CN209087841U - 优化输入电容的栅控型功率器件 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种优化输入电容的栅控型功率器件，包括方形原胞构成的沟槽结构，dummy原胞区域设有栅极多晶硅层，栅极多晶硅层中开设有窗口。本实用新型的栅极多晶硅层中开设有窗口，减小了栅极多晶硅层的面积，相比现有技术中采用方形原胞的器件而言减小了输入电容。本实用新型采用了方形原胞，相比现有技术中采用条形原胞的器件而言提升了电流均匀性和一致性。

Description

优化输入电容的栅控型功率器件

技术领域

本实用新型涉及栅控型功率器件，特别是涉及优化输入电容的栅控型功率器件。

背景技术

栅控型功率器件(如功率MOSFET和IGBT)是现代通用的电力半导体器件，主要应用于新能源、机车牵引、智能电网、高压变频器等领域。通过电力半导体器件对电能进行变换及控制，节能效果可达10％-40％。在全球气候变暖的背景下，栅控型功率器件应用技术是被公认的实现全球能效和二氧化碳减排目标的最佳综合性方法之一。

常规的栅控型功率器件(以IGBT为例)原胞区基本结构分为条形结构和方形结构两种。方形结构如图1所示，包含：发射极金属层、栅极、N型衬底、P 型收集极、层间隔离层、场氧化层、P型井、重掺杂的N型区和改进安全工作区的重掺杂P型区、dummy原胞区域和有效原胞区域。

而条形结构如图2所示，包含：发射极金属层、栅极、N型衬底、P型收集极、层间隔离层、P型井、重掺杂的N型区和改进安全工作区的重掺杂P型区、 dummy原胞区域和有效原胞区域。

方形原胞和条形原胞各有优缺点。由于有大面积的栅极多晶硅层覆盖，方形原胞相比条形原胞，栅极电压分布均匀，可以促使器件所有原胞同时开启&关断，从而确保器件的电流均匀性和一致性。因此，在大电流器件设计中被经常采用。但是，负面影响为，大面积的栅极多晶硅层，也会促使拥有方形原胞器件的输入电容Cies大幅增加，从而导致，器件开启和关断变缓，从而在高频应用中受限。新一代方形原胞的改进设计是在dummy原胞区域栅极多晶硅覆盖区域下方生长一层厚的场氧化层，等效增加介电层厚度，从而减小输入电容，但是工艺会变得复杂很多，而且电容仅能改善栅极和覆盖下方Si之间的电容，对栅极和发射极金属之间电容没有影响，从而对整体输入电容改善较为有限。

相反的，采用条形原胞的器件，栅极多晶硅层仅存在沟槽中，栅极电压是依靠条形两端的栅极多晶硅层提供。减少原胞中的栅极多晶硅层覆盖，器件的输入电容大幅降低，但是，栅极电压的不稳定性也随之增大。即使常规栅极多晶硅沉积均有重掺杂磷工艺，用以降低多晶硅的电阻，但是，随着电流的增大，器件面积的增加，条形的延长，栅极电压必然会受到影响，从而降低器件的一致性和稳定性。因此，常规小电流器件中经常采用条形原胞设计。

可见，两种原胞的选择存在输入电容与电流均匀性和一致性之间的矛盾，这也是器件设计的难点之一。

实用新型内容

实用新型目的：本实用新型的目的是提供一种优化输入电容的栅控型功率器件，既能够减小器件的输入电容，又能够提升电流均匀性和一致性。

技术方案：本实用新型所述的优化输入电容的栅控型功率器件，包括方形原胞构成的沟槽结构，dummy原胞区域设有栅极多晶硅层，栅极多晶硅层中开设有窗口。

进一步，所述窗口有多个。

进一步，所述窗口的形状为正方形。

进一步，所述窗口的边长为二分之一dummy原胞宽度。窗口尺寸开的大，输入电容减小，电流均匀性和一致性变差；窗口尺寸开的小，电流均匀性和一致性变好，但是输入电容改善程度变弱。因此，窗口边长为二分之一dummy原胞宽度时兼顾了输入电容以及电流均匀性和一致性的效果。

进一步，所述窗口设在相邻两个沟槽结构的中间。这样能进一步改善电流均匀性和一致性。

有益效果：本实用新型公开了一种优化输入电容的栅控型功率器件，与现有技术相比，具有如下的有益效果：

1)本实用新型的栅极多晶硅层中开设有窗口，减小了栅极多晶硅层的面积，相比现有技术中采用方形原胞的器件而言减小了输入电容；

2)本实用新型采用了方形原胞，相比现有技术中采用条形原胞的器件而言提升了电流均匀性和一致性。

附图说明

图1(a)为现有技术中采用方形原胞构成的功率器件的俯视图；

图1(b)为现有技术中采用方形原胞构成的功率器件的截面图；

图2(a)为现有技术中采用条形原胞构成的功率器件的俯视图；

图2(b)为现有技术中采用条形原胞构成的功率器件的截面图；

图3(a)为本实用新型具体实施方式中功率器件的俯视图；

图3(b)为本实用新型具体实施方式中功率器件的截面图；

图4为本实用新型具体实施方式中完成沟槽刻蚀工艺和栅氧生长工艺后的截面图；

图5为本实用新型具体实施方式中完成栅极多晶硅沉积工艺后的截面图；

图6为本实用新型具体实施方式中栅极光刻胶曝光工艺后的截面图；

图7为本实用新型具体实施方式中栅极多晶硅刻蚀工艺后的截面图。

具体实施方式

常规的栅控型功率器件(以IGBT为例)原胞区基本结构分为条形结构和方形结构两种。方形结构如图1(a)所示，沟槽结构101采用方形原胞，dummy 原胞区域121上设有栅极多晶硅层111，器件的具体结构如图1(b)所示，包括发射极金属层11、栅极21、N型衬底31、P型收集极41、层间隔离层51、场氧化层61、P型井71、重掺杂的N型区81、改进安全工作区的重掺杂P型区91、 dummy原胞区域121和有效原胞区域131。

而条形结构如图2(a)所示，沟槽结构92采用条形原胞，器件的具体结构如图2(b)所示，包括射极金属层12、栅极22、N型衬底32、P型收集极42、层间隔离层52、P型井62、重掺杂的N型区72、改进安全工作区的重掺杂P型区82、dummy原胞区域112和有效原胞区域122。

方形原胞和条形原胞各有优缺点。由于有大面积的栅极多晶硅层111覆盖，方形原胞相比条形原胞，栅极电压分布均匀，可以促使器件所有原胞同时开启& 关断，从而确保器件的电流均匀性和一致性。因此，在大电流器件设计中被经常采用。但是，负面影响为，大面积的栅极多晶硅层111，也会促使拥有方形原胞器件的输入电容Cies大幅增加，从而导致，器件开启和关断变缓，从而在高频应用中受限。新一代方形原胞的改进设计是在dummy原胞区域栅极多晶硅覆盖区域下方生长一层厚的场氧化层61，等效增加介电层厚度，从而减小输入电容，但是工艺会变得复杂很多，而且电容仅能改善栅极21和覆盖下方Si之间的电容，对栅极21和发射极金属层11之间电容没有影响，从而对整体输入电容改善较为有限。

相反的，采用条形原胞的器件，栅极多晶硅层102仅存在沟槽结构92中，栅极电压是依靠条形两端的栅极多晶硅层提供。减少原胞中的栅极多晶硅层102 覆盖，器件的输入电容大幅降低，但是，栅极电压的不稳定性也随之增大。即使常规栅极多晶硅沉积均有重掺杂磷工艺，用以降低多晶硅的电阻，但是，随着电流的增大，器件面积的增加，条形的延长，栅极电压必然会受到影响，从而降低器件的一致性和稳定性。因此，常规小电流器件中经常采用条形原胞设计。

可见，两种原胞的选择存在输入电容与电流均匀性和一致性之间的矛盾，这也是器件设计的难点之一。为了解决现有技术中存在的问题，本具体实施方式提出了以下的技术方案。

本具体实施方式公开了一种优化输入电容的栅控型功率器件，如图3(a) 所示，包括方形原胞构成的沟槽结构93，如图3(b)所示，方形原胞所在区域为有效原胞区域153，dummy原胞区域143设有栅极多晶硅层103，栅极多晶硅层103中开设有多个正方形窗口113。窗口113的边长为二分之一dummy原胞宽度。窗口113设在相邻两个沟槽结构93的中间。如图3(b)所示，功率器件还包括发射极金属层13、栅极23、N型衬底33、P型收集极43、层间隔离层53、 P型井63、重掺杂的N型区73、改进安全工作区的重掺杂P型区83。

本具体实施方式还公开了该栅控型功率器件的加工工艺，包括以下步骤：

S1：完成沟槽刻蚀工艺和栅氧生长工艺，得到的沟槽结构93和栅极氧化层 123如图4所示；

S2：沉积栅极多晶硅，得到的结构如图5所示；

S3：采用新的栅极光罩版进行栅极光刻胶133曝光，得到的结构如图6所示；

S4：利用栅极光刻胶133作为阻挡层，实现栅极多晶硅刻蚀工艺，形成新的原胞结构，如图7所示；

S5：进行常规的后续工艺。

Claims (5)

1.优化输入电容的栅控型功率器件，其特征在于：包括方形原胞构成的沟槽结构，dummy原胞区域设有栅极多晶硅层，栅极多晶硅层中开设有窗口。

2.根据权利要求1所述的优化输入电容的栅控型功率器件，其特征在于：所述窗口有多个。

3.根据权利要求1所述的优化输入电容的栅控型功率器件，其特征在于：所述窗口的形状为正方形。

4.根据权利要求3所述的优化输入电容的栅控型功率器件，其特征在于：所述窗口的边长为二分之一dummy原胞宽度。

5.根据权利要求4所述的优化输入电容的栅控型功率器件，其特征在于：所述窗口设在相邻两个沟槽结构的中间。