CN202282353U

CN202282353U - 绝缘栅双极晶体管的器件结构

Info

Publication number: CN202282353U
Application number: CN2011203637672U
Authority: CN
Inventors: 胡晓明
Original assignee: Shanghai Hua Hong NEC Electronics Co Ltd
Current assignee: Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corp
Priority date: 2011-09-26
Filing date: 2011-09-26
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2021-09-26

Abstract

本实用新型公开了一种绝缘栅双极晶体管的器件结构，包括元胞区、场截止区，元胞区包括MOS区域、发射极电极，MOS区域的下方为电场承受区；场截止区包括自元胞区延伸的电场承受区；电场承受区的下方连接缓冲区；缓冲区的下方连接集电极区，集电极区的下方连接集电极电极；所述集电极区由P型掺杂形成，集电极区分为高浓度集电极区、低浓度集电极区，高浓度集电极区与低浓度集电极区交替分布，贯穿元胞区和场截止区。本实用新型的集电极区内，高浓度集电极区与低浓度集电极区交替分布，不仅可降低器件在开启时的空穴注入浓度，从而降低器件关断时由于电场承受区积累大量的空穴产生的关断电流拖尾现象；而且确保了集电极的电极引出的良好欧姆接触。

Description

绝缘栅双极晶体管的器件结构

技术领域

本实用新型涉及一种绝缘栅双极晶体管，具体涉及一种绝缘栅双极晶体管的器件结构。

背景技术

功率器件应用于轨道交通、航空航天、船舶驱动、智能电网、电力电子、新能源汽车等战略性产业领域，被业界誉为功率变流装置的“CPU”、绿色经济的“核芯”。其中的绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistors，IGBT)，由于其具有高压大电流、易于驱动，以及低功耗的性能优点，被广泛使用。

如图1所示，现有的IGBT器件结构包括元胞区(Active region)12和场截止区(electric field reduction region)14两部分，其中元胞区12包括MOS区域22、发射极电极10，MOS区域22的下方为电场承受区28(electricalstrength providing region)；场截止区14与发射极电极10之间通过场隔离氧化膜30实现隔离；场隔离氧化膜30同时起到保护IGBT免受湿气、机械损伤、电磁干扰等的作用；场截止区14包括自元胞区12延伸的电场承受区28；场截止区14的电场承受区28中有终端环(guard ring)32和场截止环(channelstopper)24；

多个P型终端环32在场截止区14的电场承受区28中间隔分布，呈现环状环绕IGBT；终端环32与电压承受区28在大电压下形成耗尽区；

电场承受区28的下方连接缓冲区37，缓冲区37的载流子浓度远大于电场承受区28；缓冲区37的下方连接集电极区(collector region)18，集电极区18的下方连接集电极电极20。

当IGBT开启的时候，大量的空穴载流子从集电极区18注入到电场承受区28，从而显著地降低了电场承受区28的电阻，使电场承受区28的电阻与本征掺杂基本无关，这就是IGBT的工作特点，称之为电导调制效应。

其中缓冲区37的作用是：一、当IGBT开启，大量的空穴载流子从集电极区18注入到电场承受区28的时候，缓冲区27能够起到控制与减少空穴注入的作用；二、当器件承受高电压时候，电场承受区28开始耗尽，电压越大耗尽区越厚，而缓冲区27能够防止耗尽区向集电极区18扩展而产生穿通(Punch-through)。

终端环32与电压承受区28在大电压下所形成的耗尽区决定了IGBT器件的耐压能力，器件应用的电压越高，其终端环32的环数相应的增加，电压承受区28的横向面积也需要相应的增大。

但是，此类结构的IGBT器件在关断时，普遍存在关断电流拖尾的现象。这是由于其电场承受区28存在大量的冗余空穴(由开启状态下集电极区18注入)，而冗余空穴的复合与消散时间(即通常所说的IGBT关断电流拖尾)直接表征为IGBT器件开关应用的损耗，表征器件的性能。也就是说，长时间的关断电流拖尾，会增加器件应用的能量损耗。所以，如何设计好的开关性能IGBT，是业界一直在研究与探讨的一个课题。

为了解决IGBT关断电流拖尾的现象，提高IGBT关断性能与降低损耗，出现了一种如图2所示的IGBT器件，其中IGBT的集电极区分为激活区38和惰性区34，激活区38形成于元胞区12的电场承受区28下方，在IGBT器件开启的时候能够起到空穴注入的作用；惰性区34形成于场截止区14的电场承受区28下方，其P型掺杂浓度远低于激活区38，在IGBT器件开启的时候减少不必要的空穴向电场承受区28注入，即在IGBT器件关断的时候能够减少需要复合与消散的冗余空穴数量，从而减小IGBT器件的关断拖尾现象。

但是，此类结构的IGBT器件，由于惰性区34的P型掺杂浓度较低，容易导致器件发射极在与集电极电极20接触时形成非欧姆接触，这将增加IGBT器件开启时的电阻，从而影响器件的导通能力。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种绝缘栅双极晶体管的器件结构，它可以优化IGBT器件的开关特性，降低开关损耗。

为解决上述技术问题，本实用新型绝缘栅双极晶体管的器件结构的技术解决方案为：

包括元胞区、场截止区，元胞区包括MOS区域、发射极电极，MOS区域的下方为电场承受区；场截止区包括自元胞区延伸的电场承受区；场截止区的电场承受区中有终端环和场截止环；电场承受区的下方连接缓冲区；缓冲区的下方连接集电极区，集电极区的下方连接集电极电极；所述集电极区由P型掺杂形成，集电极区分为高浓度集电极区、低浓度集电极区，高浓度集电极区与低浓度集电极区交替分布，贯穿元胞区和场截止区。

所述集电极区的高浓度集电极区、低浓度集电极区的版图设计图型是方形、圆形或者是矩形。

所述场截止区的电场承受区及终端环的上方形成有场隔离氧化膜。

所述元胞区的MOS区域的单位MOS元胞是平面器件或者是沟槽器件。本实用新型可以达到的技术效果是：

本实用新型的集电极区内，高浓度集电极区与低浓度集电极区交替分布，一方面可降低器件在开启时的空穴注入浓度，从而降低器件关断时由于电场承受区积累大量的空穴产生的关断电流拖尾现象；另一方面，确保了集电极的电极引出的良好欧姆接触。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明：

图1是现有技术IGBT器件结构的剖面示意图；

图2是现有技术另一类IGBT器件结构的剖面示意图；

图3是本实用新型绝缘栅双极晶体管的器件结构的剖面示意图。

图中附图标记说明：

12为元胞区， 14为场截止区，

10为发射极电极， 20为集电极电极，

18为集电极区， 22为MOS区域，

38为激活区， 34为惰性区，

32为终端环， 24为场截止环，

28为电场承受区，

37为缓冲区， 30为场隔离氧化膜，

17为集电极区， 172为高浓度集电极区，

170为低浓度集电极区。

具体实施方式

如图3所示，本实用新型绝缘栅双极晶体管的器件结构，包括元胞区12、场截止区14，其中元胞区12包括MOS区域22、发射极电极10，MOS区域22的下方为电场承受区28；

场截止区14包括自元胞区12延伸的电场承受区28；场截止区14的电场承受区28中有终端环32和场截止环24；终端环32由P型掺杂形成；多个P型终端环32在场截止区14的电场承受区28中间隔分布，呈现环状环绕IGBT；场截止环24与元胞区12之间的距离远大于终端环32与元胞区12之间的距离；

场截止区14的电场承受区28及终端环32的上方形成有场隔离氧化膜30，场隔离氧化膜30用于隔离场截止区14与发射极电极10；

电场承受区28的下方连接缓冲区37，缓冲区37的载流子浓度高于电场承受区28；缓冲区37的下方连接集电极区17，集电极区17的下方连接集电极电极20；

集电极区17由P型掺杂形成，集电极区17分为高浓度集电极区172、低浓度集电极区170，高浓度集电极区172与低浓度集电极区170交替分布，贯穿元胞区12和场截止区14。

元胞区12的MOS区域22的单位MOS元胞可以是平面器件(Planner gate)，也可以是沟槽器件(Trench gate)。

集电极区17的高浓度集电极区172、低浓度集电极区170的版图设计图型可以为方形、圆形或者是矩形等任意图型。

本实用新型的工作原理是：

在IGBT器件开启的时候，由高浓度集电极区172向电场承受区28注入空穴，该部分空穴起到电场承受区28的电阻调制作用；由于低浓度集电极区170的P型掺杂浓度较低，所以空穴注入效率基本可以忽略；

同时，高浓度集电极区172承担与集电极电极20保证良好欧姆接触的作用；由于在元胞区12与场截止区14存在的低空穴注入低浓度集电极区170，使器件在关断的时候电场承受区28体内的冗余空穴数量大大降低，从而有效地改善了IGBT器件的关断特性，即减少了器件的关断拖尾电流存在时间。

Claims

1.一种绝缘栅双极晶体管的器件结构，包括元胞区、场截止区，元胞区包括MOS区域、发射极电极，MOS区域的下方为电场承受区；场截止区包括自元胞区延伸的电场承受区；场截止区的电场承受区中有终端环和场截止环；电场承受区的下方连接缓冲区；缓冲区的下方连接集电极区，集电极区的下方连接集电极电极；其特征在于：所述集电极区由P型掺杂形成，集电极区分为高浓度集电极区、低浓度集电极区，高浓度集电极区与低浓度集电极区交替分布，贯穿元胞区和场截止区。

2.根据权利要求1所述的绝缘栅双极晶体管的器件结构，其特征在于：所述集电极区的高浓度集电极区、低浓度集电极区的版图设计图型是方形、圆形或者是矩形。

3.根据权利要求1所述的绝缘栅双极晶体管的器件结构，其特征在于：所述场截止区的电场承受区及终端环的上方形成有场隔离氧化膜。

4.根据权利要求1所述的绝缘栅双极晶体管的器件结构，其特征在于：所述元胞区的MOS区域的单位MOS元胞是平面器件或者是沟槽器件。