具有不連續(xù)p型基區(qū)的溝槽雙極型晶體管的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有不連續(xù)P型基區(qū)的溝槽雙極型晶體管，包括金屬集電極、P型集電極、N型場終止層和N-漂移區(qū)，晶體管頂部的溝槽柵結(jié)構(gòu)由相互接觸的多晶硅柵電極和柵氧化層組成，溝槽柵結(jié)構(gòu)從溝槽中延伸出來，覆蓋住頂部一側(cè)的N-漂移區(qū)，在N-漂移區(qū)的另一側(cè)頂部，還包括P型基區(qū)，金屬發(fā)射極同時接觸N+反射區(qū)和P+接觸區(qū)。其中，溝槽柵結(jié)構(gòu)所包圍的P型基區(qū)沿溝槽的延伸方向被N-漂移區(qū)分割成不連續(xù)的區(qū)域。本發(fā)明在傳統(tǒng)的Trench-FS?IGBT基礎(chǔ)上，用漂移區(qū)把溝槽柵結(jié)構(gòu)所包圍的P型基區(qū)再次分割成各自獨立的不連續(xù)的區(qū)域，進一步提高了器件頂部溝槽兩側(cè)漂移區(qū)的載流子濃度，有效的降低了正向飽和壓降。
【專利說明】具有不連續(xù)P型基區(qū)的溝槽雙極型晶體管
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于功率半導(dǎo)體器件【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)，尤其涉及溝槽雙極型晶體管(Trench IGBT)。
【背景技術(shù)】
[0002]電能轉(zhuǎn)換是現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)和實施節(jié)能減排的主要途徑，因此市場對電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的需求很大而且將持續(xù)增加。電能轉(zhuǎn)換的傳統(tǒng)器件是BJT和GTO等芯片，這些芯片的優(yōu)點是功率大，但是速度慢、能耗大、控制復(fù)雜、安全工作區(qū)受限，不符合信息化和節(jié)能減排的發(fā)展潮流。20世紀80年代發(fā)明的IGBT結(jié)合了大功率和易控制的優(yōu)點，而且無論在導(dǎo)通狀態(tài)還是短路狀態(tài)都可以承受電流沖擊，它的并聯(lián)和串聯(lián)也很容易，因此IGBT成為劃時代的發(fā)明。
[0003]自問世以來，IGBT技術(shù)不斷推陳出新，經(jīng)歷了 PT(穿通)結(jié)構(gòu)，NPT(非穿通)結(jié)構(gòu)和FS (場終止)結(jié)構(gòu)等幾次升級換代，芯片性能大大提高。柵結(jié)構(gòu)也從Planar (平面型)升級到了 Trench (溝槽型)結(jié)構(gòu)。
[0004]本世紀初，英飛凌公司推出了第一款Trench-FS IGBT，其結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示(為了避免圖形重疊，圖1中沒有畫出多晶硅柵和N+發(fā)射區(qū)等區(qū)域，這些區(qū)域可以在縱向剖面結(jié)構(gòu)圖中看到)。其主要特征為，用Trench柵結(jié)構(gòu)把P型基區(qū)包圍，把P型基區(qū)和側(cè)面的N-漂移區(qū)隔開，提高了器件正面的載流子濃度，降低了器件的正向飽和壓降。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是進一步提高晶體管器件頂部的載流子濃度，獲得更低的正向飽和壓降，為此，本發(fā)明提供一種具有不連續(xù)P型基區(qū)的溝槽雙極型晶體管，在傳統(tǒng)的Trench-FS IGBT結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，把trench柵結(jié)構(gòu)所包圍的P型基區(qū)再次分割成各自獨立的區(qū)域，從而進一步提高器件頂部的載流子濃度，獲得更低的正向飽和壓降。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0007]具有不連續(xù)P型基區(qū)的溝槽雙極型晶體管，包括背面的金屬集電極、P型集電極、N型場終止層和N-漂移區(qū)，晶體管頂部具有溝槽柵結(jié)構(gòu)，溝槽柵結(jié)構(gòu)由相互接觸的多晶硅柵電極和柵氧化層組成，多晶硅柵電極和柵氧化層從溝槽中延伸出來，覆蓋住頂部一側(cè)的N-漂移區(qū)，在N-漂移區(qū)的另一側(cè)頂部，還包括P型基區(qū)，P型基區(qū)中具有N+反射區(qū)和P+接觸區(qū)，金屬發(fā)射極同時接觸N+反射區(qū)和P+接觸區(qū)。所述P型基區(qū)是不連續(xù)的，即所述溝槽柵結(jié)構(gòu)所包圍的P型基區(qū)沿溝槽的延伸方向被N-漂移區(qū)分割成不連續(xù)的區(qū)域。
[0008]作為本發(fā)明的進一步改進，所述多晶硅柵電極和柵氧化層從溝槽中延伸出來，還覆蓋住所述不連續(xù)區(qū)域頂部的N-漂移區(qū)。
[0009]作為本發(fā)明的進一步改進，所述的不連續(xù)P型基區(qū)的寬度和間隔距離根據(jù)設(shè)計要求確定。
[0010]作為本發(fā)明的進一步改進，所述的溝槽柵結(jié)構(gòu)所包圍的區(qū)域形狀是條形、圓形、方形或者多邊形。
[0011]本發(fā)明的有益效果如下:
[0012]本發(fā)明在傳統(tǒng)的Trench-FS IGBT基礎(chǔ)上，用漂移區(qū)把P型基區(qū)分割成不連續(xù)的區(qū)域，進一步提高了器件頂部的載流子濃度，降低了正向飽和壓降。同時由于P型基區(qū)和漂移區(qū)是周期性間隔排列的，P型基區(qū)可以屏蔽漂移區(qū)中的電場，因此對器件的耐壓值基本毫無影響。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是現(xiàn)有技術(shù)中的Trench-FS IGBT版圖；
[0014]圖2是圖1中對應(yīng)的A-A’單元連線的縱向剖面結(jié)構(gòu)；
[0015]圖3是本發(fā)明具有不連續(xù)P型基區(qū)的溝槽雙極型晶體管的版圖；
[0016]圖4是圖3中對應(yīng)的A-A’單元連線的縱向剖面結(jié)構(gòu)；
[0017]圖5是圖3中對應(yīng)的B-B’單元連線的縱向剖面結(jié)構(gòu)；
[0018]圖6是本發(fā)明的一種變型結(jié)構(gòu)的版圖；
[0019]圖7是圖6中對應(yīng)的A-A’單元連線的縱向剖面結(jié)構(gòu)；
[0020]圖8是圖6中對應(yīng)的B-B’單元連線的縱向剖面結(jié)構(gòu)。
[0021]圖中:1、金屬發(fā)射極；2、N+反射區(qū)；3、多晶硅柵電極；4、P+接觸區(qū)；5、P型基區(qū)；
6、柵氧化層；7、N-漂移區(qū)；8、N型場終止層；9、P型集電極；10、金屬集電極；11、溝槽。
【具體實施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明，為了避免圖形重疊，圖1、圖3和圖6中沒有畫出多晶硅柵和N+發(fā)射區(qū)等區(qū)域，這些區(qū)域可以在縱向剖面結(jié)構(gòu)圖中看到。
[0023]實施例一:
[0024]本發(fā)明具有不連續(xù)P型基區(qū)的溝槽雙極型晶體管的版圖結(jié)構(gòu)如圖3所示，版圖單元中對應(yīng)的A-A’單元和B-B’單元連線的縱向剖面結(jié)構(gòu)分別如圖4和圖5所示。本發(fā)明具有不連續(xù)P型基區(qū)的溝槽雙極型晶體管包括背面的金屬集電極10、P型集電極9、N型場終止層8和N-漂移區(qū)7。器件頂部具有溝槽柵(即trench柵)結(jié)構(gòu)，trench柵結(jié)構(gòu)由相互接觸的多晶硅柵電極3和柵氧化層6組成。多晶硅柵電極3和柵氧化層6還從溝槽11中延伸出來，覆蓋住頂部一側(cè)的漂移區(qū)7。在圖4所示剖面結(jié)構(gòu)中，漂移區(qū)7的一側(cè)頂部還包括了 P型基區(qū)5，P型基區(qū)5中具有N+反射區(qū)2和P+接觸區(qū)4。金屬發(fā)射極I同時接觸N+反射區(qū)2和P+接觸區(qū)4。在圖5所示剖面結(jié)構(gòu)中，trench柵的兩側(cè)都是N-漂移區(qū)，沒有P型基區(qū)5。
[0025]圖3所示的不連續(xù)P型基區(qū)5可以通過一塊額外的基區(qū)注入光刻版實現(xiàn)。
[0026]實施例二:
[0027]圖6、圖7和圖8所示為本發(fā)明的一種變形結(jié)構(gòu)，該實施例的晶體管和實施例一的晶體管結(jié)構(gòu)相比，可以使用多晶硅柵電極3作為P型基區(qū)5的注入光刻版，形成不連續(xù)的P型基區(qū)，節(jié)省了額外的基區(qū)注入光刻版。圖6和圖3的溝槽11版圖和P型基區(qū)4的版圖相同，但是多晶硅柵電極3的形狀不同(圖6和圖3中都沒有畫出多晶硅柵電極，因此看不出多晶硅柵形狀的不同，需要比較圖8和圖5才能看出多晶硅柵形狀的不同)。圖7和圖4相同。在圖8中，多晶硅柵電極3和柵氧化層6從溝槽11中延伸出來，覆蓋住頂部溝槽11兩側(cè)的漂移區(qū)7，而不是象圖5中只覆蓋住頂部一側(cè)的漂移區(qū)7。這樣的變型結(jié)構(gòu)可以使用多晶硅柵電極3做為P型基區(qū)5的注入光刻版，形成不連續(xù)的P型基區(qū)，節(jié)省了額外的基區(qū)注入光刻版。
[0028]本發(fā)明的工作原理如下:
[0029]和圖1和圖2所示的傳統(tǒng)Trench-FS IGBT結(jié)構(gòu)相比,本發(fā)明被trench柵結(jié)構(gòu)包圍的P型基區(qū)5被再次分割成不連續(xù)的區(qū)域，具體的說就是被漂移區(qū)7分割成了各自獨立的區(qū)域。當IGBT開通時，多晶硅柵電極3加正電壓，因此多晶硅柵3通過柵氧化層6，在漂移區(qū)7內(nèi)部靠近多晶硅柵電極3的位置感應(yīng)出大量的載流子。在傳統(tǒng)的IGBT結(jié)構(gòu)(圖2)中，trench柵結(jié)構(gòu)只能在頂部N-漂移區(qū)一側(cè)提高載流子濃度。而trench柵另一側(cè)的P型基區(qū)5和漂移區(qū)7形成了一個PN結(jié)，這個PN結(jié)具有耗盡層，因此則抑制了這一側(cè)載流子濃度的提高。本發(fā)明提出的圖3版圖中包括圖4和圖5兩種不同的縱向剖面結(jié)構(gòu)。其中圖4和圖2相同。在圖5所示的縱向剖面結(jié)構(gòu)中，trench柵的兩側(cè)都是N-漂移區(qū)7，沒有P型基區(qū)5，因此IGBT開通時，器件溝槽11兩側(cè)的漂移區(qū)7頂部都能達到較高的載流子濃度。綜合對圖4和圖5的分析，可見本發(fā)明的器件結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)的器件結(jié)構(gòu)具有更強的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，降低了正向飽和壓降。
[0030]圖6，圖7和圖8所示的本發(fā)明的一種變型，圖8中trench柵結(jié)構(gòu)的兩側(cè)都是N-漂移區(qū)，沒有P型基區(qū)5，因此IGBT開通時，器件溝槽11兩側(cè)漂移區(qū)7頂部都能達到較高的載流子濃度，降低了正向飽和壓降。
[0031]本發(fā)明在傳統(tǒng)的Trench-FS IGBT基礎(chǔ)上，用漂移區(qū)7把溝槽11包圍的P型基區(qū)5再次分割成不連續(xù)的區(qū)域，提高了器件頂部的載流子濃度，降低了正向飽和壓降。同時由于P型基區(qū)5和漂移區(qū)7是周期性間隔排列的，P型基區(qū)5可以屏蔽漂移區(qū)7中的電場，因此對器件的耐壓值基本毫無影響。
[0032]在上述方案中，圖3和圖6中的LI和L2可以根據(jù)設(shè)計要求而相應(yīng)變化。LI可以在Inm?IOOOum之間選擇。L2可以在Inm?IOOOum之間選擇。如果LI選擇的比較小，比如LI = 0.1um ;同時L2選擇的比較大，比如L2 = IOOum,這種結(jié)構(gòu)會極大的提高器件正面的載流子濃度，降低正向飽和壓降，但是耐壓會降低。反之，如果LI比較大，同時L2比較小，耐壓不會降低，但是同時正向飽和壓降也不會有明顯的改善。
[0033]在上述方案中，trench柵結(jié)構(gòu)所包圍的區(qū)域是條形。在具體實施時，trench柵結(jié)構(gòu)所包圍的區(qū)域也可以是圓形、方形、或者其他多邊形。制作器件時，也可以用碳化硅，氮化鎵等其他半導(dǎo)體代替硅。
[0034]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.具有不連續(xù)P型基區(qū)的溝槽雙極型晶體管，包括背面的金屬集電極(10)、P型集電極(9)、N型場終止層(8)和N-漂移區(qū)(7)，晶體管頂部具有溝槽柵結(jié)構(gòu)，溝槽柵結(jié)構(gòu)由相互接觸的多晶硅柵電極⑶和柵氧化層(6)組成，多晶硅柵電極(3)和柵氧化層(6)從溝槽(11)中延伸出來，覆蓋住頂部一側(cè)的N-漂移區(qū)(7)，在N-漂移區(qū)(7)的另一側(cè)頂部，還包括P型基區(qū)(5)，P型基區(qū)(5)中具有N+反射區(qū)⑵和P+接觸區(qū)(4)，金屬發(fā)射極⑴同時接觸N+反射區(qū)⑵和P+接觸區(qū)⑷；其特征在于:所述P型基區(qū)(5)是不連續(xù)的，即所述溝槽柵結(jié)構(gòu)所包圍的P型基區(qū)(5)沿溝槽(11)的延伸方向被N-漂移區(qū)(7)分割成不連續(xù)的區(qū)域。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有不連續(xù)P型基區(qū)的溝槽雙極型晶體管，其特征在于:所述多晶硅柵電極(3)和柵氧化層(6)從溝槽(11)中延伸出來，還覆蓋住所述不連續(xù)區(qū)域頂部的N-漂移區(qū)(7)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的具有不連續(xù)P型基區(qū)的溝槽雙極型晶體管，其特征在于:所述的不連續(xù)P型基區(qū)(5)的寬度和間隔距離根據(jù)設(shè)計要求確定。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的具有不連續(xù)P型基區(qū)的溝槽雙極型晶體管，其特征在于:所述的溝槽柵結(jié)構(gòu)所包圍的區(qū)域形狀是條形、圓形、方形或者多邊形。
【文檔編號】H01L29/739GK103928509SQ201410185538
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年5月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月4日
【發(fā)明者】李宇柱 申請人:常州中明半導(dǎo)體技術(shù)有限公司