CN210607264U - 绝缘栅双极型晶体管 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种绝缘栅双极型晶体管，所述绝缘栅双极型晶体管的边缘为终端保护区，所述绝缘栅双极型晶体管的中间部分包括了元胞区、温度传感区；温度传感器正极和温度传感器负极位于温度传感区内。本实用新型所述绝缘栅双极型晶体管自带温度传感功能，结构更加简单紧凑、能够精准地监控和获取芯片工作时电流信息、以实现对模块内部芯片更好的保护，进一步提高模块的寿命和可靠性，同时还可以减小模块的体积。

Description

绝缘栅双极型晶体管

技术领域

本实用新型涉及一种半导体装置。

背景技术

在现有的沟槽型绝缘栅双极型晶体管(Trench-IGBT)中，自带的内置温度传感器通常是在较厚氧化层上面单独生长一层N型多晶硅，利用光刻版图定义P型多晶硅窗口，然后对N型多晶硅进行P型掺杂并进行高温推阱，形成一系列P型多晶硅与N型多晶硅间隔排列，通过温度和电压的关系，进行探测得到瞬间温度值，现有内置温度传感器是采用厚氧化层来隔离多晶硅区与硅衬底，并用厚氧化层上的多晶硅二极管来测试，由于多晶硅和硅衬底之间隔着厚达1微米以上的厚氧化层，不能及时真实反映绝缘栅双极型晶体管工作时的真实结温，不能很好的起到监测与保护作用。

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型晶体管，可以既能保证不影响器件的耐压和漏电，又能更直接的感知芯片的温度变化，能更为迅速灵敏反馈芯片结温的变化，从而更加快速安全的保护芯片。

为了解决以上技术问题，本实用新型提供了一种绝缘栅双极型晶体管，所述绝缘栅双极型晶体管的边缘为终端保护区，所述绝缘栅双极型晶体管的中间部分包括了元胞区、温度传感区；所述绝缘栅双极型晶体管正面上设有栅极、发射极、温度传感器正极和温度传感器负极；上述各电极相互间隔；所述栅极和发射极位于元胞区内，温度传感器正极和温度传感器负极位于温度传感区内，所述绝缘栅双极型晶体管背面上设有集电极；所述温度传感区包括硅N-衬底，所述硅N-衬底上设有沟槽区，所述沟槽区内壁设有二氧化硅绝缘层；所述沟槽区内设置多个N+多晶硅和p+多晶硅，且两者为间隔设置；位于所述温度传感区两端的p+多晶硅或N+多晶硅引出电极作为温度传感器正极或温度传感器负极。

本实用新型所述绝缘栅双极型晶体管的有益效果在于：自带温度传感功能，结构更加简单紧凑、能够精准地监控和获取芯片工作时的温度信息、以实现对模块内部芯片更好的保护，进一步提高模块的寿命和可靠性，同时还可以减小模块的体积。利用现有的沟槽栅工艺，在沟槽中形成一系列串联的PN结多晶硅二极管。该办法监测准确、实用，并且不会增加任何额外的芯片工艺流程，能真实的反映器件工作时的结温。将模块内部所集成的传感器直接集成到芯片内部，能够使检测结果更加准确，同时反应速度也更快，还能进一步减小模块的体积，提高模块的功率密度。

优选的，所述元胞区包括硅N-衬底，所述硅N-衬底上设有多个元胞且呈并联设置，每一个元胞包含一个沟槽区，所述沟槽区内壁设有栅氧化层；所述沟槽区内设置有多晶硅栅极，所述沟槽区的上半部分设有P型基区，所述P型基区的中间为N+发射区，所述P型基区上沉积一层绝缘介质层，所述绝缘介质层上沉积一层发射极金属且作为该元胞的发射极，所述发射极的下方为p+深阱区；各个元胞的发射极互连后引出作为绝缘栅双极型晶体管发射极，在所述绝缘栅双极型晶体管的背面依次离子注入形成N-场终止区和P型集电极区、再沉积一层金属作为绝缘栅双极型晶体管集电极。

优选的，所述硅N-衬底的厚度为60-750微米；所述P型基区的结深为3-7微米；所述N+发射区的结深为0.5-1微米；所述p+深阱区的结深为0.5-1微米；所述N-场终止区的结深为1-2微米；所述P型集电极区结深为0.2-1微米。

优选的，相邻所述元胞之间沉积一层绝缘介质层，通过所述绝缘介质层隔离各个元胞，所述绝缘介质层材料可为二氧化硅；所述绝缘介质层上再沉积一层金属电极，所述金属互连后形成绝缘栅双极型晶体管发射极；所述绝缘层的厚度为1-1.5微米；所述金属电极的厚度为1-5微米。

优选的，所述沟槽区的深度为3-8微米，宽度为0.5-2微米；所述二氧化硅绝缘层的厚度为1000-2000埃；所述沟槽区内的N+多晶硅和P+多晶硅的厚度为1-2微米。

优选的，温度传感器正极或温度传感器负极位于温度传感区内，两者相邻；温度传感器正极和温度传感器负极以及绝缘栅双极型晶体管栅极设置在绝缘栅双极型晶体管正面表面处终端保护区外；彼此相互隔离。

优选的，所述温度传感区中采用内嵌的沟槽结构来填充多晶硅，进而形成多晶硅PN结二极管。

优选的，所述温度传感区内沟槽结构俯视呈弓字型，在沟槽中形成的一系列串联的PN结多晶硅二极管。

优选的，所述温度传感区是通过硅N-衬底刻蚀形成沟槽区，在沟槽区内壁生长二氧化硅绝缘层，在沟槽区中分别沉积N+多晶硅和P+多晶硅，分别引出温度传感器负极或温度传感器正极；所述温度传感器负极和温度传感器正极通过绝缘介质层分隔开来。

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说明。

图1为本实用新型所述绝缘栅双极型晶体管的正面结构示意图；

图2为本实施例中元胞区与温度传感区的纵向剖视结构示意图；

图3为本实施例中元胞区的放大结构示意图；

图4为本实施例中温度传感区的放大结构示意图；

图5为本实施例中温度传感区的俯视图。

具体实施方式

实施例一、

如图1所示，本实用新型利用现有的沟槽栅工艺，在沟槽中形成一系列串联的PN结多晶硅二极管。先采用N型多晶硅填充沟槽，然后通过光刻版定义，对温度传感区内的部分N型多晶硅进行P型注入，并经过退火激活后，形成一系列串连起来的PN结多晶硅二极管。由于该多晶硅二极管嵌入硅衬底中仅靠薄栅氧化层来隔离。既能保证不影响器件的耐压和漏电，又能更直接的感知绝缘栅双极型晶体管的温度变化，能更为迅速灵敏反馈绝缘栅双极型晶体管结温的变化，从而更加快速安全的保护绝缘栅双极型晶体管。

本实用新型原理：裸片的单片式集成温度检测通过测定一串多晶硅二极管的正向压降(VF)实现温度传感功能集成在同一裸片上。由于二极管的VF值与Tj之间具有人们熟悉的线性依赖性(公式1)，单片式电压检测法证明是测定结温的最好方法。本实用新型中温度传感器利用二极管的导通电压随温度的变化原理，通过检测电压变化信息得到绝缘栅双极型晶体管的温度。该二极管为利用现有的沟槽栅工艺，在沟槽中形成的一系列串联的PN结多晶硅二极管。

如图1所示，本实用新型所述绝缘栅双极型晶体管，包括芯片4，所述芯片4的边缘为IGBT终端保护区3，所述芯片4的中间部分包括了IGBT元胞区1、温度传感区2；所述芯片4正面上设有IGBT芯片栅极11、IGBT芯片发射极12、温度传感器正极21和温度传感器负极22，上述各电极还间通过对芯片表面金属化层刻蚀而间隔开来；IGBT芯片栅极11和IGBT芯片发射极12位于IGBT元胞区1内，温度传感器正极21和温度传感器负极22位于温度传感区2内，所述芯片4背面上设有IGBT芯片集电极13；所述温度传感区2包括硅N-衬底100，所述硅N-衬底100上设有一层沟槽区201，所述沟槽区201内壁设有二氧化硅绝缘层202；所述沟槽区201内设置多个N+多晶硅203和P+多晶硅204且两者为间隔设置；将位于所述温度传感区2两端的P+多晶硅204或N+多晶硅203引出电极作为温度传感器正极21或温度传感器负极22。

所述IGBT元胞区1包括硅N-衬底100，所述硅N-衬底100上设有多个元胞且呈并联设置，每一个元胞包含一个沟槽区101，所述沟槽区101内壁设有栅氧化层102；所述沟槽区101内设置有多晶硅栅极103，所述沟槽区101的上半部分设有P型基区104，所述P型基区104的中间为N+发射区105，所述P型基区104上沉积一层绝缘介质层106，所述绝缘介质层106上沉积一层金属电极108且作为该元胞的发射极，所述金属电极108的下方为P+深阱区107；各个元胞的发射极互连后引出作为IGBT芯片发射极12，在所述芯片4的背面依次注入离子注入形成N-场终止区109和集电极P+区110、再沉积一层金属电极111作为IGBT芯片集电极13。

所述硅N-衬底的掺杂浓度为1E13-5E14cm^-3，厚度为60-750微米；所述P型基区104的掺杂浓度为1E17-8E17cm^-3，结深为3-7微米；所述N+发射极区105的掺杂浓度为1E19-4E20cm^-3，结深为0.5-1微米；所述P+深阱区107的掺杂浓度为1E19-5E20cm^-3，结深为0.5-1微米；所述N-场终止区109的掺杂浓度为5E15-1E17cm^-3，结深为1-2微米；所述P型集电极区110的浓度为1E19-5E19cm^-3，结深为0.2-1微米。

相邻所述元胞之间沉积一层绝缘介质层，通过所述绝缘介质层隔离各个元胞；所述绝缘介质层上再沉积一层金属电极，所述金属互连后形成IGBT芯片发射极；所述绝缘介质层的厚度为1-1.5微米，该绝缘介质可为二氧化硅材料；所述金属电极的厚度为1-5微米，该金属电极材料可以采用AlSi、AlSiCu或其他材质。

所述沟槽区201的深度为3-8微米，宽度为0.5-2微米；所述二氧化硅绝缘层202的厚度为1000-2000埃；所述沟槽区201内的N+多晶硅203和P+多晶硅204的厚度为1-2微米；

温度传感器正极21或温度传感器负极22位于温度传感区2内，两者相邻；温度传感器正极21和温度传感器负极22以及IGBT芯片栅极11可以设置在芯片正面表面处IGBT终端保护区3以外的任何位置；彼此可以近邻，也可远离，但都必须相互隔离。

相邻所述元胞通过所述二氧化硅绝缘层102来隔离，所述多晶硅栅极103互连形成IGBT芯片栅极11。

所述温度传感区2是通过硅N-衬底100刻蚀形成沟槽区201，在沟槽区201内壁生长二氧化硅绝缘层202，在沟槽区201中分别沉积N+多晶硅203和p+多晶硅204，分别引出温度传感器负极21或温度传感器正极22；所述温度传感器负极21和温度传感器正极22通过绝缘介质层206分隔开来。

所述温度传感区2内沟槽区201的俯视图呈弓字型，在沟槽中形成的一系列串联的PN结多晶硅二极管。

作为进一步改进，IGBT芯片4的元胞结构可以采用PT-IGBT、NPT-IGBT、CSTBT或其他结构，这都应在本实用新型的保护范围内；作为进一步改进，制备IGBT有扩散法、离子注入法和外延法等方法，用各种方法制备的IGBT结构，这都应在本实用新型的保护范围内。

在其他实施例中，硅N-衬底100还可以用其他衬底材料替换，例如还可以为Si等半导体材料，或者是SiC、GaN或金刚石等宽禁带半导体材料。以上仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技木方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，应视为本实用新型的保护范围。

本实用新型所述的绝缘栅双极型晶体管的制备方法包括以下步骤：

1、采用N型单晶硅材料或N型外延硅材料作为衬底材料，充当IGBT器件的漂移区。

2、忽略终端区域的形成过程，在有源区中形成沟槽IGBT元胞区和沟槽型温度传感区。

3、沟槽型温度传感区和沟槽IGBT元胞区的工艺流程一致，不需要额外的工艺步骤。

4、沟槽型温度传感区的主要制备方法如下：

5、在硅衬底100的器件有源区内通过光刻和离子刻蚀形成沟槽区201。具体地，该硅衬底100表面生长一层厚度为1000-10000埃的二氧化硅阻挡层，作为沟槽刻蚀的阻挡层；在所述阻挡层上面涂布光刻胶层，进行沟槽图形曝光和显影；并带着光刻胶对二氧化硅进行刻蚀，形成二氧化硅阻挡层图形；然后湿法腐蚀去除光刻胶；以所述二氧化硅阻挡层图形作为掩模对硅衬底进行刻蚀，即深挖多个沟槽，形成沟槽区201；湿法腐蚀去除剩余的二氧化硅阻挡层。其中，所述沟槽的深度为3-8微米，横截面宽度为0.5-2微米。

6、在该沟槽区201内壁生长有致密性较高的二氧化硅作二氧化硅绝缘层(即栅氧化层)202。具体地，先通过高温氧化在该沟槽区201内壁生长一层牺牲氧化层，再利用湿法腐蚀掉该牺牲氧化层，以确保栅氧化层的光滑平整；通过高温氧化在该沟槽区201内壁生长二氧化硅绝缘层202。其中所述二氧化硅绝缘层202的厚度为1000-2000埃；上述操作步骤是为了减少晶体缺陷和杂质，从而生长出致密性较好的二氧化硅绝缘层202；

7、在该该沟槽区201内沉积多晶硅并掺杂形成N型多晶硅。具体地，通过高温炉管在沟槽区201内生长一层多晶硅，多晶硅的厚度为1-2微米；进行N型离子注入并激活形成N型多晶硅203；

8、通过光刻版定义多晶硅上的P型多晶硅区域204。经过光刻显影对P型多晶硅区域进行硼离子注入，注入能量为80-120Kev，剂量为1E15-9E15cm^-2。控制P型多晶硅区域和N型多晶硅区域的比例在1/10-9/10之间；多晶硅的方块电阻为10-20ohm；

9、对该衬底表面的多晶硅进行等离子体刻蚀，刻蚀厚度为1-2微米，只保留沟槽区里的多晶硅。对多晶硅进行高温激活，温度为950-1150℃，时间为30-60分钟。于是在沟槽内形成了多个串联的PN结多晶硅二极管。

10、在该衬底表面生长二氧化硅绝缘介质层206；然后在二氧化硅绝缘介质层表面涂布光刻胶，进行曝光和显影，形成光刻胶层图形；使用该光刻胶层图形作为掩模，在一端N型多晶硅上方的绝缘介质层上刻蚀形成多晶硅与温度传感器负极的接触孔；在另一端P型多晶硅绝缘介质层上刻蚀形成多晶硅与温度传感器正极的接触孔；

11、分别在两个接触孔上方沉积一层金属207形成接触电极,一端为温度传感器正极21，一端为温度传感器负极22。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：结构更加简单紧凑、能够精准地监控和获取绝缘栅双极型晶体管工作时电流信息、以实现对模块内部绝缘栅双极型晶体管更好的保护，进一步提高模块的寿命和可靠性，同时还可以减小模块的体积。本实用新型绝缘栅双极型晶体管中，利用现有的沟槽栅工艺，在沟槽中形成一系列串联的PN结多晶硅二极管。该办法监测准确、实用，能更加监测器件的真实工作结温并且不会增加任何额外的工艺流程。本实用绝缘栅双极型晶体管中，将模块内部所集成的传感器直接集成到绝缘栅双极型晶体管内部，能够使检测结果更加准确，同时反应速度也更快，还能进一步减小模块的体积，提高模块的功率密度。

本实用新型并不限于上文讨论的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在于为了描述和说明本实用新型涉及的技术方案。基于本实用新型启示的显而易见的变换或替代也应当被认为落入本实用新型的保护范围。以上的具体实施方式用来揭示本实用新型的最佳实施方法，以使得本领域的普通技术人员能够应用本实用新型的多种实施方式以及多种替代方式来达到本实用新型的目的。

Claims (9)

1.一种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(4)的边缘为终端保护区(3)，所述绝缘栅双极型晶体管(4)的中间部分包括了元胞区(1)、温度传感区(2)；所述绝缘栅双极型晶体管(4)正面上设有栅极(11)、发射极(12)、温度传感器正极(21)和温度传感器负极(22)；

上述各电极相互间隔；所述栅极(11)和发射极(12)位于元胞区(1)内，温度传感器正极(21)和温度传感器负极(22)位于温度传感区(2)内，所述绝缘栅双极型晶体管(4)背面上设有集电极(13)；

所述温度传感区(2)包括硅N-衬底(100)，所述硅N-衬底(100)上设有沟槽区，所述沟槽区内壁设有二氧化硅绝缘层(202)；

所述沟槽区内设置多个N+多晶硅(203)和p+多晶硅(204)，且两者为间隔设置；位于所述温度传感区(2)两端的p+多晶硅(204)或N+多晶硅(203)引出电极作为温度传感器正极(21)或温度传感器负极(22)。

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：所述元胞区(1)包括硅N-衬底(100)，所述硅N-衬底(100)上设有多个元胞且呈并联设置，每一个元胞包含一个沟槽区(101)，所述沟槽区(101)内壁设有栅氧化层(102)；

所述沟槽区(101)内设置有多晶硅栅极(103)，所述沟槽区(101)的上半部分设有P型基区(104)，所述P型基区(104)的中间为N+发射区(105)，所述P型基区(104)上沉积一层绝缘介质层(106)，所述绝缘介质层(106)上沉积一层发射极金属且作为该元胞的发射极，所述发射极的下方为p+深阱区(107)；

各个元胞的发射极互连后引出作为绝缘栅双极型晶体管发射极(12)，在所述绝缘栅双极型晶体管(4)的背面依次离子注入形成N-场终止区(109)和P型集电极区(110)、再沉积一层金属(111)作为绝缘栅双极型晶体管集电极(13)。

3.根据权利要求2所述的绝缘栅双极型晶体管，其特征在于：所述硅N-衬底的厚度为60-750微米；所述P型基区(104)的结深为3-7微米；所述N+发射区(105)的结深为0.5-1微米；所述P+深阱区(107)的结深为0.5-1微米；所述N-场终止区(109)的结深为1-2微米；所述P型集电极区(110)结深为0.2-1微米。

4.根据权利要求3所述的绝缘栅双极型晶体管，其特征在于：相邻所述元胞之间沉积一层绝缘介质层，通过所述绝缘介质层隔离各个元胞，所述绝缘介质层材料可为二氧化硅；

所述绝缘介质层上再沉积一层金属电极，金属互连后形成绝缘栅双极型晶体管发射极；所述绝缘层的厚度为1-1.5微米；所述金属电极的厚度为1-5微米。

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：所述沟槽区的深度为3-8微米，宽度为0.5-2微米；所述二氧化硅绝缘层(202)的厚度为1000-2000埃；所述沟槽区内的N+多晶硅(203)和P+多晶硅(204)的厚度为1-2微米。

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：温度传感器正极(21)或温度传感器负极(22)位于温度传感区(2)内，两者相邻；温度传感器正极(21)和温度传感器负极(22)以及绝缘栅双极型晶体管栅极(11)设置在绝缘栅双极型晶体管正面表面处终端保护区(3)外；彼此相互隔离。

7.根据权利要求6所述的绝缘栅双极型晶体管，其特征在于：所述温度传感区(2)中采用内嵌的沟槽结构来填充多晶硅，进而形成多晶硅PN结二极管。

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：所述温度传感区(2)内沟槽结构俯视呈弓字型，在沟槽中形成的一系列串联的PN结多晶硅二极管。

9.根据权利要求8所述的绝缘栅双极型晶体管，其特征在于：所述温度传感区(2)是通过硅N-衬底(100)刻蚀形成沟槽区，在沟槽区内壁生长二氧化硅绝缘层(202)，在沟槽区中分别沉积N+多晶硅(203)和P+多晶硅(204)，分别引出温度传感器负极(22)或温度传感器正极(21)；所述温度传感器负极(22)和温度传感器正极(21)通过绝缘介质层分隔开来。

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