TWI433316B - 電荷平衡絕緣閘極雙極電晶體 - Google Patents

電荷平衡絕緣閘極雙極電晶體 Download PDF

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Description

電荷平衡絕緣閘極雙極電晶體 相關申請案之對照參考資料
此申請案主張於2006年2月3日提申的美國暫時申請案第60/765,261號的好處，其揭露係為了所有目的整個內容被併入於此參考。
發明領域
本發明有關半導體電源裝置，且更特別是用於形成具有電荷平衡結構之絕緣閘極雙極電晶體(IGBT)的結構與方法。
 發明背景
IGBT是一些商業上可用的半導體電源裝置的其中之一。第1圖顯示一種傳統IGBT的橫截面圖，一高摻雜P型集極區104係電性連接至一集極電極102，一N型漂移區106係形成在集極區104上方，一高摻雜P型井區108係形成於該漂移區106，且一高摻雜N型源集區110係形成於P型井區108，井區108與源極區110二者係電性連接至一射極電極112，一平面閘極114延伸在漂移區106的一上表面與井區108中的一通道區113上方、並與該源極區110部分重疊，閘極114係以一閘極介電層116與其下面的區域絕緣。
諸如第1圖中的傳統IGBT之不同對抗表現參數的最佳化被一些包含P型集極區之要求高摻雜與N型漂移區的要求有限厚度之因素所限制。這些因素限制了不同的權衡表現改良。於是，需要有改良的IGBT，其中權衡表現參數能被較佳控制來使能夠改良IGBT。
 發明概要
根據本發明的一實施例，一種絕緣閘極雙極電晶體(IGBT)包含一第一導電型集極區、及一延伸在該集極區上方的第二導電型之第一矽區。多數個第一與第二導電型柱係以交替方式配置在該第一矽區上方，每一第一導電型柱的底面係垂直地與該集極區之頂面隔開。該IGBT更包含多數個第一導電型的井區，每一個延伸在該等第一導電型柱中之一上方且與其電性接觸、及多數個閘極電極，其每一個延伸在一對應井區的一部分上方，每一閘極電極係以一閘極介電層與其下方之區域絕緣。該等第一與第二導電型柱每一個的實體尺寸與該等第一與第二導電型柱每一個中電荷載子之摻雜濃度係選擇以便在每一第一導電柱中的淨電荷與其相鄰的第二導電型柱中的淨電荷之間產生電荷不平衡。
根據本發明的另一實施例，一種IGBT包含一第一導電型的集極區及一延伸在該集極區上方的第二導電型之第一矽區。多數個第一與第二導電型柱係以交替方式配置在該第一矽區上方，每一第一導電型柱的底面係垂直地與該集極區之頂面隔開，一第一導電型的井區延伸在該等多數個第一與第二導電型柱上方且與該等多數個第一與第二導電型柱電性接觸。該IGBT更包含多數個閘極溝渠，其每一個延伸穿過該井區且終止在該等第二導電型柱之一內，每個閘極溝渠包含一閘極電極在其中。該等第一與第二導電型柱每一個的實體尺寸與該等第一與第二導電型柱每一個中電荷載子之摻雜濃度係選擇以便在每一第一導電柱中的淨電荷與其相鄰的第二導電型柱中的淨電荷之間產生電荷不平衡。
根據本發明的又一實施例，一種IGBT係形成如下。一磊晶層係形成在一第一導電型集極區上方，該磊晶層屬於一第二導電型。第一多數個第一導電型柱係形成於該磊晶層以致該磊晶層將該第一多數個柱彼此分隔的那些部分形成第二多數個柱，於是形成交替的導電型柱，該等第一複數個柱每一個的底面係與該集極區之頂面隔開。多數個第一導電型井區係形成於該磊晶層，每一井區延伸在該等第一多數個柱之一上方且與其電性接觸。多數個閘極電極被形成，其每一個延伸在一對應井區的一部分上方，每一閘極電極係以一閘極介電層與其下方的區域絕緣。該等第一與第二導電型柱每一個的實體尺寸與該等第一與第二導電型柱每一個中電荷載子之摻雜濃度係選擇以便在第一多數個柱每一個中的淨電荷與該等第二多數個柱中與其相鄰之柱中的淨電荷之間產生電荷不平衡。
根據本發明的另一實施例，一種IGBT係形成如下。一磊晶層係形成在一第一導電型集極區上方，此第一矽區屬於一第二導電型。第一多數個第一導電型柱係形成於該磊晶層以致該磊晶層將該第一多數個柱彼此分隔的那些部分 形成第二多數個柱，於是形成交替的導電型柱，該等第一多數個柱每一個的底面係與該集極區之頂面隔開。一第一導電型井區係形成於該磊晶層以致該井區延伸在該等第一與第二多數個柱之一上方且與其電性接觸。多數個閘極溝渠被形成，其每一個延伸穿過該井區並終止在該等第二多數個柱之一內，一閘極電極於是被形成於每一個閘極溝渠。該等第一與第二導電型柱每一個的實體尺寸與該等第一與第二導電型柱每一個中電荷載子之摻雜濃度係選擇以便在第一多數個柱每一個中的淨電荷與該等第二多數個柱中與其相鄰之柱中的淨電荷之間產生電荷不平衡。
根據本發明的另一實施例，一種IGBT係形成如下。第一導電型摻雜物係沿著一第一導電型基材背側植入以形成一第一導電型集極區於該基材，第一多數個第一導電型柱係形成於該基材以致該基材將該等第一多數個柱彼此分隔的那些部分形成第二多數個柱，於是形成交替的導電型柱，該等第一多數個柱每一個的底面係與該集極區之頂面隔開。其中該等第一與第二導電型柱每一個的實體尺寸與該等第一與第二導電型柱每一個中電荷載子之摻雜濃度係選擇以便在第一多數個柱每一個中的淨電荷與該等第二多數個柱中與其相鄰之柱中的淨電荷之間產生電荷不平衡。
根據本發明的另一實施例，一種IGBT係形成如下。
一磊晶層係形成在一基材上方，該基材被完全除去以露出該磊晶層的背側，第一導電型摻雜物係沿著該磊晶層露出的背側植入以形成一第一導電型集極區於該磊晶層。第一多數個第一導電型柱係形成於該磊晶層以致該磊晶層將該第一多數個柱彼此分隔的那些部分形成第二多數個柱，於是形成交替的導電型柱，該等第一多數個柱每一個的底面係與該集極區之頂面隔開。該等第一與第二導電型柱每一個的實體尺寸與該等第一與第二導電型柱每一個中電荷載子之摻雜濃度係選擇以便在第一多數個柱每一個中的淨電荷與該等第二多數個柱中與其相鄰之柱中的淨電荷之間產生電荷不平衡。
根據本發明的另一實施例，一種IGBT係形成如下。
一磊晶層係形成在一基材上方，該基材係經由其背側變薄，且第一導電型摻雜物係沿著該變薄基材的背側植入以形成一第一導電型集極區於該變薄的基材中，該基材與該磊晶層屬於一第二導電型。第一多數個第一導電型柱係形成於該磊晶層以致該磊晶層將該第一多數個柱彼此分隔的那些部分形成第二多數個柱，於是形成交替的導電型柱，該等第一多數個柱每一個的底面係與該集極區之頂面隔開。該等第一與第二導電型柱每一個的實體尺寸與該等第一與第二導電型柱每一個中電荷載子之摻雜濃度係選擇以便在第一多數個柱每一個中的淨電荷與該等第二多數個柱中與其相鄰之柱中的淨電荷之間產生電荷不平衡。
本發明的本質與優點的更佳認識係能獲得自以下詳細說明與附圖。
圖式簡單說明
第1圖顯示一傳統平面閘極IGBT的橫截面圖；第2圖顯示根據本發明一實施例的一平面閘極超接面IGBT的橫截面圖；第3圖顯示根據本發明一實施例之模擬結果，其中電洞載子濃度係對從第2圖中該超接面IGBT之矽表面之距離來繪製；第4圖顯示模擬結果，其中截止能量(Eoff)係對一傳統IGBT之集極至射極導通狀態電壓Vce(sat)以及具有相似於第2圖之結構的超接面IGBT的兩種情況來繪製；第5－第18圖係顯示本發明示範實施例不同參數對電荷不平衡的敏感度以及不同的權衡表現之模擬結果；第19－第22圖顯示根據本發明實施例不同的超接面IGBT的橫截面圖與對應的摻雜輪廓；第23圖顯示一根據本發明一實施例一溝渠閘極超接面IGBT的橫截面圖；第24圖顯示一根據本發明一實施例一同中心超接面IGBT設計的簡化頂佈局圖；及第25圖顯示一根據本發明一實施例一線條超接面IGBT設計的簡化頂佈局圖。
 較佳實施例之詳細說明
第2圖是根據本發明一實施例的一種允許不同對抗表現參數被改良之改良超接面IGBT的橫截面圖。一高摻雜P型集極區204係電性連接至一集極電極202，一N型場終止層(FSL)205延伸在集極區204上方，且一N型區206a延伸在FSL 205上方，一包含交替的P柱207與N柱206b的電荷平衡區延伸在N型區206a上方。於一選擇實施例中，該電荷平衡區的區域207包含一沿著區域207之垂直邊界與底邊界延伸的P型矽襯底，加上區域207的剩餘物為N型或本質矽。
一高摻雜P型井區208延伸在P柱207上方，且一高摻雜N型源極區210係形成於井區208。井區208與源極區210二者係電性連接至一射極電極212，一平面閘極214延伸在N型區206c的一上表面與井區208中的一通道區上方、並與源極區210部分重疊，閘極214係以一閘極介電層216與其下的矽區絕緣。
於第1圖的傳統IGBT結構中，為了承受一高阻擋電壓，漂移區106的厚度被做大。在高逆向偏壓下，漂移區106中的電場分佈為三角形且峰值場量發生在井區108與漂移區106之間的接面。第2圖中，藉由採用包含交替的P柱207與N柱206b的電荷平衡結構，一梯形電場分佈被獲得且峰值電場被抑制，對於漂移層之相同摻雜濃度的非常高的崩潰電壓因此被達到。或者是，對於同一崩潰電壓，該漂移區之摻雜濃度能被增加且/或該漂移區之厚度能被減少，於是改良IGBT集極對射極導通狀態電壓Vce(sat)。
此外，P型柱207有利地當作一用於儲存電洞載子的集極，因此改良了電晶體切換速度。並且，電荷平衡結構將IGBT的電洞與電子電流成分分別分佈在P柱與N柱之間。如此改良了電晶體閂鎖免疫，且亦有助更均勻分佈熱於矽中。
附帶地，場終止層205適用來防止空乏層延伸至集極區
為獲得與該交替柱結構相關的崩潰電壓改良，N柱與P柱二者需要完全空乏。於該空乏區中，空間電荷中性條件必須被維持，因此需要在P型柱中的負電荷與該等N型柱(漂移區)中的正電荷之間的電荷平衡。如此需要該N型柱與P型柱之摻雜與物理特性的精心工程。然而，如以下更完全的說明，根據本發明之超接面IGBT被設計以便藉由採用相鄰N與P柱之間的一預定量電荷不平衡而不是理想的電荷平衡來改良一些權衡表現。
如同所將看到的，在有利於該等P柱中較高電荷之5-20%範圍中的電荷平衡導致在不同權衡表現的改良。於一個實施例中，一具有導致該等N柱中的一淨電荷於5x1010 a/cm3 至1x1012 a/cm3 範圍中之摻雜濃度的較薄磊晶層206被使用，而該等P柱之摻雜濃度被設定以致該等P柱中的淨電荷係以5-20%多於該等N柱中的淨電荷。在一線條設計中，N與P柱每一個中的淨電荷大體上係近似以柱中摻雜濃度與柱寬的乘積(假設N與P柱線條具有相同的深度與長度)。
藉由最佳化該等交替柱中的淨電荷與該超接面結構，不同的權衡表現能被控制與改良如第5-第18圖所示的模擬結果所繪示。第5與第6圖顯示模擬結果，其中BVces與Vce(sat)對電荷平衡的敏感度係分別顯示在用於1x1012 a/cm3 的一N柱電荷Q之不同溫度。沿著第5與第6圖之水平軸所指示的電荷平衡係藉由增加或減少該等P柱中相對於N柱中的電荷量而獲得。根據本發明，該N與P柱被調整以至於一較低電荷(例如，少於或等於1x1012 a/cm3 )能被使用，戲 劇性地降低Vce(sat)與BVces對電荷平衡的敏感度。
第7與第8圖顯示模擬結果，其中短路反抗時間SCWT對電荷不平衡的敏感度係分別顯示對於一1x1012 a/cm3 的一N柱電荷及1V與1.7V之Vce(sat)。第9圖顯示模擬結果，其中截止能量Eoff的敏感度係顯示對於相同1x1012 a/cm3 的N柱電荷。第10與第11圖顯示對於1x1012 a/cm3 的相同N柱與P柱電荷(即，一電荷平衡結構)，Vce(sat)對Eoff權衡與Vce(sat)對SCWT權衡。如自這些圖式所見，能達到在125℃下具有小於在125℃之1.2V的Vce(sat)的一20μJ/A Eoff以及大於10μsec的SCWT其是免於電荷不平衡。
該SCWT表現因P柱207扮演電洞流之槽而提升。因此，該電洞流傾向往P柱207上流，而不是如第1圖之傳統IGBT中在該源極區110之下。這使得第2圖的超接面IGBT於SCWT期間不受NPN閂鎖影響，如此電流流動亦導致於SCWT期間自我加熱更均勻且非如第1圖的傳統IGBT之局部式的自我加熱，此更允許第2圖的超接面IGBT被操作有更高的PNP增益且降低由於在順向接面的熱產生洩漏電流而導通該PNP所造成的失敗。這已是傳統IGBT的一缺點，因為當溫度在該漂移區中上升時，少數載子生命期因為少數載子生命期具有正溫度係數而增加。在該順向接面來自該集中高溫的熱產生洩漏與該熱增加的PNP增益導致該PNP更快導通。
第2圖之超接面IGBT的另一重要特徵是它容易形成像截止般的一快穿透(QPT)，其具有藉由改變閘極電阻Rg的閘極控制之截止di/dt。該QPT涉及晶胞的修改(例如，閘極結 構與PNP增益)以至於當電流開始下降如第12A與第12B圖中的時序圖(其為一超接面IGBT的模擬結果)所描述時，有效閘極偏壓是在該IGBT的臨界電壓Vth之上。該QPT更完整被說明於2004年12月4日核發之一般讓渡美國專利第6,831,329號，其揭露係全體被併入於此參考。
第13與第14圖分別顯示對於兩個Rg值之1x1012 a/cm3 的相同N柱電荷與P柱電荷的Vce(sat)對di/dt權衡與Vce(sat)對dv/dt權衡。第15、第16、第17及第18圖分別顯示對兩個Rg值具有等於1x1012 a/cm3 P柱電荷的電荷平衡之Eoff、Peak Vce、di/dt及dv/dt的敏感度。如自第10與第13圖所見，減慢該截止di/dt增加了Eoff，但此提供了用於EMI表現之截止Eoff的彈性。該超接面IGBT之dv/dt由於少數載子快速3-D掃掉而為高，具QPT之超接面IGBT於電壓上升期間具有最小截止損失，如第14圖所示，該dv/dt亦能以Rg來控制到某些程度。
該傳統IGBT中大部分的截止損失起因於在電壓上升期間注射載子的緩慢掃掉，以及在電壓達到匯流排電壓後剩下的非空乏及/或緩衝區中載子的少數載子重新結合。因為電流下降(di/dt)是被閘極放電所控制且非常慢於一傳統IGBT，所以Eoff幾乎是完全地由於電流下降。在本質上，該超接面IGBT大部分的截止損失是在於電流下降，其能藉由以Rg來調整di/dt所控制。
第19-第22圖顯示根據本發明不同超接面IGBT的橫截面圖與對應的摻雜輪廓。第19A圖顯示一實施例，其中該開 始晶圓是一P+基材1904，在其上方一N-epi緩衝層1905被形成，比緩衝層1905更低摻雜濃度的一上N-epi層1906然後被形成在緩衝層1905上方，剩下的區域與層係利用一些已知技術中之一而形成。例如，P柱1907係能藉由將P型摻雜物植入(使用高能量)到該上N-epi層1906、或藉由形成一溝渠在該上N-epi層1906中且然後以P型矽填充該溝渠而形成。在又一實施例，代替該上N-epi層1906，多層的n-epi被形成且在形成每一n-epi層後，一P型植入被完成以便形成P柱1907的一對應部分。體區1908與源極區1910係利用已知技術而形成。第19B圖顯示沿著一經過該N柱中心的垂直線(上曲線圖)及沿著一經過第19A圖中結構的P柱中心的垂直線(下曲線圖)之示範摻雜濃度。
第20A圖中，以區域2006所描述的一個或複數N-epi層被形成在一基材上並且然後隨著該個或複數epi層留下，該基材完全被除去。P型摻雜物被植入到背側以便形成集極區2004。另一實施例中，一不具任何N-epi層的N型基材被使用，且該集極區係藉由將摻雜物質入到基材的背側而形成。P柱2007、體區2008、及源極區2010係利用一些如參考第19A圖所述之技術中的任何一個而形成。第20B圖顯示沿著一經過該N柱中心的垂直線(左上曲線圖)及沿著一經過該P柱中心的垂直線(右上曲線圖)之示範摻雜濃度，第20B圖的下曲線圖顯示該摻雜輪廓在從該n型基材或epi層至且經過集極區2004的轉變區的擴大圖。
第21A圖是一橫截面圖其係相似於第20A圖的橫截面圖，除了一N型場終止區被併入到該結構。於一個實施例中，一個或複數N－epi層被形成在一基材上並且然後隨著一個或複數epi層留下該基材被完全除去。N型摻雜物然後被植入到該背側以便形成該N型場終止區，隨後將P型摻雜物質入到該背側以便將該集極區形成在該場終止區中。於另一實施例中，一不具任何N－epi層的N型基才被使用，P柱2107、體區2108、及源極區2110係利用一些如參考第19A圖所述之技術中的任何一個而形成。第21B圖顯示沿著一經過該N柱中心的垂直線(左上曲線圖)及沿著一經過該P柱中心的垂直線(右上曲線圖)之示範摻雜濃度，第21B圖的下曲線圖顯示該摻雜輪廓經過該場終止與集極區的擴大圖。
第22A圖中，以區域2206所描述的一N－epi層被形成在一n型基材上，並且該基材的一預定厚度在背側被除去以至於一想要厚度的較薄基材層保留。該基材具有一低於該N－epi層的電阻率，加上該基材的剩下部分，實際上，形成一場終止層，該集極區然後藉由將P型摻雜物植入到背側而形成。P柱2207、體區2208、及源極區2210係利用一些如參考第19A圖所述之技術中的任何一個而形成。第22B圖顯示沿著一經過該N柱中心的垂直線(左上曲線圖)及沿著一經過該P柱中心的垂直線(右上曲線圖)之示範摻雜濃度，第22B圖的下曲線圖顯示經過該場終止層與集極區的摻雜輪廓的擴大圖。
於本發明的另一實施例中，該等P柱中的摻雜濃度係從一沿著該等P柱頂部之較高摻雜濃度至一沿著其底部之較低摻雜濃度來分等級，並且該等N柱中的摻雜濃度實質上是一致的。於又一實施例中，該等N柱中的摻雜濃度係從一沿著該等N柱底部的較高摻雜濃度至一沿著其頂部之較低摻雜濃度來分等級，並且該等P柱中的摻雜濃度實質上是一致的。
第23圖顯示根據本發明一實施例的一溝渠閘極超接面IGBT之橫截面圖。除了該閘極結構與其周圍區域以外，第23圖中的溝渠閘極IGBT結構上是相似於第2圖之平面閘極IGBT，並且因此上述與第2圖之平面閘極IGBT有關的許多相同有特徵與優點及其變化與替代實施例係能以第23圖的溝渠閘極IGBT來實現。第23圖中，一高度摻雜P型集極區2304係電性連接至一集極電極2302。一N型場終止層(FSL)2305延伸在集極區2304上方，並且一N型區2306a延伸在FSL 2305上方。一包含交替的P柱2307與N柱2306b之電荷平衡區延伸在N型區2306a上方。於一替代實施例中，該電荷平衡區的區域2307包含一沿著垂直邊界與底邊界延伸的P型矽襯底，加上2307區域的剩餘部分是N型或本質矽。
一高度摻雜P型井區2308延伸在該電荷平衡結構上方且一閘極溝渠延伸通過該井區2308且終止於N柱2306b。高度摻雜N型源極區2310位於井區2308中閘極溝渠的每一側，井區2308與源極區2310係電性連接至射極電極，一閘極電介質2316沿溝渠側壁排列，且一閘極2314(例如，包含多晶矽)填充該溝渠，閘極2314係可凹入該溝渠，以一介電帽填充該凹下閘極上方的溝渠。一射極導體(例如，包含金屬)然後可延伸在源極區、體區及該溝渠閘極的上方。以上所討論關於第2圖中的平面閘極IGBT的許多相同考慮同樣地應用至第23圖的溝渠閘極。
第2圖中的平面閘極IGBT與第23圖中的溝渠閘極及其變形係可以一些不同方式來佈局。兩個示範佈局設計係顯示於第24與第25圖。第24圖繪示一具有同心閘極的同心柱設計。如所示，彼此等間隔逐漸更大的方型環P柱2407(實黑環)係開始從方塊的中心形成。一方型閘極環2414(橫陰影環)係形成在每兩個相鄰P柱環之間。如所示，為了電荷平衡原因，無任何閘極被形成於該最內P柱環所包圍的區域或於開始兩個內P柱之間。源極與體區(未示)同樣為環狀，然而，為了防止閂鎖，該等源極區需要為不連續環或是具有不連續通道區的連續環。
閘極環2414係顯示如不延伸在P柱環2407上方，然而，於一替代實施例中，該等閘極環與該等P柱環部分重疊。同樣地，該等同心P柱環2407與閘極環2414係顯示於方形，然而，它們可能是矩形、多邊形、六角形、圓形或其它幾何形狀。於一個實施例中，垂直或水平延伸在該等同心P柱環上方的條狀閘極被使用來代替同心閘極環。此一實施例優點在於該等閘極不需如在該同心閘極環設計中適當地對該等P柱來排列，此實施例亦增加該峰點SCWT。
第25圖繪示一具有線條的閘極之線條柱，如所示，彼此等間隔的條狀P柱2507(實黑線條)延伸穿過該方塊的長度，加上一條狀閘極2514(橫陰影區)延伸在每兩個相鄰P柱線條之間。源極與體區(未示)同樣為條狀。第25圖亦顯示該終止區沿著方塊右與左側的一部分其中為直延伸的P柱2507被包含，這些垂直延伸的P柱係與主動區中水平延伸的P柱適當地隔開以維持在該主動區與終止區之間的轉變區之電荷平衡。
閘極線條2514係顯示如不延伸在P柱線條2507上方，然而，於一替代實施例中，該等閘極線條與該等P柱線條部分重疊。同樣地，閘極線條2514係顯示平行延伸至P柱2507，然而，於一替代實施例中，該等閘極線條垂直於該等P柱線條延伸。此一實施例的優點在於該等閘極不需如在具有平行延伸之閘極與P柱線條的實施例中所需適當地對該等P柱來排列，此實施例亦增加該峰點SCWT。
雖然本發明係已參考其示範實施例特別顯示且說明，但將被此技藝的一般技術者所理解的是，形式上不同的變化與細節在不脫離本發明的精神與範圍下係可獲得於其中。於此所提供來說明不同尺寸的所有材料類型、摻雜濃度、及不同半導體與絕緣層係用於說明目的且不想被限制。例如，於此所說明的該等實施例中不同矽區的摻雜極性可能是相反的以獲得該特別實施例的相反極性型元件。因此，因為這些與其它原因，以上說明將不被採納為限制依照附屬申請專利範圍所定義之本發明之範圍。
102‧‧‧集極電極
104‧‧‧P型集極區
106‧‧‧N型漂移區
108‧‧‧P型井區
110‧‧‧N型源極區
112‧‧‧射極電極
113‧‧‧通道區
114‧‧‧平面閘極
116‧‧‧閘極介電層
202‧‧‧集極電極
204‧‧‧P型集極區
205‧‧‧N型場終止層(FSL)
206．．．磊晶層
206a．．．N型區
206b．．．N柱
206c．．．N型區
207．．．P柱
208．．．P型井區
210．．．N型源極區
212．．．射極電極
213．．．通道區
214．．．閘極
216．．．閘極介電層
1904．．．P＋基材
1905．．．N－epi緩衝層
1906．．．上N－epi層
1907．．．P柱
1908．．．體區
1910．．．源極區
2004．．．集極區
2006．．．N－epi層
2007．．．P柱
2008．．．體區
2010．．．源極區
2107．．．P柱
2108．．．體區
2110．．．源極區
2206．．．區域
2207．．．P柱
2208．．．體區
2210．．．源極區
2302．．．集極電極
2304．．．集極區
2305．．．N型場終止層(FSL)
2306a．．．N型區
2306b．．．N柱
2307．．．P柱
2308．．．P型井區
2310．．．源極區
2312．．．射極電極
2314．．．閘極
2316．．．閘極電介質
2407．．．P柱環
2414．．．閘極環
2507．．．P柱
2514．．．閘極線條
第1圖顯示一傳統平面閘極IGBT的橫截面圖；第2圖顯示根據本發明一實施例的一平面閘極超接面IGBT的橫截面圖；第3圖顯示根據本發明一實施例之模擬結果，其中電洞載子濃度係對從第2圖中該超接面IGBT之矽表面之距離來繪製；第4圖顯示模擬結果，其中截止能量(Eoff)係對一傳統IGBT之集極至射極導通狀態電壓Vce(sat)以及具有相似於第2圖之結構的超接面IGBT的兩種情況來繪製；第5-第18圖係顯示本發明示範實施例不同參數對電荷不平衡的敏感度以及不同的權衡表現之模擬結果；第19-第22圖顯示根據本發明實施例不同的超接面IGBT的橫截面圖與對應的摻雜輪廓；第23圖顯示一根據本發明一實施例一溝渠閘極超接面IGBT的橫截面圖；第24圖顯示一根據本發明一實施例一同中心超接面IGBT設計的簡化頂佈局圖；及第25圖顯示一根據本發明一實施例一線條超接面IGBT設計的簡化頂佈局圖。
202．．．集極電極
204．．．P型極極區
205．．．N型場終止層(FSL)
206．．．磊晶層
206a．．．N型區
206b．．．N柱
206c．．．N型區
207．．．P柱
208．．．P型井區
210．．．N型源極區
212．．．射極電極
213．．．通道區
214．．．閘極
216．．．閘極介電層

Claims (27)

  1. 一種絕緣閘極雙極電晶體(IGBT)，包含有：一第一導電型的一集極區；一延伸在該集極區上方的一第二導電型之第一矽區；以交替方式配置在該第一矽區上方的多數個該第一導電型與該第二導電型柱，使得該等多數個該等第二導電型柱之每一者沿著其各個相對側邊和該等多數個該等第一導電型柱之一對應者作直接接觸，每一該第一導電型柱的底面係垂直地與該集極區之頂面隔開；多數個該第一導電型的井區，其延伸在該等多數個第一導電型柱與第二導電型柱上方，該等多數個第一導電型柱之每一者和該等多數個井區之一對應者作接觸；及多數個閘極溝渠，其每一個延伸鄰接於該等多數個井區中之一井區，且包含一閘極電極在其中，其中選擇該等第一導電型柱與第二導電型柱之每一個的實體尺寸與摻雜濃度，以便在每一該第一導電柱中的淨電荷與其相鄰的該第二導電型柱中的淨電荷之間產生電荷不平衡。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之絕緣閘極雙極電晶體，其中該等第一導電型柱之每一個具有一高於該等第二導電型柱之每一個的靜電荷，以至於電荷不平衡在5-25%之範圍。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之絕緣閘極雙極電晶體，其中當該絕緣閘極雙極電晶體被關閉時，少數載子係經由 該等第一導電型柱移動。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之絕緣閘極雙極電晶體，更包含有一延伸在該第一矽區與該集極區之間的第二導電型場終止層，其中該場終止層具有一摻雜濃度與厚度以便防止一於絕緣閘極雙極電晶體操作期間形成的空乏層伸展至該集極區。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之絕緣閘極雙極電晶體，更包含有一延伸在該第一矽區與該集極區之間的第二導電型場終止層，其中該場終止層具有一高於該第一矽區摻雜濃度的摻雜濃度。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之絕緣閘極雙極電晶體，更包含有多數個形成於相鄰於該等多數個閘極溝渠之該等多數個井區中的第二導電型源極區。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之絕緣閘極雙極電晶體，其中每一個該等第一導電型柱中的摻雜濃度係漸次變化的使得沿每一該第一導電型柱的一上部分的摻雜濃度是高於沿一底部之摻雜濃度。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之絕緣閘極雙極電晶體，其中每一個該等第二導電型柱中的摻雜濃度係漸次變化的使得沿每一該第二導電型柱的一上部分的摻雜濃度是低於沿一底部之摻雜濃度。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之絕緣閘極雙極電晶體，其中該等第一導電型柱係配置如同心環。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之絕緣閘極雙極電晶體，其 中該等多數個閘極電極係配置如同心環。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之絕緣閘極雙極電晶體，其中該等多數個閘極電極之各個閘極電極為條狀。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之絕緣閘極雙極電晶體，其中該等第一導電型柱之各柱為條狀。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之絕緣閘極雙極電晶體，其中該等多數個閘極電極之各個閘極電極為條狀且平行於該等條狀的該等第一導電型柱延伸。
  14. 如申請專利範圍第12項所述之絕緣閘極雙極電晶體，其中該等多數個閘極電極之各個閘極電極為條狀且垂直於該等條狀的多個該等第一導電型柱延伸。
  15. 一種形成一絕緣閘極雙極電晶體之方法，該方法包含步驟有：形成一磊晶層在一第一導電型集極區上方，該磊晶層屬於一第二導電型；形成該第一導電型之一第一多數個柱於該磊晶層中以致該磊晶層將該第一多數個柱彼此分隔的部分形成第二多數個柱，於是形成交替的導電型柱，使得該等第二多數個柱之每一者沿著其各個相對側邊和該等第一多數個柱之一對應者作直接接觸，該等第一多數個柱每一個的底面係與該集極區之頂面隔開；形成該第一導電型之一井區於該磊晶層中，該井區延伸在該等第一與第二多數個柱上方且與其電性接觸；形成多數個閘極溝渠，其每一個延伸穿過該井區並終 止在該等第二多數個柱之一內；及形成一閘極電極於每一個閘極溝渠，其中選擇該第一導電型之該等柱與該第二導電型之該等柱之每一個的實體尺寸與摻雜濃度以便在該第一多數個柱每一個中的淨電荷與該等第二多數個柱中之相鄰之柱中的淨電荷之間產生電荷不平衡。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之方法，其中該等第一多數個柱之每一個具有一高於該等第二多數個柱的靜電荷，以至於電荷不平衡為5-25%之範圍。
  17. 如申請專利範圍第15項所述之方法，更包含步驟有：在形成該磊晶層之前，形成該第一導電型的一場終止層在該集極區上方，其中該場終止層具有一摻雜濃度與厚度以便防止於絕緣閘極雙極電晶體操作期間所形成的一空乏層伸展至該集極區。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之方法，其中該場終止層係磊晶形成。
  19. 如申請專利範圍第15項所述之方法，更包含步驟有形成該第二導電型之源極區於該井區中。
  20. 如申請專利範圍第15項所述之方法，其中該第一導電型之該等柱之每一個中的摻雜濃度係漸次變化，使得沿該第一導電型之該等柱之每一個的一上部分之摻雜濃度是高於沿一底部之摻雜濃度。
  21. 如申請專利範圍第15項所述之方法，其中該第二導電型之該等柱之每一個中的摻雜濃度係漸次變化，使得沿 該第二導電型之該等柱之每一個的一上部分之摻雜濃度是高於沿一底部之摻雜濃度。
  22. 如申請專利範圍第15項所述之方法，其中該等第一多數個柱係形成如同心環。
  23. 如申請專利範圍第22項所述之方法，其中該等多數個閘極電極係形成如同心環。
  24. 如申請專利範圍第22項所述之方法，其中該等多數個閘極電極之各個閘極電極為條狀。
  25. 如申請專利範圍第15項所述之方法，其中該等第一多數個柱之各個柱為條狀。
  26. 如申請專利範圍第25項所述之方法，其中該等多數個閘極電極之各個閘極電極為條狀且平行於該等條狀的第一多數個柱延伸。
  27. 如申請專利範圍第25項所述之方法，其中該等多數個閘極電極之各個閘極電極為條狀且垂直於該等條狀的第一導電型柱延伸。
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