所述体区的侧面与所述栅极结构的侧面接触，所述体区的顶面与所述发射极接触。
根据本发明的一个实施例，所述栅极结构包括栅极金属以及栅极层，其中，所述栅极层包覆于所述栅极金属的底壁与侧壁，所述发射极源区的侧面、所述体区的侧面与所述栅极层的侧面接触。
根据本发明的一个实施例，所述电子产品为洗衣机。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
通过将栅极结构以及发射极金属设置成双垂直结构，且第二沟槽的深度大于所述发射极区的厚度，这样使得栅极结构与发射极金属之间形成横向电场，横向电场作用在发射极区与体区的交界处形成载流子收集层，增强了载流子在交界处的收集、存储效果，从而减少了体区与发射极区之间的电流，降低导通压降，降低闩锁效应发生几率。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明实施例中绝缘栅双极型晶体管的截面图；
图2为本发明另一实施例中绝缘栅双极型晶体管的截面图；
图3为本发明另一实施例中绝缘栅双极型晶体管的截面图；
图4为本发明实施例中绝缘栅双极型晶体管的正面俯视结构示意图1；
图5为本发明实施例中绝缘栅双极型晶体管的正面俯视结构示意图2。
附图标记：
漂移区1、栅极结构2、栅极金属21、栅极层22、金属发射极3、集电极金属4、P+集电极区5、P型体区6、N+发射极源区7。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、元件和及或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、元件、部件、和及或它们的组合。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体式连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“底”、“前”、“上”、“倾斜”、“下”、“顶”、“内”、“水平”、“外”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中机构的不同方位。例如，如果在图中的机构翻转，那么描述为“在其它元件或者特征下面”或者“在其它元件或者特征下方”的元件将随后定向为“在其它元件或者特征上面”或者“在其它元件或者特征上方”。因此，示例术语“在……下方”可以包括在上和在下的方位。
如图1所示，根据本发明第一方面的实施例，本发明的第一方面提供了一种绝缘栅双极型晶体管(简称IGBT)，包括漂移区1、栅极结构2、金属发射极3以及集电极金属4、P+集电极区5、N+发射极源区7以及与N+发射极源区7接触的P型体区6，于漂移区1的顶层沿器件的垂直方向开设第一沟槽以及第二沟槽，第一沟槽的深度大于所述第二沟槽的深度，第一沟槽的宽度大于第二沟槽的宽度，第一沟槽以及第二沟槽间隔设置，栅极结构2填充于第一沟槽，金属发射极3填充于第二沟槽。具体地，第一沟槽、第二沟槽分别沿器件的垂直方向形成，可以得知，第一沟槽、第二沟槽呈双垂直结构，即栅极结构2以及金属发射极3均呈双垂直结构。
其中，栅极结构2与金属发射极3之间设置N+发射极源区7，于N+发射极源区7的下方设置P型体区6，第二沟槽的底部延伸至P型体区6，第二沟槽的深度大于N+发射极源区7的厚度且小于第一沟槽的深度，以用于在N+发射极源区7与P型体区6的交界处形成载流子收集层，载流子收集层可以用于收集、存储P型体区6流向N+发射极源区7的载流子。
在本实施例中，通过将栅极结构2以及金属发射极3设置成双垂直结构，且第二沟槽的深度大于发射极源区的厚度且可以小于所述第一沟槽的深度，这样使得栅极结构2与金属发射极3之间形成横向电场，横向电场作用在N+发射极源区7与P型体区6的交界处形成载流子收集层，增强了载流子在交界处的收集、存储效果，从而减少了P型体区6与N+发射极源区7之间的电流，降低导通压降，降低闩锁效应发生几率。
值得一提的是，在发明的另外一个实施例中，如图2所示，第二沟槽的深度大于第一沟槽的深度，在这种情况下，也可以在栅极结构2与金属发射极3之间形成横向电场，从而在N+发射极源区7与P型体区6的交界处形成载流子收集层，降低闩锁效应。
此外，在本发明的另外一个实施例中，如图3所示，第二沟槽的深度等于第一沟槽的深度，同样地，栅极结构2与金属发射极3之间形成横向电场，从而减少了P型体区6与N+发射极源区7之间的电流，降低导通压降，降低闩锁效应发生几率。
需要说明的是，本申请对第二沟槽的深度、第一沟槽的深度的大小不做限定，只要能够满足在N+发射极源区7与P型体区6的交界处形成载流子收集层的深度设置均在本申请的保护范围之内。
在本实施例中，漂移区1为N-型漂移区，集电极金属4、P+集电极区5、漂移区1依次层叠设置，栅极结构2与金属发射极3之间的漂移区1中设置N+发射极源区7，于N+发射极源区7下方设置与其接触的P型体区6，N+发射极源区7的两相对侧面分别与栅极结构2的侧面、金属发射极3的侧面接触，P型体区6的侧面与栅极结构2的侧面接触，P型体区6的顶面与金属发射极3接触。
需要说明的是，栅极结构2包括栅极金属21以及栅极层22。其中，栅极层21包覆于栅极金属22的底壁与侧壁，N+发射极源区7的侧面、P型体区6的侧面与栅极层22的侧面接触。
继续参照图1，第一沟槽的宽度大于第二沟槽的宽度，也就是说栅极结构2的宽度大于金属发射极3的宽度，值得一提的是，第一沟槽、第二沟槽在器件正面俯视方向上的形状为条形、方形、正六边形、三角形、多边形或圆形中的任一种或其组合，也即栅极结构2、金属发射极3在器件正面俯视方向上的形状可以为上述多种形状，进一步地，第一沟槽在器件正面俯视方向上的形状与第二沟槽、N+发射极源区7的形状相同，也就是说栅极结构2在器件正面俯视方向上的形状与金属发射极3、N+发射极源区7的形状相同，值得一提的是，在本发明的其他实施例中，第一沟槽、第二沟槽、N+发射极源区7在器件正面俯视方向上的形状也可以不同，具体地，如图4-5所示，在本申请的一些实施例中，栅极结构2、金属发射极3、N+发射极源区7在器件正面俯视方向上的形状可以呈条形、方形，需要说明的是，本申请实施例仅对条形、方形进行举例说明，对其他形状不做一一赘述。
本实施例中的绝缘栅双极型晶体管的栅极结构2是沟槽栅结构，沟槽栅结构的IGBT相比于平面栅结构的IGBT，其能在不增加关断损耗的前提下，大幅度地降低导通压降。具体地，沟槽栅结构的IGBT与平面栅结构的IGBT的主要区别在于：当IGBT开通时，P型体区6的反型沟道是垂直的而不是水平的。在平面栅结构的IGBT中，正向导通时，P型体区6与漂移区1形成的PN结处于轻微的反向偏置状态，因而会形成有一定宽度的空间电荷区，它挤占了一定的空间，因此电流只能从一个相对较窄的空间流过，增大了电流通路上的阻抗。因此，在平面栅结构的IGBT中，在电子流通方向上，包含沟道电阻，JFET电阻，与漂移区电阻。而沟槽栅结构的IGBT，因为沟道垂直，消灭了JFET区域，因而整个电流通路上阻抗更低。此外，相比于平面栅结构的IGBT，沟槽栅结构的IGBT的垂直结构省去了在硅表面上制作导电沟道的面积，更有利于设计紧凑的元胞。即在同等芯片面积上可以制作更多的IGBT元胞，从而增加导电沟道的宽度，降低沟道电阻。
值得一提的是，按照N+缓冲层的发展，绝缘栅双极型晶体管可以分为非穿通型绝缘栅双极型晶体管(简称NPT-IGBT)、穿通型绝缘栅双极型晶体管(简称PT-IGBT)以及电场截止型绝缘栅双极型晶体管(简称FS-IGBT),其中，非穿通型绝缘栅双极型晶体管(简称NPT-IGBT)具有正、反向阻断能力，其没有N+缓冲层，穿通型绝缘栅双极型晶体管(简称PT-IGBT)有N+缓冲层，当NPT-IGBT关断时，沟道很快关断没有了多子电流，可是集电极金属4端这边还继续有少子空穴注入，所以整个器件的电流需要慢慢才能关闭(拖尾电流,tailingcurrent)，影响了器件的关断时间及工作频率。而在P+集电极区5、漂移区1之间加入N+缓冲层，这一层的作用就是让器件在关断的时候，从集电极金属4端注入的空穴迅速在N+缓冲层就被复合掉提高关断频率，所以与NPT-IGBT相比，PT-IGBT由于N+缓冲层的存在，其反向阻断能力弱，但正向压降低，关断时间短，关断时的尾部电流小。
而不管PT-IGBT还是NPT-IGBT都不能最终满足无限大功率的要求，要做到大功率，就必须要降低Vce(sat)，也就是降低导通电阻Ron。所以必须要降低漂移区1厚度，可是这个漂移区1的厚度又受到截止状态的电场约束(太薄了容易将沟道穿通)。所以如果降低漂移区1的厚度，必须要让截止电场到沟道前提前降下来。所以需要在P+集电极区5与漂移区1之间引入一个N+场截止层(Field Stop,FS)，当IGBT处于关闭状态，电场在N+场截止层内迅速降低到0，达到终止的目的，所以我们就可以进一步降低漂移区1厚度达到降低Ron和Vce了，而且这个结构和N+缓冲层结构非常类似，所以它也有PT-IGBT的效果,能够抑制关闭状态下的拖尾电流，提高关闭速度。
具体地，本实施例中的绝缘栅双极型晶体管为非穿通型绝缘栅双极型晶体管(简称NPT-IGBT)。但是本领域技术人员可以根据需要灵活选择绝缘栅双极型晶体管的类型。
此外，按照沟道的类型可以将IGBT划分为P型沟道IGBT、N型沟道IGBT，其中N型沟道IGBT在导电的过程中有电子流动，P型沟道IGBT在导电过程中使用被称为空穴的正电荷，电子的迁移率一般是空穴的三倍，，且N型沟道IGBT的导通电阻小于P型沟道IGBT，且N型沟道IGBT的尺寸更小，基于此，在本实施例中，绝缘栅双极型晶体管为N型沟道IGBT。
本发明的第二方面还提供了一种绝缘栅双极型晶体管制备方法，包括如下步骤：
用离子刻蚀的方法，暴露栅极结构和发射极源区域，然后沉积金属或氧化层等。
本发明的第三方面还提供了一种智能功率器件，包括如上所述的绝缘栅双极型晶体管。
本发明的第四方面还提供了一种电子产品，包括如上所述的智能功率器件。
本发明的第五方面还提供了一种电子产品，包括如上所述的绝缘栅双极型晶体管。
具体地，本发明实施例中的电子产品可以为洗衣机、冰箱、空调等家用电器。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，包括漂移区、栅极结构、发射极、发射极源区以及与所述发射极源区接触的体区，于所述漂移区的顶层沿器件的垂直方向开设第一沟槽以及第二沟槽，所述栅极结构填充于所述第一沟槽，所述发射极填充于所述第二沟槽，其中，所述栅极结构与发射极之间设置发射极源区，于所述发射极源区的下方设置体区，所述第二沟槽的底部延伸至所述体区，所述第二沟槽的深度大于所述发射极源区的厚度。
2.根据权利要求1所述的绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，所述第二沟槽的深度小于所述第一沟槽的深度；或
所述第二沟槽的深度大于所述第一沟槽的深度；或
所述第二沟槽的深度等于所述第一沟槽的深度。
3.根据权利要求1所述的绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，所述第一沟槽的宽度大于所述第二沟槽的宽度。
4.根据权利要求1所述的绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，所述第一沟槽在所述器件正面俯视方向上的形状为条形、方形、正六边形、三角形、多边形或圆形中的任一种或其组合。
5.根据权利要求4所述的绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，所述第二沟槽在所述器件正面俯视方向上的形状为条形、方形、正六边形、三角形、多边形或圆形中的任一种或其组合。
6.根据权利要求5所述的绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，所述第一沟槽在所述器件正面俯视方向上的形状与所述第二沟槽、所述发射极源区的形状相同。
7.根据权利要求1所述的绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，所述绝缘栅双极型晶体管还包括集电极金属、集电极区，其中，所述集电极金属、集电极区、漂移区依次层叠设置发射极源区，所述发射极源区的两相对侧面分别与所述栅极结构的侧面、所述发射极的侧面接触，所述体区的侧面与所述栅极结构的侧面接触，所述体区的顶面与所述发射极接触。
8.根据权利要求7所述的绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，所述栅极结构包括栅极金属以及栅极层；
其中，所述栅极层包覆于所述栅极金属的底壁与侧壁，所述发射极源区的侧面、所述体区的侧面与所述栅极层的侧面接触。
9.一种智能功率器件，包括如权利要求1-8任一项所述的绝缘栅双极型晶体管。
10.一种电子产品，包括如权利要求1-8任一项所述的绝缘栅双极型晶体管。
11.根据权利要求10所述的电子产品，其特征在于，所述电子产品为洗衣机。
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