專利名稱：具有絕緣柵半導(dǎo)體元件的半導(dǎo)體器件和絕緣柵雙極晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有絕緣柵半導(dǎo)體元件的半導(dǎo)體器件和一種絕緣柵雙 極晶體管。
背景技術(shù)：
諸如溝槽柵極型晶體管和IGBT的絕緣柵半導(dǎo)體器件充當(dāng)著具有溝槽柵 極結(jié)構(gòu)的高擊穿電壓絕緣柵半導(dǎo)體器件。圖17和18示出了 JP-A-2006-49455中公開的IGBT。每個IGBT包括在P型基極區(qū)102中選擇 性地形成的用于接觸發(fā)射極電極的N+型發(fā)射極區(qū)101。在除發(fā)射極區(qū)101之 外的區(qū)域中形成虛設(shè)(dummy)溝槽103。從而，均勻地形成多個溝槽。具 體而言，發(fā)射極區(qū)101不是形成于整個基極區(qū)102中而是形成于基極區(qū)102 的一部分中。溝槽105形成于基極區(qū)102的一部分中。在溝槽105中形成 柵電極104，從而將柵極電壓施加到柵電極104。在基極區(qū)102的另一部分 中不形成發(fā)射極區(qū)102。不過，在基極區(qū)102的另一部分中形成虛設(shè)溝槽 103。在虛設(shè)溝槽103中形成虛設(shè)柵電極106。
因此，在基極區(qū)102中選擇性地形成發(fā)射極區(qū)101，從而促進基極區(qū) 102中的電導(dǎo)率調(diào)制。這里，基極區(qū)102具有高電阻。因此，大大減少了供 電損耗。由于形成了虛設(shè)溝槽103，因此提高了擊穿電壓。供電損耗和擊穿 電壓都得到改善。在該IGBT中，為了穩(wěn)定虛設(shè)柵電極106的電勢，如圖17 所示，將虛設(shè)柵電極106連接到發(fā)射極電極E?；蛘撸鐖D18所示，虛設(shè) 柵電極106可以連接到柵電極104。
然而，當(dāng)虛設(shè)溝槽103中的虛設(shè)柵電極106連接到發(fā)射極電極E或柵 電極104時，出現(xiàn)了以下難題。
當(dāng)虛設(shè)柵電極106連接到柵電極104時，柵極G和集電極C之間的電 容變大，使得開關(guān)損耗變大。此外，當(dāng)虛設(shè)柵電極106連接到發(fā)射極電極E 時，柵極G和發(fā)射極E之間的電容增大，使得開關(guān)浪涌電壓變大。
7此外，功率半導(dǎo)體器件中的溝槽柵極IGBT利用M0S柵極驅(qū)動方法工作， 使得器件的可控制性非常高。此外，在IGBT中進行雙極操作，由此飽和電 壓相對較低。因此，IGBT用于很多種應(yīng)用。由于該功率器件被用作非接觸 開關(guān)，因此其優(yōu)選具有小的生成損耗。IGBT需要具有小的飽和電壓和低開 關(guān)損耗。IGBT的飽和電壓和IGBT的開關(guān)損耗，即截止損耗之間的關(guān)系是平 衡(trade-off)的關(guān)系。通常，這種平衡關(guān)系表示一種平衡的特性，其展 示了功率器件中生成的損耗的指標(biāo)。于是，需要改善這種平衡特性。此外， 器件還需要降低電磁噪聲。為了減小電磁噪聲，必需要降低截止時的電壓 下降速度(即dV/dt)和電流增大的加速度(即dlc/dt)。然而，當(dāng)dV/dt 和dlc/dt減小時，開關(guān)損耗增大。因此難以既降低電磁噪聲又降低開關(guān)損 耗。通常，導(dǎo)通損耗和電磁噪聲具有一種平衡的關(guān)系。這里，為了減小電 磁噪聲，重要的是在導(dǎo)通器件時從硬開關(guān)變?yōu)檐涢_關(guān)而不增加導(dǎo)通損耗。 即，dlc/dt的波形從大變到小。
關(guān)于IGBT導(dǎo)通時的電磁噪聲，眾所周知，在以等于額定電流十分之一 的小電流導(dǎo)通IGBT的情況下，器件特性對電磁噪聲影響很大。具體而言， 產(chǎn)生頻率在等于或大于30MHz范圍的電磁噪聲的原因可能涉及到具有高頻 分量的高電壓下降速度。因此，為了在不產(chǎn)生電磁噪聲的閾值之內(nèi)進行切 換時維持dV/dt，要控制柵極電阻，從而使導(dǎo)通時的主電流增大速率(即 dlc/dt)是有限的。
在僅有柵極電阻增大時，IGBT導(dǎo)通時，IGBT的導(dǎo)通損耗會增大。于是， 在柵極電阻增大時，導(dǎo)通時電流增大速率降低，電壓拖尾也增大。于是開 關(guān)損耗增大。因此，在溝槽型IGBT的特性中，優(yōu)選柵極電阻相對較小，且 dlc/dt充分小。
圖31中示出了溝槽型IGBT。該N溝道型IGBT包括在硅襯底表面上具 有條形圖案的溝槽柵極結(jié)構(gòu)。圖31為截面圖，沿著平行于條形圖案且垂直 于硅襯底的方向示出了 IGBT。在圖31中，該IGBT包括具有小雜質(zhì)濃度的 N型基極層201、具有高雜質(zhì)濃度且設(shè)置于基極層201主表面上的P型集電 極層202，以及設(shè)置于基極層201另一主表面上的P型溝道區(qū)203a。在溝 道區(qū)3a表面部分中選擇性地形成N+型發(fā)射極區(qū)204。從發(fā)射極區(qū)側(cè)上的表 面開始形成溝槽205a,穿透溝道區(qū)203a并抵達基極層201。隔著絕緣膜206在溝槽205中形成柵電極207a。柵電極207a由導(dǎo)電多晶硅制成。形成該器 件的一種方法是這樣的在溝道區(qū)203a的表面上形成溝槽205a，在溝槽 205a中形成柵極絕緣膜，并在溝槽205a中填充柵電極207a，然后形成發(fā) 射極區(qū)204。此外，形成層間絕緣膜20以覆蓋柵電極207a。此外，在層間 絕緣膜208上方形成由金屬膜制成的發(fā)射極電極210。發(fā)射極電極210接觸 發(fā)射極區(qū)204的表面和溝道區(qū)203a的表面。通常，溝槽型IGBT包括具有 高雜質(zhì)濃度且設(shè)置于溝道區(qū)203a表面的一部分上的P型主體區(qū)209，從而 改善了對閂鎖效應(yīng)的抗擾性。在基極層201和集電極層202之間形成具有 中等雜質(zhì)濃度的N型緩沖區(qū)或場停止區(qū)211。緩沖區(qū)或場停止區(qū)211由Se 制成。此外，可以在硅襯底上形成保護膜。保護膜由氮化硅膜、非晶硅膜 或聚酰亞胺膜制成。在集電極層202的表面上形成由金屬膜制成的集電極 電極220。
下面將介紹IGBT導(dǎo)通的操作。在IGBT截止時，發(fā)射極電極210接地， 電壓被施加到集電極電極220，因為基極層201和溝道區(qū)203a提供了一個 反向偏置的PN結(jié)，從而當(dāng)電壓小于反向擊穿電壓時IGBT表現(xiàn)為阻斷狀態(tài)。 在這種情況下，當(dāng)向柵電極207a施加高于閾值電壓的電壓時，從柵極驅(qū)動 電路經(jīng)由柵極電阻在柵電極207a中累積電荷。同時，沿著溝槽側(cè)壁在溝道 區(qū)203a的表面部分中形成了從P型切換到N型的N型溝道。N型溝道設(shè)置 于發(fā)射極區(qū)204和基極層201之間，發(fā)射極區(qū)204暴露于溝槽205a的側(cè)壁 上。溝道區(qū)203a通過柵極絕緣膜206而接觸柵電極207a。在形成N型溝道 時，N型溝道中的反向偏置結(jié)消失，電子通過發(fā)射極電極210、發(fā)射極區(qū)204 和溝道區(qū)203a中的N型溝道注入基極層201中。當(dāng)電子注入基極層201中 時，正向電壓施加到集電極層202和基極層201之間的PN結(jié)，使得作為少 數(shù)載流子的空穴從集電極層202注入基極層201中。當(dāng)空穴注入基極層201 時，作為多數(shù)載流子的電子的電子濃度增大，以保持基極層201中載流子 的中性，由此減小了基極層201的電阻。這里將這種現(xiàn)象稱為電導(dǎo)率調(diào)制。 在這種情況下，如果集電極電極220和發(fā)射極電極210之間流動的電流導(dǎo) 致的電壓降基本等于集電極層202和發(fā)射極區(qū)204之間形成的二極管的導(dǎo) 通態(tài)電壓，貝ljIGBT的導(dǎo)通態(tài)電壓表現(xiàn)為理想電壓。
接下來，為了將IGBT從導(dǎo)通態(tài)切換到截止態(tài)，將發(fā)射極電極210和柵
9電極207a之間的電壓降低到小于閾值。此時，柵電極207a中累積的電荷 通過柵極電阻器釋放到柵極驅(qū)動電路，將反轉(zhuǎn)為N型的溝道切換到P型， 使得IGBT中不存在溝道了。于是，電子供應(yīng)停止，來自集電極層202的空 穴注入也停止。然而，電流繼續(xù)流動，直到基極層201中的電子完全傳輸 到集電極電極220且基極層201中的空穴完全傳輸?shù)桨l(fā)射極電極210，或直 到電子和空穴完全復(fù)合從而它們消失掉。在累積的電子和累積的空穴消失 后，電流停止流動。
在溝槽型IGBT中，為了降低導(dǎo)通態(tài)電阻，執(zhí)行各種方法。例如，IEGT (即注入增強柵極雙極晶體管)具有最優(yōu)異且最接近二極管導(dǎo)通態(tài)電壓最 高極限的特性。在如圖12所示的IEGT中，單元中發(fā)射極區(qū)204主表面的 一部分和溝道區(qū)203a主表面的一部分被層間絕緣層208覆蓋，因此這些區(qū) 域203a、 208不接觸發(fā)射極電極。IEGT的工作類似于溝槽型IGBT。發(fā)射極 區(qū)204的一部分和溝道區(qū)203a的一部分不接觸發(fā)射極電極210， P型溝道 區(qū)203a下方部分中的空穴不被釋放到發(fā)射極電極210，因此空穴累積于該 部分中。于是，基極層201的載流子濃度分布變得接近二極管的載流子濃 度分布。于是，IEGT的導(dǎo)通態(tài)電壓小于IGBT的導(dǎo)通態(tài)電壓(在 JP-A-H05-243561中有所披露)。此外，為了改善導(dǎo)通態(tài)電壓和開關(guān)特性， 在JP-A-2000-228519中公開了一種溝槽型IGBT，其中增大了發(fā)射極電極側(cè) 的累積載流子濃度。
功率器件需要具有低的導(dǎo)通態(tài)電壓和高速開關(guān)特性。還需要改善導(dǎo)通 態(tài)電壓和開關(guān)特性。然而，在溝槽型IGBT和IEGT中溝槽結(jié)構(gòu)被形成為具 有高密度，因此它們具有低導(dǎo)通態(tài)電壓。因此，柵電極和發(fā)射極電極之間 的電容增大，使得開關(guān)特性降低。因此開關(guān)損耗增大。在這種情況下，低 導(dǎo)通態(tài)電壓和低開關(guān)損耗或高速開關(guān)特性與平衡關(guān)系有關(guān)。于是，難以既 改善導(dǎo)通態(tài)電壓又改善開關(guān)特性。
此外，通常，在器件切換時具有高速開關(guān)特性的器件波形硬，使得器 件具有硬開關(guān)特性。器件中容易產(chǎn)生電磁噪聲。于是，難以形成諸如具有 軟開關(guān)特性的IGBT的功率器件，軟開關(guān)特性使得器件表現(xiàn)出軟波形，從而 降低電磁噪聲并具有高速開關(guān)特性。
如上所述，在IGBT從導(dǎo)通狀態(tài)切換到截止?fàn)顟B(tài)時，必需要對柵電極和
10發(fā)射極電極之間的電容充電和放電。當(dāng)電容大時，充電和放電時間增加， 從而損耗增大。此外，必需要具有大的柵極驅(qū)動電路。功率器件中的損耗 是導(dǎo)通態(tài)電壓界定的穩(wěn)態(tài)損耗與導(dǎo)通和截止時的開關(guān)損耗之和。重要的是 降低導(dǎo)通態(tài)電壓和降低開關(guān)損耗，B卩，降低柵電極和發(fā)射極電極之間的電
容。圖29中示出了導(dǎo)通態(tài)電壓低且柵電極和發(fā)射極電極之間的電容低的半 導(dǎo)體器件。該器件具有P型溝道區(qū)，該溝道區(qū)具有不帶N+型發(fā)射極區(qū)的P 型區(qū)域。此外，P型區(qū)域不連接到發(fā)射極電極，使得P型區(qū)域被隔離開。P 型區(qū)域處于浮置狀態(tài)。該器件為溝槽型IEGT，這公開于JP-A-2001-308327 中。此外，在JP-A-H09-139510中公開了用于功率源的溝槽型半導(dǎo)體器件。 該器件具有低導(dǎo)通態(tài)電壓和低穩(wěn)態(tài)損耗。此外，圖33示出了一種導(dǎo)通態(tài)電 壓低、柵電極和發(fā)射極電極之間的電容低且擊穿電壓高的溝槽型半導(dǎo)體器 件。該器件公開于JP-A-2003-188382和JP-A-2006-49455中。作為比較， 圖30和34還示出了根據(jù)相關(guān)技術(shù)的導(dǎo)通態(tài)電壓低、柵電極和發(fā)射極電極 之間的電容低且擊穿電壓高的溝槽型半導(dǎo)體器件。
然而，在圖29-34中所示的溝槽型IGBT和以上參考文獻所公開的溝槽 型IGBT和IEGT中，擊穿電壓可能是低的。或者，由于這些器件具有硬開 關(guān)特性，因此在器件中容易產(chǎn)生電磁噪聲。難以提高IGBT和IEGT中的擊 穿電壓的原因是在器件截止時(即在沒有電壓施加到器件時)硅襯底中的 電場分布是不均勻的。于是，電場集中在溝槽柵極的底部，使得器件可能 會在低于技術(shù)指標(biāo)擊穿電壓的電壓下被擊穿。器件具有硬開關(guān)特性的原因 是柵極和集電極之間的電容與柵極和發(fā)射極之間的電容之比小。
因此，需要將導(dǎo)通態(tài)電壓降到等于IEGT的導(dǎo)通態(tài)電壓并降低開關(guān)損耗， 并具有高的擊穿電壓。此外，需要具有軟開關(guān)特性。
發(fā)明內(nèi)容
考慮到上述問題，本公開內(nèi)容的目的是提供一種具有絕緣柵半導(dǎo)體元 件的半導(dǎo)體器件。本公開內(nèi)容的另一目的是提供一種絕緣柵雙極晶體管。
根據(jù)本公開內(nèi)容的第一方面， 一種具有絕緣柵半導(dǎo)體元件的半導(dǎo)體器 件包括具有第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體襯底；具有第二導(dǎo)電類型且設(shè)置于所 述襯底上的漂移層；具有所述第一導(dǎo)電類型且設(shè)置于所述漂移層上的基極層；多個穿透所述基極層且抵達所述漂移層的溝槽，其中所述基極層被多 個溝槽分成多個基極部分，且每個溝槽沿第一方向延伸；具有第二導(dǎo)電類 型的發(fā)射極區(qū)，其設(shè)置于所述基極部分的一個中且接觸對應(yīng)溝槽的側(cè)壁； 隔著絕緣膜設(shè)置于每個溝槽中的柵極元件；與所述發(fā)射極區(qū)電耦合的發(fā)射 極電極；以及設(shè)置于所述襯底背側(cè)上的集電極電極，其中所述集電極電極 與所述漂移層相對。每個基極部分沿第一方向延伸，從而多個基極部分彼 此平行?；鶚O部分中的所述一個提供其中設(shè)置發(fā)射極區(qū)的溝道層，基極部 分中的另一個提供其中不設(shè)置發(fā)射極區(qū)的浮置層。以預(yù)定次序重復(fù)設(shè)置溝 道層和浮置層，使得溝道層數(shù)量和浮置層數(shù)量之比恒定。柵極元件包括柵 電極和虛設(shè)柵電極。柵電極設(shè)置于接觸溝道層的相應(yīng)溝槽中，虛設(shè)柵電極 設(shè)置于接觸浮置層的另一溝槽中。浮置層包括隔著柵電極與溝道層相鄰的 第一浮置層以及隔著虛設(shè)柵電極遠離溝道層的第二浮置層。虛設(shè)柵電極和 第一浮置層與沿著垂直于第一方向的第二方向延伸并設(shè)置于基極層上的第 一浮置布線電耦合。虛設(shè)柵電極與第二浮置層電隔離。
由于虛設(shè)柵電極電連接到第一浮置層，因此開關(guān)浪涌電壓和開關(guān)損耗 得到平衡。此外，由于浮置層連接到不同布線，因此均勻地執(zhí)行器件操作， 由此改善了器件的擊穿電壓。
根據(jù)本公開的第二方面， 一種具有絕緣柵半導(dǎo)體元件的半導(dǎo)體器件包 括具有第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體襯底；具有第二導(dǎo)電類型且設(shè)置于所述襯 底上的漂移層；具有所述第一導(dǎo)電類型且設(shè)置于所述漂移層上的基極層； 多個穿透所述基極層且抵達所述漂移層的溝槽，其中所述基極層被多個溝 槽分成多個基極部分，且每個溝槽沿第一方向延伸；具有第二導(dǎo)電類型的 發(fā)射極區(qū)，其設(shè)置于所述基極部分的一個中且接觸對應(yīng)溝槽的側(cè)壁；隔著 絕緣膜設(shè)置于每個溝槽中的柵極元件；與所述發(fā)射極區(qū)電耦合的發(fā)射極電 極；以及設(shè)置于所述襯底背側(cè)上的集電極電極，其中所述集電極電極與所 述漂移層相對。每個基極部分沿第一方向延伸，從而多個基極部分彼此平 行?；鶚O部分中的所述一個提供其中設(shè)置發(fā)射極區(qū)的溝道層，基極部分的 另一個提供其中不設(shè)置發(fā)射極區(qū)的浮置層。以預(yù)定次序重復(fù)設(shè)置溝道層和 浮置層，使得溝道層數(shù)量和浮置層數(shù)量之比恒定。柵極元件包括柵電極和 虛設(shè)柵電極。柵電極設(shè)置于接觸溝道層的相應(yīng)溝槽中，虛設(shè)柵電極設(shè)置于
12接觸浮置層的另一溝槽中。浮置層包括隔著柵電極與溝道層相鄰的第一浮 置層。虛設(shè)柵電極包括隔著絕緣膜與第一浮置層相鄰的第一虛設(shè)柵電極。 第一虛設(shè)柵電極和第一浮置層與沿著垂直于第一方向的第二方向延伸并設(shè) 置于基極層上的第一浮置布線電耦合。
在以上器件中，開關(guān)浪涌電壓和開關(guān)損耗得到平衡。此外，器件操作 得到均勻執(zhí)行，由此改善了器件的擊穿電壓。
根據(jù)本公開的第三方面， 一種溝槽柵極型絕緣柵雙極晶體管包括:具 有第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體襯底；具有第二導(dǎo)電類型且設(shè)置于襯底第一側(cè)上 的溝道區(qū)，其中所述溝道區(qū)包括第一溝道區(qū)和第二溝道區(qū)；具有所述第一 導(dǎo)電類型且設(shè)置于所述第一溝道區(qū)的表面部分中的發(fā)射極區(qū)；多個穿透所 述溝道區(qū)且抵達所述襯底的溝槽，其中多個溝槽包括第一溝槽和第二溝槽， 其中所述第一溝道區(qū)僅接觸所述第一溝槽，所述第二溝道區(qū)接觸所述第二 溝槽；隔著絕緣膜設(shè)置于所述第一溝槽中的柵電極；隔著所述絕緣膜設(shè)置 于所述第二溝槽中的嵌入電極，其中所述嵌入電極與所述柵電極電隔離； 以及與所述發(fā)射極區(qū)和所述第一溝道區(qū)都電耦合的發(fā)射極電極，其中所述 發(fā)射極電極隔著所述絕緣膜覆蓋所述柵電極、所述嵌入電極和所述第二溝 道區(qū)，使得所述發(fā)射極電極與所述柵電極、所述嵌入電極和所述第二溝道 區(qū)電隔離。嵌入電極至少電耦合夾在第一溝槽和第二溝槽之間的第二溝道 區(qū)。
在以上晶體管中，導(dǎo)通態(tài)電壓低，幾乎等于IEGT的導(dǎo)通態(tài)電壓。此外， 該晶體管具有低開關(guān)損耗、高擊穿電壓和軟開關(guān)特性。
通過參考附圖所作的以下詳細說明，本發(fā)明的上述和其他目的、特征 和優(yōu)點將變得更加明顯。在附圖中
圖1為示出了根據(jù)第一實施例的半導(dǎo)體器件的截面圖2為示出了圖1中的半導(dǎo)體器件的另一截面圖3為示出了圖1中的半導(dǎo)體器^^的頂視圖4為示出了圖1中的半導(dǎo)體器件的局部透視圖5為示出了根據(jù)第二實施例的半導(dǎo)體器件的截面圖；圖6為示出了圖5中的半導(dǎo)體器件的另一截面圖7為示出了圖5中的半導(dǎo)體器件的另一截面圖8為示出了圖5中的半導(dǎo)體器件的另一截面圖9為示出了圖5中的半導(dǎo)體器件的另一截面圖10為示出了圖5中的半導(dǎo)體器件的另一截面圖11為示出了圖5中的半導(dǎo)體器件的頂視圖12為示出了根據(jù)第三實施例的半導(dǎo)體器件的頂視圖13為示出了根據(jù)第四實施例的半導(dǎo)體器件的頂視圖14為示出了根據(jù)第一實施例的變型的半導(dǎo)體器件的頂視圖15為示出了根據(jù)第一實施例的另一變型的半導(dǎo)體器件的頂視圖16為示出了圖14中的半導(dǎo)體器件的截面圖17為截面圖，示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的具有連接到柵電極的虛設(shè)柵電 極的半導(dǎo)體器件；
圖18為截面圖，示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的具有連接到發(fā)射極電極的虛設(shè) 柵電極的半導(dǎo)體器件；
圖19為截面圖，示出了根據(jù)相關(guān)技術(shù)的具有連接到浮置層的虛設(shè)柵電 極的半導(dǎo)體器件；
圖20為示出了根據(jù)第五實施例的溝槽型IGBT的平面圖21為截面圖，示出了沿圖20中的線XXI-XXI截取的器件；
圖22為示出了根據(jù)第六實施例的溝槽型IGBT的截面圖23為曲線圖，示出了在向嵌入電極施加電荷且嵌入電極處于浮置狀 態(tài)時溝槽型IGBT的靜態(tài)電流-電壓特性；
圖24A為曲線圖，示出了具有不同表面結(jié)構(gòu)的各種溝槽型IGBT的靜態(tài) 電流-電壓特性，而圖24B為示出了各種IGBT中VCEmax和△ Vce的示意圓；
圖25為曲線圖，示出了具有不同表面結(jié)構(gòu)的各種IGBT中的截止波形;
圖26A和26B為曲線圖，示出了在小電流情況下連接到各種具有不同 表面結(jié)構(gòu)的IGBT的FWD (續(xù)流二極管)的反向恢復(fù)特性；
圖27A和27B為曲線圖，示出了在大電流情況下連接到各種具有不同 表面結(jié)構(gòu)的IGBT的FWD (續(xù)流二極管)的反向恢復(fù)特性；
圖28為曲線圖，示出了具有不同表面結(jié)構(gòu)的各種IGBT中的導(dǎo)通波形;
14圖29為示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的IGBT的截面圖；圖30為示出了根據(jù)相關(guān)技術(shù)的另一 IGBT的截面圖；圖31為示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的另一 IGBT的截面圖；圖32為示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的另一 IGBT的截面圖；圖33為示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的另一IGBT的截面圖；以及圖34為示出了根據(jù)相關(guān)技術(shù)的另一 IGBT的截面圖。
具體實施例方式
在一些器件中，需要具有中等的開關(guān)浪涌電壓和中等的開關(guān)損耗。為了實現(xiàn)這一要求，發(fā)明人預(yù)先研究了如圖19所示的器件，其中虛設(shè)溝槽103中的虛設(shè)柵電極106可以連接到浮置層107。圖19示出根據(jù)相關(guān)技術(shù)的該器件，作為比較。
然而，當(dāng)虛設(shè)柵電極106連接到浮置層107時，浮置層107的電勢變得不平衡，使得電流可能會集中在其間的連接部分和遠離該連接部分的另一部分。于是降低了器件的擊穿電壓。例如，當(dāng)以條紋方式設(shè)置多個虛設(shè)溝槽103時，浮置層107設(shè)置于相鄰兩個虛設(shè)溝槽103之間。于是，設(shè)置于虛設(shè)溝槽103和浮置層107上的一根配線(wiring line)將虛設(shè)柵電極106和浮置層107電連接起來。在這種情況下，必需要增大連接到發(fā)射極區(qū)101的發(fā)射極電極的面積。相應(yīng)地，連接虛設(shè)柵電極106和浮置層107的配線變細。浮置層107接近浮置層107和配線之間的連接部分的一部分與配線具有相同的電勢。然而，浮置層107遠離浮置層107和配線之間的連接部分的另一部分具有不同的電勢。例如，隨著沿浮置層107的延伸方向，即沿圖19中的垂直方向距配線的距離變大，浮置層107的電勢差變大。于是，由于浮置層107沿浮置層107的延伸方向的電勢差變大，在切換時會出現(xiàn)操作不平衡。于是，電流集中在特定部分，從而降低了器件的擊穿電壓。
于是，需要降低兩個浮置層之間的電勢差，從而改善電流集中導(dǎo)致的擊穿電壓的降低。(第一實施例)
圖1示出了沿圖3中的線I-1截取的具有IGBT的半導(dǎo)體器件。圖2示出了沿圖3中的線n-n截取的器件。盡管圖3不是截面圖，但圖3中有 陰影區(qū)域，以便于理解該結(jié)構(gòu)。
在具有主表面的P+型襯底1中形成IGBT。襯底1具有高雜質(zhì)濃度。通 過外延生長方法在襯底1的主表面上形成N"型漂移層2。漂移層2具有低于 襯底1的低雜質(zhì)濃度。
在漂移層2的表面部分中形成具有預(yù)定厚度的P型基極區(qū)3。在襯底1 上形成多個溝槽4，使得每個溝槽4穿透基極區(qū)3并抵達漂移層2。基極區(qū) 3被溝槽4分成多個基極部分。具體而言，以預(yù)定間隔設(shè)置溝槽。每個溝槽 4都沿著垂直于圖1和2圖面的方向延伸。溝槽4彼此平行延伸。如圖4所 示，溝槽4的一端彎曲，使得對應(yīng)的兩個溝槽彼此連接。從而兩個溝槽提 供了環(huán)狀結(jié)構(gòu)。在圖4中，三個環(huán)提供一個單元，從而形成三環(huán)結(jié)構(gòu)?；?者，可以兩個環(huán)或超過三個環(huán)提供一個單元。相鄰的兩個溝槽4沿著溝槽4 的縱向彼此平行延伸。溝槽4包括最外側(cè)溝槽4a、第一內(nèi)側(cè)溝槽4b和第二 內(nèi)側(cè)溝槽4c。最外側(cè)溝槽4a設(shè)置于單元的最外側(cè)上，第一內(nèi)側(cè)溝槽4b設(shè) 置于最外側(cè)溝槽4a向內(nèi)一個溝槽的內(nèi)側(cè)上，第二內(nèi)側(cè)溝槽4c設(shè)置于第一 內(nèi)側(cè)溝槽4b向內(nèi)一個溝槽的內(nèi)側(cè)上。這里，在圖4中，第二內(nèi)側(cè)溝槽4c 提供設(shè)置于單元最內(nèi)側(cè)上的最內(nèi)側(cè)溝槽4c。于是，最外側(cè)溝槽4a、第一和 第二內(nèi)側(cè)溝槽4b、 4c形成多環(huán)結(jié)構(gòu)。
基極區(qū)3設(shè)置于兩個相鄰的最外側(cè)溝槽4a之間?；鶚O區(qū)3提供了用于 形成溝道區(qū)的P型溝道層3a。在溝道層3a的表面部分中形成N+型發(fā)射極區(qū) 5。
發(fā)射極區(qū)5具有比漂移層2高的高雜質(zhì)濃度。發(fā)射極區(qū)5在基極區(qū)3 中具有底部，使得發(fā)射極區(qū)5完全設(shè)置于基極區(qū)3中。此外，發(fā)射極區(qū)5 接觸最外側(cè)溝槽4a的側(cè)壁。具體而言，發(fā)射極區(qū)5沿著最外側(cè)溝槽4a的 縱向延伸。發(fā)射極區(qū)5具有棒形。發(fā)射極區(qū)5具有未抵達最外側(cè)溝槽4a的 彎曲部分的端，使得發(fā)射極區(qū)5終止于最外側(cè)溝槽4a的彎曲端的內(nèi)側(cè)上。 因此，設(shè)置于發(fā)射極區(qū)5兩側(cè)上的最外側(cè)溝槽4a提供了形成溝槽的柵電極。 第一和第二內(nèi)側(cè)溝槽4b、 4c提供了虛設(shè)溝槽。
具體而言，在溝槽4的內(nèi)壁上形成柵極絕緣膜6。經(jīng)由柵極絕緣膜6在 溝槽4中形成柵電極7a-7c。柵電極7a-7c由摻雜多晶硅等制成。如圖1-3
16所示，設(shè)置于最外側(cè)溝槽4a中的柵電極7a電連接到柵極布線11。經(jīng)由柵極布線11向柵電極7a施加?xùn)艠O電壓。第一和第二內(nèi)側(cè)溝槽4b、 4c中的虛設(shè)柵電極7b、 7c連接到第一浮置布線12。第一浮置布線12連接到第一浮置層3b。第一浮置層3b由夾在最外側(cè)溝槽4a和第一內(nèi)側(cè)溝槽4b之間的基極區(qū)3提供。第二浮置層3c由夾在第一內(nèi)側(cè)溝槽4b和第二內(nèi)側(cè)溝槽4c之間的基極區(qū)3提供。第二浮置層3c連接到第二浮置布線13。此外，設(shè)置于第二內(nèi)側(cè)溝槽4c內(nèi)側(cè)上的基極區(qū)3提供第三浮置層3d。第三浮置層3d連接到第三浮置布線14。
可以通過任何方式將第一到第三浮置布線12-14、虛設(shè)柵電極7b、 7c以及第一和第二浮置層3b、 3c彼此電耦合，只要布線、電極和層不短路即可。在本實施例中，由圖2所示的結(jié)構(gòu)執(zhí)行與第二浮置布線13的電連接。
在圖2中，絕緣層8覆蓋浮置層3b-3d的表面。用于提供虛設(shè)柵電極7b、 7c的摻雜多晶硅層9延伸到第二和第三浮置層3c、 3d，使得摻雜多晶硅層9設(shè)置于第二和第三浮置層3c、 3d上。于是，虛設(shè)柵電極7b、 7c經(jīng)由摻雜硅層9而彼此電連接。層間絕緣膜10使器件的各部分絕緣。在層間絕緣膜10中形成接觸孔10a、 10b。通過通孔10a、 10b暴露摻雜多晶硅層9的一部分和第一浮置層3b的一部分。第一浮置布線12設(shè)置于摻雜多晶硅層9的該部分和第一浮置層3b的該部分上。于是，虛設(shè)柵電極7b、 7c、第一浮置層3b和第一浮置布線12彼此電連接。
虛設(shè)柵電極7b、 7c經(jīng)由第一浮置布線12電連接到第一浮置層3b。第二浮置層3c電連接到第二浮置布線13，第三浮置層3d電連接到第三浮置布線14?；蛘撸撈骷梢圆痪哂械诙≈貌季€13和第三浮置布線14。在這種情況下，第二浮置層3c和第三浮置層3d處于浮置狀態(tài)。
將第一到第三浮置布線12-14、連接到發(fā)射極區(qū)5的發(fā)射極電極15以及連接到柵電極7a的柵極布線11設(shè)置為垂直于溝槽4的縱向。具體而言，將發(fā)射極電極15設(shè)置成覆蓋區(qū)域?qū)挼膯卧膬?nèi)側(cè)。第三浮置布線14、第二浮置布線13、第一浮置布線12和柵極布線11彼此平行，并按照該順序設(shè)置在溝槽4的彎曲部分上，即溝槽4的端部上。第三浮置布線14、第二浮置布線13、第一浮置布線12和柵極布線11具有線性形狀。
第一浮置布線12經(jīng)由層間絕緣膜10中的接觸孔10b電連接到形成于絕緣膜8上的摻雜多晶硅層9。此外，第一浮置布線12經(jīng)由層間絕緣膜10中的通孔10a電連接到第一浮置層3b。第二浮置布線13經(jīng)由形成于層間絕緣膜10中的接觸孔10c電連接到第二浮置層3c。第三浮置布線14經(jīng)由形成于層間絕緣膜10中的接觸孔10d電連接到第三浮置層3d。柵極布線11經(jīng)由層間絕緣膜10中的接觸孔10e電連接到形成于絕緣膜8上的摻雜多晶硅層9。發(fā)射極電極15經(jīng)由形成于層間絕緣膜10中的接觸孔10f電連接到發(fā)射極區(qū)5和P型溝道層3a。
在襯底1的背側(cè)上形成集電極電極16。于是，完成了具有IGBT的半導(dǎo)體器件。
在該器件中，柵電極7a電連接到施加了柵極電壓的柵極布線11。虛設(shè)柵電極7b、 7c電連接到第一浮置布線12，第一浮置布線12連接到第一浮置層3b。此外，第二浮置層3c電連接到第二浮置布線13。此外，第三浮置層3d電連接到第三浮置布線14。
由于虛設(shè)柵電極7b、 7c電連接到第一浮置層3b，因此開關(guān)浪涌電壓和開關(guān)損耗得到平衡。
第一到第三浮置層3b-3d未連接到同一布線，而是連接到不同的布線。因此，在器件截止時，第一到第三浮置層3b-3d和布線12-14之間的接觸部分分別具有不同的電勢。于是，例如，接觸部分和第一浮置層3b的一部分之間的電勢差未發(fā)生變化，并且即使在第一浮置層3b的一部分與第一浮置層3b和第一浮置布線12之間的接觸部分間隔開的時候也非常小。這里，第一浮置層3b的一部分設(shè)置于器件的內(nèi)側(cè)，如圖3所示。于是，第一浮置層3b的一部分與第一浮置層3b和第一浮置布線12之間的接觸部分具有基本相同的電勢。類似地，遠離第二浮置層3c和第二浮置布線13之間的接觸部分的第二浮置層3c的部分與接觸部分具有基本相同的電勢。第三浮置層3d遠離第三浮置層3d和第三浮置布線14之間的接觸部分的部分與接觸部分具有基本相同的電勢。
例如，在常規(guī)器件中，當(dāng)?shù)谝坏降谌≈脤?b-3d接觸同一布線時，第一到第三浮置層3b-3d和布線間的接觸部分具有不同的電勢，使得位于第一浮置層3b和布線間的第一接觸部分的第一浮置層3b的電勢Pl等于位于第二浮置層3c和布線間的第二接觸部分處的第二浮置層3c的電勢P2，
18且等于位于第三浮置層3d和布線間的第三接觸部分處的第三浮置層3d的電勢P3。此外，在常規(guī)器件中，第一浮置層3b與第一接觸部分間隔開的另一部分的電勢Pl小于第二浮置層3c與第二接觸部分間隔開的另一部分的電勢P2，且小于第三浮置層3d與第三接觸部分間隔開的另一部分的電勢P3。于是，在常規(guī)器件中，第一浮置層3b的另一部分與第一接觸部分之間的電勢差隨著另一部分與第一接觸部分之間的距離變大而變大。類似地，第二浮置層3c的電勢差隨著與第二接觸部分的距離變大而變大，第三浮置層3d的電位差隨著與第三接觸部分的距離變大而變大。然而，在本實施例中，第一浮置層3b的一部分的電勢Pl小于第二浮置層3c的一部分的電勢P2，且小于第三浮置層3d的一部分的電勢P3，即使在該部分與接觸部分重合或該部分與接觸部分間隔開時也是這樣。具體而言，在第一到第三浮置層3b-3d中的每處都保持這種關(guān)系。
因此，沿著縱向在第一到第三浮置層3b-3d中沒有電勢的差異。因此，在器件切換時，器件的工作穩(wěn)定，且器件的各部分均勻地工作。擊穿電壓得到提高。具體而言，防止了由電流集中導(dǎo)致的擊穿電壓降低。不僅設(shè)置于兩個相鄰溝道層3a之間的虛設(shè)柵電極7b、 7c，而且設(shè)置于外側(cè)的虛設(shè)柵電極7b、 7c都經(jīng)由第一浮置布線12彼此電連接?；蛘?，可以僅有設(shè)置于兩個相鄰溝道層3a之間的虛設(shè)柵電極7b、 7c經(jīng)由摻雜多晶硅層9等彼此連接，而設(shè)置于外側(cè)上的虛設(shè)柵電極7b、 7c可以與設(shè)置于兩相鄰溝道層3a之間的虛設(shè)柵電極7b、 7c電隔離。(第二實施例)
在第二實施例中，與圖1-4中的器件相比，柵電極7a、虛設(shè)柵電極7b、7c和第一到第三浮置層3b-3d以不同方式彼此連接。
圖5示出了根據(jù)第二實施例的半導(dǎo)體器件。圖6為沿圖11中的線VI-VI截取的器件截面圖，圖7為沿圖11中的線VII-VII截取的器件截面圖，圖8為沿圖11中的線vni-vin截取的器件截面圖，圖9為沿圖11中的線IX-IX截取的器件截面圖，而圖IO為沿圖11中的線X-X截取的器件截面圖。圖11不是截面圖，但在圖11中繪示了陰影以便于理解附圖。
如圖5所示，第一內(nèi)側(cè)溝槽4b中形成的虛設(shè)柵電極7b電連接到第一浮置層3b和第一浮置布線12。此外，第二內(nèi)側(cè)溝槽4c中形成的虛設(shè)柵電極7c電連接到第二浮置層3c和第二浮置布線13。第三浮置層3d電連接到第三浮置布線14。于是，虛設(shè)柵電極7b、 7c中最靠近溝道層3a的虛設(shè)柵電極7b電連接到第一到第三浮置層3b-3dn中靠近溝道層3a的第一浮置層3b并進一步連接到第一浮置布線12。虛設(shè)柵電極7b、 7c中距溝道層3a最遠的虛設(shè)柵電極7c電連接到第一到第三浮置層3b-3dn中距溝道層3a最遠的第二浮置層3c并進一步連接到第二浮置布線13。如圖11所示，類似于圖3中所示那樣設(shè)置柵極布線11、第一到第三浮置布線12-14以及發(fā)射極電極15。以與圖3中的接觸孔不同的方式設(shè)置用于連接每個部分和摻雜多晶硅層9的接觸孔。于是，獲得了以上電連接。
在本實施例中，該器件包括用于電連接虛設(shè)柵電極7b、 7c和第一浮置層3b的第一浮置布線12,用于電連接到第二浮置層3c的第二浮置布線13以及用于電連接到第三浮置層3d的第三浮置布線14?；蛘?，該器件可以不包括第二浮置布線13和第三浮置布線14。在這種情況下，第二浮置層3c和第三浮置層3d具有浮置電勢。
如圖6所示，柵極布線11經(jīng)由層間絕緣膜10中的接觸孔10e電連接到絕緣膜8上的摻雜硅層9。此外，如圖7所示，第一浮置布線12經(jīng)由層間絕緣膜10中的接觸孔10b電連接到絕緣膜8上的摻雜多晶硅層9。此外，第一浮置布線12經(jīng)由接觸孔10a電連接到第一浮置層3b。如圖8所示，第二浮置布線13經(jīng)由形成于層間絕緣膜10中的接觸孔10b電連接到第二浮置層3c。此外，第二浮置布線13經(jīng)由層間絕緣膜10中的接觸孔10g電連接到絕緣膜8上的摻雜多晶硅層9。如圖9所示，第三浮置布線14經(jīng)由層間絕緣膜10中的接觸孔10d電連接到第三浮置層3d。如圖10所示，發(fā)射極電極15經(jīng)由層間絕緣膜10中的接觸孔10f電連接到N+型發(fā)射極區(qū)5和P型溝道層3a。
在器件截止時，第一浮置層3b的電勢Pl等于柵電極7a的電勢，柵電極7a的電勢小于第二浮置層3c的電勢P2，第二浮置層3c的電勢P2等于虛設(shè)柵電極7b的電勢，虛設(shè)柵電極7b的電勢小于第三浮置層3d的電勢P3,且第三浮置層3d的電勢P3等于虛設(shè)柵電極7c的電勢。因此，沿溝槽4的縱向在任何位置都維持著第一到第三浮置層3b-3d的電勢Pl-P3之間的關(guān)系。于是，在器件切換時，均勻地執(zhí)行了器件的操作。防止了由電流集中導(dǎo)致的擊穿電壓降低。(第三實施例)
在根據(jù)第三實施例的半導(dǎo)體器件中，柵極布線11、第一到第三浮置布
線12-14和發(fā)射極電極15的設(shè)置不同于根據(jù)第一和第二實施例。
圖12示出了具有根據(jù)本實施例的IGBT的半導(dǎo)體器件。圖12不是截面圖，但在圖12中局部繪示了陰影以便于理解附圖。第一到第三浮置布線設(shè)置于發(fā)射極電極15的兩側(cè)，因此它們夾置著發(fā)射極電極15。此外，柵極布線11設(shè)置于發(fā)射極電極15的兩側(cè)和第一到第三浮置布線12-14上，使得柵極布線11夾置發(fā)射極電極15和第一到第三浮置布線12-14。該器件還包括用于連接?xùn)艠O布線11和外部電路的柵極焊盤lla、用于連接第一浮置布線12和外部電路的第一浮置焊盤12a、用于連接第二浮置布線13和外部電路的第二浮置焊盤13a、用于連接第三浮置布線14和外部電路的第三浮置焊盤14a。柵極焊盤lla和第一到第三浮置焊盤12a-14a設(shè)置于單元外部，使得它們與溝槽4間隔開。
以上器件表現(xiàn)出與第一和第二實施例相同的效果。此外，可以經(jīng)由焊盤lla-14a進行擊穿試驗。例如，在柵極焊盤lla和第一浮置焊盤12a之間施加預(yù)定電壓，以測試漏電流。由此判斷第一浮置布線12是否與發(fā)射極電極15隔離開。類似地，在第一浮置焊盤12a和第二浮置焊盤13a之間施加電壓，從而測試漏電流。由此判斷第一浮置布線12是否與第二浮置布線13隔離開。此外，在第二浮置焊盤13a和第三浮置焊盤14a之間施加電壓，從而測試漏電流。由此判斷第二浮置布線13是否與第三浮置布線14隔離開。這些測試提供了判斷第一到第三浮置層3b-3d的電勢間的不平衡是否是由溝槽柵極結(jié)構(gòu)的缺陷導(dǎo)致的。(第四實施例)
在根據(jù)第四實施例的半導(dǎo)體器件中，柵電極7a、虛設(shè)電極7b、 7c和第一到第三浮置層3b-3d之間的連接與根據(jù)第一到第三實施例的不同。
圖13示出了具有根據(jù)本實施例的IGBT的半導(dǎo)體器件。圖13不是截面圖，但在圖13中局部繪示了陰影以便于理解附圖。在溝槽4的中心沿縱向?qū)l(fā)射極電極15分成兩個部分。柵極布線11和第一到第三浮置布線12-14設(shè)置于發(fā)射極電極15的兩個部分之間。此外，柵極布線11還沿縱向設(shè)置
21于溝槽4的末端上。
虛設(shè)柵電極7b、 7c由摻雜多晶硅制成，柵電極7a由摻雜多晶硅制成。于是，虛設(shè)柵電極7b、 7c具有低電阻。在器件的芯片尺寸小時，例如，在芯片尺寸等于或小于5毫米見方時，第一到第三浮置布線12-14中的每個都在溝槽4的頂端處沿橫向連接到虛設(shè)柵電極7b、 7c和柵電極7a。當(dāng)芯片尺寸變大時，可能會因為電勢傳輸延遲而造成電的不平衡。在以上器件中，防止了由虛設(shè)柵電極7b、 7c中電勢傳輸延遲導(dǎo)致的不平衡。此外，以上器
件表現(xiàn)出與第一到第三實施例相同的效果。(變型)
在第一到第四實施例中，溝道層3a的數(shù)量和浮置層3b-3d的數(shù)量之比是恒定的，以預(yù)定次序重復(fù)設(shè)置溝道層3a和浮置層3b-3d。于是，減薄比(thinning ratio),即溝道層3a的形成速率和浮置層3b-3d的形成速率之比是恒定的。具體而言，多環(huán)結(jié)構(gòu)具有三個環(huán)，從而形成溝道層3a和第一到第三浮置層3b-3d。于是，減薄比為5: 1?；蛘?，減薄比可以是另一分數(shù)。
圖14示出了減薄比為3: l的半導(dǎo)體器件。圖15示出了減薄比為4: 1的半導(dǎo)體器件。圖16示出了減薄比為3: l的半導(dǎo)體器件。
在減薄比為3: l時，該器件包括第一和第二浮置布線12、 13。虛設(shè)柵電極7b形成于第一內(nèi)側(cè)溝槽4b中，且虛設(shè)柵電極7b電連接到第一浮置層3b和第一浮置布線12。第二浮置層3c電連接到第二浮置布線13。
如圖15所示，第一內(nèi)側(cè)溝槽4b還包括三個溝槽4，其中之一設(shè)置于第一內(nèi)側(cè)溝槽4b的中心。于是，第二浮置層3c被分成兩個部分。該器件包括第一和第二浮置布線12、 13。第一內(nèi)側(cè)溝槽4b中形成的虛設(shè)柵電極7b電連接到第一浮置層3b和第一浮置布線12。第二浮置層3c電連接到第二浮置布線13。
在圖14-16中所示的器件中，器件可以不包括第二浮置布線13。在這種情況下，第二浮置層3c具有浮置電勢。即使在器件具有大于5: 1的減薄比時，只要第一浮置層3b電連接到虛設(shè)柵電極7b，除第一浮置層3b外的浮置層也可以具有浮置電勢。
根據(jù)以上實施例的器件包括具有環(huán)形的溝槽4，溝槽4將第一到第三浮置層3b-3d隔離開?；蛘?，只要經(jīng)由溝槽4相鄰地排列多個浮置層，該器件可以包括具有另一種布局的溝槽4。例如，多個浮置層可以具有條形圖案。(第五和第六實施例)
圖20和21中示出了根據(jù)第五實施例的溝槽柵極型絕緣柵雙極晶體管。圖22示出了根據(jù)第六實施例的另一溝槽柵極型IGBT。圖23示出了在向嵌入電極施加電荷且嵌入電極處于浮置狀態(tài)時溝槽型IGBT的靜態(tài)電流-電壓特性。圖24A和24B示出了具有不同表面結(jié)構(gòu)的各種溝槽型IGBT的靜態(tài)電流-電壓特性。圖25示出了具有不同表面結(jié)構(gòu)的各種溝槽型IGBT的截止波形。圖26A和26B示出了在每個IGBT以小電流導(dǎo)通時，并聯(lián)連接到具有不同表面結(jié)構(gòu)的溝槽型IGBT的FWD (續(xù)流二極管)的反向恢復(fù)特性。圖27A和27B示出了在每個IGBT以大電流導(dǎo)通時，并聯(lián)連接到具有不同表面結(jié)構(gòu)的溝槽型IGBT的FWD (續(xù)流二極管)的反向恢復(fù)特性。圖28示出了具有不同表面結(jié)構(gòu)的溝槽型IGBT的導(dǎo)通波形。
下面將要說明圖20和21中所示的溝槽型IGBT。在圖21中，該IGBT包括嵌入電極207b和第二溝道區(qū)203b，其在被示為布線的連接部分處與浮置電極200A電連接。圖21中所示的器件與圖30中所示的器件不同。在圖21中所示的器件中，隔著絕緣膜206形成于第二溝槽205b中的嵌入電極207b電連接到與第一溝槽205a相鄰的第二溝道區(qū)段203b-l。隔著絕緣膜206在第一溝槽205a中嵌入柵電極207a。第二溝道區(qū)203b由第二溝槽205b分成三個第二溝道區(qū)段203b-1到203b-3。在器件的邊界處將第一溝道區(qū)203a之間的兩個第一溝槽205a彼此耦合。在器件的邊界處將第一溝道區(qū)203a之間的兩個第二溝槽205b彼此耦合。在設(shè)置于第一溝道區(qū)203a之間的相應(yīng)部分將嵌入電極207b和兩個第二溝道區(qū)段203b-l彼此獨立地電耦合起來。附圖標(biāo)記201表示N型基極層201，附圖標(biāo)記202表示P型集電極層202，附圖標(biāo)記203a表示第一溝道區(qū)203a，附圖標(biāo)記203b-2表示另一第二溝道區(qū)段203b-2，附圖標(biāo)記204表示hT型發(fā)射極區(qū)204，附圖標(biāo)記208表示層間絕緣膜208，附圖標(biāo)記209表示高雜質(zhì)濃度P型主體區(qū)209，附圖標(biāo)記210表示發(fā)射極電極210，附圖標(biāo)記211表示N型緩沖區(qū)或場停止區(qū)，附圖標(biāo)記220表示集電極電極220。在圖22中所示的另一溝槽型IGBT中，嵌入電極207b僅連接到與第一溝槽205a相鄰的第二溝道區(qū)段203b-l。
23圖20-22中所示的IGBT的第一個優(yōu)點是由于嵌入電極207b與柵電極207a電隔離，所以涉及溝道電流供應(yīng)的柵極電容變小。于是，該器件表現(xiàn)出高速開關(guān)特性。
該IGBT的第二個優(yōu)點是接觸第二溝槽205b和第一溝槽205a兩者的兩個第二溝道區(qū)段203b-l具有不固定為預(yù)定電勢但彼此相等的電勢。于是，器件中的電場分布變得均勻。此外，注入嵌入電極207b的電荷經(jīng)由第二溝道區(qū)段203b-1流入N型基極層201，從而改善了由嵌入電極207b中累積的電荷導(dǎo)致的擊穿電壓變化。在圖23中，水平軸代表針對擊穿電壓的集電極電壓，而垂直軸代表集電極電流。例如，1.0E+04代表I.OXIO4。圖23對應(yīng)于圖30中所示的溝槽型IGBT，且嵌入電極207b被電隔離，使得嵌入電極207b處于浮置狀態(tài)。于是，電荷容易在嵌入電極207b中累積。圖23為電壓電流特性曲線圖，示出了以不同的累積電荷作為模擬參數(shù)得到的集電極和發(fā)射極間的截止?fàn)顟B(tài)波形。在圖30中所示的IGBT中，擊穿電壓主要取決于嵌入電極207b中的正電荷。在一些情況下，IGBT可能因為開關(guān)擊穿而被破壞。
該IGBT的第三個優(yōu)點是靜態(tài)擊穿電壓和動態(tài)擊穿電壓都得到改善。圖24A和24B示出了用于定義靜態(tài)擊穿電壓的負阻特性，而圖25示出了用于定義如下IGBT中的動態(tài)擊穿電壓的截止特性圖20-22中所示的IGBT;根據(jù)相關(guān)技術(shù)，具有僅連接到第二溝道區(qū)段203b-2的嵌入電極的作為比較的溝槽型IGBT (未示出)；圖30和34中所示的溝槽型IGBT。這里，XXIVA和XXVA對應(yīng)于圖20-21中的器件，XXIVB和XXVB對應(yīng)于圖22中的器件，XXIVC對應(yīng)于具有僅連接到第二溝道區(qū)段203b-2的嵌入電極的器件，XXIVD對應(yīng)于圖30中的器件，XXIVE和XXVC對應(yīng)于圖34中的器件。在圖24B中，V"max代表所測量的最大擊穿電壓，AV^代表負阻特性導(dǎo)致的擊穿電壓降低。XXIVE中測得的最大擊穿電壓VcEmax為1264伏，這是最大的電壓。圖20-21中所示的器件在XXIVA中測得的最大擊穿電壓V。Einax為1232伏，圖22中所示的器件在XXIVB中測得的最大擊穿電壓VcEmax為1222伏，基本等于圖20-21中器件的最大擊穿電壓，且為中等電壓。XXIVC中測得的最大擊穿電壓VCEmax為1080伏，XXIVD中測得的最大擊穿電壓VCEmax為1091伏，基本等于XXIVC中的最大擊穿電壓，且為最小電壓。在圖20-21中的器件的XXIVA中由負阻特性導(dǎo)致的擊穿電壓降低AVcE為200伏。圖22中的器件的XXIVB中的擊穿電壓降低A Va為196伏。圖34中的器件的XXIVE中的擊穿電壓降低AVcE為225伏。然而，XXIVC中的擊穿電壓降低AVcE等于或大于570伏，圖30中的器件的XXIVD中的擊穿電壓降低△ L等于或大于223伏，相對較大。
圖25示出了用于定義動態(tài)擊穿電壓的截止特性。在如下條件下測量該特性總線電壓Vbus為650伏，集電極電流Ic為400安培，測量電路的電感Ls為120nH，柵極電阻Rg (截止)為15歐姆，連接溫度為425K。 XXVA對應(yīng)于圖20-21中所示的器件，XXVB對應(yīng)于圖22中所示的器件，XXVC對應(yīng)于圖24中所示的器件。在圖24中所示的器件中，嵌入電極僅連接到第二溝道區(qū)段203b-2，其不接觸第一溝槽。圖25中的XXVC示出了圖24中的器件不能截止。這是因為動態(tài)擊穿電壓被降低到大約350伏。XXVA和XXVB表明圖20-22中的器件可正常截止。
IGBT的第四個優(yōu)點是既實現(xiàn)了高速開關(guān)又實現(xiàn)了軟開關(guān)。圖26A和27A示出了反向并聯(lián)連接到圖14中所示的溝槽型IGBT的續(xù)流二極管的反向恢復(fù)特性。圖14中所示的具有高擊穿電壓的器件具有嵌入電極和發(fā)射極電極，它們彼此相連，使得它們具有相同的電勢。圖26B和27B示出了反向并聯(lián)連接到圖20-21中所示的溝槽型IGBT的續(xù)流二極管的反向恢復(fù)特性。圖26A和26B示出了反向擊穿電壓從30安培的小電流恢復(fù)，圖27A和27B示出了反向擊穿電壓從400安培的大電流恢復(fù)。在圖26A到27B中，垂直軸代表圖右側(cè)的陽極電流以及圖左側(cè)的陽極和陰極間的電壓。在圖26A和27B中，在反向恢復(fù)之前正向電流Ic為30安培，電流密度為60A/cm2， DC總線電壓為650伏。圖26A到27B中的IGBT為場停止型IGBT，導(dǎo)通狀態(tài)下的柵極電阻為5歐姆，主電路的浮置電感Ls為60nH。
至于開關(guān)速度，圖20-21中所示的IGBT的截止時間被示為圖26B中的XXVIB和圖27B中的XXVIIB，大約為500納秒。圖34中所示的IGBT的截止時間被示為圖26A中的XXVIA和圖27A中的XXVIIA，大約為500納秒。于是，圖20-21中所示的器件的截止時間幾乎與圖34中所示的器件的截止時間相同。然而，圖34中所示的器件在截止時的跳變電壓如圖26A和27A中的箭頭所示，圖20-21中所示的器件在截止時的跳變電壓如圖26B和圖27B中的箭頭所示。在30安培的小電流恢復(fù)情況下，圖26A中的跳變電壓 大于圖26B中的跳變電壓，使得圖26A中的器件表現(xiàn)為硬波形。在400安 培的大電流恢復(fù)情況下，圖27A中的跳變電壓大于圖27B中的跳變電壓， 使得圖27A中的器件表現(xiàn)為硬波形。于是，與圖34中所示的器件相比，圖 20-21中所示的器件的開關(guān)波形被軟化。這里，如果截止時的跳變電壓大， 那么在把功率半導(dǎo)體器件用于逆變器時，在逆變器工作時會產(chǎn)生布線間的 馬達浪涌，例如放電。
在圖24A和24B中，圖20-21中所示的器件的擊穿電壓與圖22中所示 的器件的擊穿電壓稍微不同。具體而言，圖20-21中的器件的擊穿電壓為 1232伏，稍大于圖22中的器件的擊穿電壓。至于導(dǎo)通特性，圖28示出了 不同器件中的導(dǎo)通波形。XXVIIIA代表圖20-21中所示的器件，XXVIIIB代 表圖22中所示的器件，XXVIIIC代表圖34中所示的器件。圖20-21中的器 件的導(dǎo)通波形基本與圖22中所示的器件的相同。于是，圖20-21中的器件 的導(dǎo)通特性基本與圖22中的器件的相同。這里，在圖28中，垂直軸代表 具有比例為20V/div的集電極電流Ic以及集電極和發(fā)射極之間的電壓Vce。 在圖28中，導(dǎo)通態(tài)電流Ic為30安培，DC總線電壓為350伏。該IGBT為 場停止型IGBT。導(dǎo)通態(tài)下的柵極電阻為15歐姆。主電路的浮置電感Ls為 120riH。由于圖20-21中的器件中的導(dǎo)通波形與圖22中所示的器件的基本 相同，因此接觸第二溝槽205b(嵌入電極207b隔著絕緣膜206而嵌入其中) 的第二溝道區(qū)段203b-2不會影響到開關(guān)特性。
于是，在溝槽柵極型IGBT或IEGT中，在第二溝道區(qū)中形成第二溝槽 205b作為浮置P型層203b，隔著絕緣膜206在第二溝槽205b中形成嵌入 電極207b。嵌入電極207b至少電連接到與其中形成有柵電極207的第一溝 槽205a相鄰的第二溝道區(qū)段203b-l。這些特征能夠獲得幾乎等于IEGT的 低導(dǎo)通態(tài)電壓、低開關(guān)損耗、高擊穿電壓和軟開關(guān)特性。
以上公開具有以下方面。
根據(jù)本公開的第一方面， 一種具有絕緣柵半導(dǎo)體元件的半導(dǎo)體器件包 括具有第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體襯底；具有第二導(dǎo)電類型且設(shè)置于所述襯 底上的漂移層；具有所述第一導(dǎo)電類型且設(shè)置于所述漂移層上的基極層； 多個穿透所述基極層且抵達所述漂移層的溝槽，其中所述基極層被多個溝
26槽分成多個基極部分，且各溝槽沿第一方向延伸；具有第二導(dǎo)電類型的發(fā) 射極區(qū)，其設(shè)置于所述基極部分的一個中且接觸對應(yīng)溝槽的側(cè)壁；隔著絕 緣膜設(shè)置于每個溝槽中的柵極元件；與所述發(fā)射極區(qū)電耦合的發(fā)射極電極; 以及設(shè)置于所述襯底背側(cè)上的集電極電極，其中所述集電極電極與所述漂 移層相對。每個基極部分沿第一方向延伸，從而多個基極部分彼此平行。 基極部分中的所述一個提供其中設(shè)置發(fā)射極區(qū)的溝道層，基極部分的另一 個提供其中不設(shè)置發(fā)射極區(qū)的浮置層。以預(yù)定次序重復(fù)設(shè)置溝道層和浮置 層，使得溝道層數(shù)量和浮置層數(shù)量之比恒定。柵極元件包括柵電極和虛設(shè) 柵電極。柵電極設(shè)置于接觸溝道層的相應(yīng)溝槽中，虛設(shè)柵電極設(shè)置于接觸 浮置層的另一溝槽中。浮置層包括隔著柵電極與溝道層相鄰的第一浮置層 以及隔著虛設(shè)柵電極遠離溝道層的第二浮置層。虛設(shè)柵電極和第一浮置層 與第一浮置布線電耦合，第一浮置布線沿著垂直于第一方向的第二方向延 伸并設(shè)置于基極層上。虛設(shè)柵電極與第二浮置層電隔離。
由于虛設(shè)柵電極電連接到第一浮置層，因此開關(guān)浪涌電壓和開關(guān)損耗 得到平衡。此外，由于浮置層連接到不同布線，因此均勻地執(zhí)行器件操作， 由此改善了器件的擊穿電壓。
或者，第二浮置層可以與沿第二方向延伸且設(shè)置于基極層上的第二浮 置布線電耦合，且虛設(shè)柵電極與第二浮置布線電隔離。
根據(jù)本公開內(nèi)容的第二方面， 一種具有絕緣柵半導(dǎo)體元件的半導(dǎo)體器 件包括具有第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體襯底；具有第二導(dǎo)電類型且設(shè)置于所 述襯底上的漂移層；具有所述第一導(dǎo)電類型且設(shè)置于所述漂移層上的基極 層；多個穿透所述基極層且抵達所述漂移層的溝槽，其中所述基極層被多 個溝槽分成多個基極部分，且每個溝槽沿第一方向延伸；具有第二導(dǎo)電類 型的發(fā)射極區(qū)，其設(shè)置于所述基極部分的一個中且接觸對應(yīng)溝槽的側(cè)壁； 隔著絕緣膜設(shè)置于每個溝槽中的柵極元件；與所述發(fā)射極區(qū)電耦合的發(fā)射 極電極；以及設(shè)置于所述襯底背側(cè)上的集電極電極，其中所述集電極電極 與所述漂移層相對。每個基極部分沿第一方向延伸，從而多個基極部分彼 此平行?；鶚O部分中的所述一個提供其中設(shè)置發(fā)射極區(qū)的溝道層，基極部 分的另一個提供其中不設(shè)置發(fā)射極區(qū)的浮置層。以預(yù)定次序重復(fù)設(shè)置溝道 層和浮置層，使得溝道層數(shù)量和浮置層數(shù)量之比恒定。柵極元件包括柵電極和虛設(shè)柵電極。柵電極設(shè)置于接觸溝道層的相應(yīng)溝槽中，虛設(shè)柵電極設(shè) 置于接觸浮置層的另一溝槽中。浮置層包括隔著柵電極與溝道層相鄰的第 一浮置層。虛設(shè)柵電極包括隔著絕緣膜與第一浮置層相鄰的第一虛設(shè)柵電 極。第一虛設(shè)柵電極和第一浮置層與第一浮置布線電耦合，第一浮置布線 沿著垂直于第一方向的第二方向延伸并設(shè)置于基極層上。
在以上器件中，開關(guān)浪涌電壓和開關(guān)損耗得到平衡。此外，器件操作 得到均勻執(zhí)行，由此改善了器件的擊穿電壓。
或者，浮置層還可以包括隔著虛設(shè)柵電極遠離溝道層的第二浮置層。 虛設(shè)柵電極還包括隔著第二浮置層遠離第一浮置層的第二虛設(shè)柵電極，且 第二虛設(shè)柵電極和第二浮置層與沿第二方向延伸且設(shè)置于基極層上的第二 浮置布線電耦合。
或者，多個溝槽可以具有環(huán)形平面形狀，使得相鄰兩個溝槽形成一對 和環(huán)，從而環(huán)形平面形狀提供多環(huán)結(jié)構(gòu)。
或者，柵電極可以與沿第二方向延伸且設(shè)置于基極層上的柵極布線電 耦合。柵極布線和第一和第二浮置布線沿第一方向設(shè)置于柵極元件的一端 上，且柵極布線和第一和第二浮置布線彼此平行。
或者，可以沿第一方向在柵極元件的中心將發(fā)射極電極分成兩個發(fā)射 極部分。柵電極與沿第二方向延伸且設(shè)置于基極層上的柵極布線電耦合。 柵極布線以及第一和第二浮置布線設(shè)置于兩個發(fā)射極部分之間。柵極布線 以及第一和第二浮置布線彼此平行。在這種情況下，即使芯片尺寸大，也 可以減輕由虛設(shè)柵電極中電勢傳輸延遲導(dǎo)致的不平衡。于是，開關(guān)浪涌電 壓和開關(guān)損耗得到平衡。此外，器件操作得到均勻執(zhí)行，由此改善了器件 的擊穿電壓。
根據(jù)本公開的第三方面， 一種溝槽柵極型絕緣柵雙極晶體管包括具 有第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體襯底；具有第二導(dǎo)電類型且設(shè)置于襯底第一側(cè)上 的溝道區(qū)，其中所述溝道區(qū)包括第一溝道區(qū)和第二溝道區(qū)；具有所述第一 導(dǎo)電類型且設(shè)置于所述第一溝道區(qū)的表面部分中的發(fā)射極區(qū)；多個穿透所 述溝道區(qū)且抵達所述襯底的溝槽，其中多個溝槽包括第一溝槽和第二溝槽， 其中所述第一溝道區(qū)僅接觸所述第一溝槽，且所述第二溝道區(qū)接觸所述第 二溝槽；隔著絕緣膜設(shè)置于所述第一溝槽中的柵電極；隔著所述絕緣膜設(shè)
28置于所述第二溝槽中的嵌入電極，其中所述嵌入電極與所述柵電極電隔離; 以及與所述發(fā)射極區(qū)和所述第一溝道區(qū)都電耦合的發(fā)射極電極，其中所述 發(fā)射極電極隔著所述絕緣膜覆蓋所述柵電極、所述嵌入電極和所述第二溝 道區(qū)，使得所述發(fā)射極電極與所述柵電極、所述嵌入電極和所述第二溝道 區(qū)電隔離。嵌入電極至少電耦合夾在第一溝槽和第二溝槽之間的第二溝道 區(qū)。
在以上晶體管中，導(dǎo)通態(tài)電壓低，幾乎等于IEGT的導(dǎo)通態(tài)電壓。此外， 該晶體管具有低開關(guān)損耗、高擊穿電壓和軟開關(guān)特性。
或者，嵌入電極可以僅與第一溝槽和第二溝槽之間夾置的第二溝道區(qū) 電耦合?；蛘?，嵌入電極可以有一部分表面與第二溝道區(qū)的表面的一部分 電耦合?；蛘?，溝道區(qū)還可以包括一個或多個第一溝道區(qū)。嵌入電極和相 鄰兩個第一溝道區(qū)之間的第二溝道區(qū)彼此電耦合，從而嵌入電極不在第一 溝道區(qū)上方連接到第二溝道區(qū)。
盡管已經(jīng)參考其優(yōu)選實施例描述了本發(fā)明，但要理解本發(fā)明不限于優(yōu) 選實施例和構(gòu)造。本發(fā)明意在涵蓋各種變型和等價布置。此外，盡管優(yōu)選 使用多種組合和配置，但其他組合和配置，包括更多、更少或僅一個要素， 也在本發(fā)明的精神和范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種具有絕緣柵半導(dǎo)體元件的半導(dǎo)體器件，包括具有第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體襯底(1)；具有第二導(dǎo)電類型且設(shè)置于所述襯底(1)上的漂移層(2)；具有所述第一導(dǎo)電類型且設(shè)置于所述漂移層(2)上的基極層(3)；多個穿透所述基極層(3)且抵達所述漂移層(2)的溝槽(4)，其中所述基極層(3)被所述多個溝槽(4)分成多個基極部分(3a-3d)，且每個溝槽(4)都沿著第一方向延伸；具有所述第二導(dǎo)電類型的發(fā)射極區(qū)(5)，其設(shè)置于所述基極部分(3a-3d)的一個中且接觸對應(yīng)溝槽(4)的側(cè)壁；隔著絕緣膜(6)設(shè)置于每個溝槽(4)中的柵極元件(7a-7c)；與所述發(fā)射極區(qū)(5)電耦合的發(fā)射極電極(15)；以及設(shè)置于所述襯底(1)背側(cè)上的集電極電極(16)，其中所述集電極電極(16)與所述漂移層(2)相對，其中每個基極部分(3a-3d)都沿所述第一方向延伸，從而所述多個基極部分(3a-3d)彼此平行，其中所述基極部分(3a-3d)中的所述一個提供溝道層(3a)，在所述溝道層中設(shè)置所述發(fā)射極區(qū)(5)，而所述基極部分(3a-3d)中的另一個提供浮置層(3b-3d)，在所述浮置層中不設(shè)置發(fā)射極區(qū)(5)，其中以預(yù)定次序重復(fù)設(shè)置所述溝道層(3a)和所述浮置層(3b-3d)，使得所述溝道層(3a)的數(shù)量和所述浮置層(3b-3d)的數(shù)量之比恒定，其中所述柵極元件(7a-7c)包括柵電極(7a)和虛設(shè)柵電極(7b-7c)，其中所述柵電極(7a)設(shè)置于接觸所述溝道層(3a)的對應(yīng)溝槽(4)中，而所述虛設(shè)柵電極(7b-7c)設(shè)置于接觸所述浮置層(3b-3d)的另一溝槽(4)中，其中所述浮置層(3b-3d)包括隔著所述柵電極與所述溝道層相鄰的第一浮置層(3b)以及隔著所述虛設(shè)柵電極(7b-7c)遠離所述溝道層(3a)的第二浮置層(3c)，其中所述虛設(shè)柵電極(7b-7c)和所述第一浮置層(3b)與第一浮置布線(12)電耦合，該第一浮置布線(12)沿垂直于所述第一方向的第二方向延伸且設(shè)置于所述基極層(3)上，并且其中所述虛設(shè)柵電極(7b-7c)與所述第二浮置層(3c)電隔離。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中所述第二浮置層(3c)與沿所述第二方向延伸且設(shè)置于所述基極 層(3)上的第二浮置布線(13)電耦合，并且其中所述虛設(shè)柵電極(7b-7c)與所述第二浮置布線(13)電隔離。
3、 一種具有絕緣柵半導(dǎo)體元件的半導(dǎo)體器件，包括 具有第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體襯底(1);具有第二導(dǎo)電類型且設(shè)置于所述襯底(1)上的漂移層(2);具有所述第一導(dǎo)電類型且設(shè)置于所述漂移層(2)上的基極層(3);多個穿透所述基極層(3)且抵達所述漂移層(2)的溝槽(4)，其中 所述基極層(3)被所述多個溝槽(4)分成多個基極部分(3a-3d)，且每 個溝槽(4)都沿著第一方向延伸；具有所述第二導(dǎo)電類型的發(fā)射極區(qū)(5)，其設(shè)置于所述基極部分 (3a-3d)的一個中且接觸對應(yīng)溝槽(4)的側(cè)壁；隔著絕緣膜(6)設(shè)置于每個溝槽(4)中的柵極元件(7a-7c);與所述發(fā)射極區(qū)(5)電耦合的發(fā)射極電極(15);以及設(shè)置于所述襯底(1)背側(cè)上的集電極電極(16)，其中所述集電極電 極(16)與所述漂移層(2)相對，其中每個基極部分(3a-3d)都沿所述第一方向延伸，從而所述多個基 極部分(3a-3d)彼此平行，其中所述基極部分(3a-3d)中的所述一個提供溝道層(3a)，在所述 溝道層中設(shè)置所述發(fā)射極區(qū)(5)，而所述基極部分(3a-3d)中的另一個提 供浮置層(3b-3d)，在所述浮置層中不設(shè)置發(fā)射極區(qū)(5),其中以預(yù)定次序重復(fù)設(shè)置所述溝道層(3a)和所述浮置層(3b-3d)， 使得所述溝道層(3a)的數(shù)量和所述浮置層(3b-3d)的數(shù)量之比恒定，其中所述柵極元件(7a-7c)包括柵電極(7a)和虛設(shè)柵電極(7b-7c)，其中所述柵電極(7a)設(shè)置于接觸所述溝道層(3a)的對應(yīng)溝槽(4) 中，而所述虛設(shè)柵電極(7b-7c)設(shè)置于接觸所述浮置層(3b-3d)的另一 溝槽(4)中，其中所述浮置層(3b-3d)包括隔著所述柵電極(7a)與所述溝道層(3a) 相鄰的第一浮置層(3b)，其中所述虛設(shè)柵電極(7b-7c)包括隔著所述絕緣膜(6)與所述第一 浮置層(3b)相鄰的第一虛設(shè)柵電極(7b)，并且其中所述第一虛設(shè)柵電極(7b)和所述第一浮置層(3b)與第一浮置 布線(12)電耦合，該第一浮置布線(12)沿垂直于所述第一方向的第二 方向延伸且設(shè)置于所述基極層(3)上。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的器件，其中所述浮置層(3b-3d)還包括隔著所述虛設(shè)柵電極(7b-7c)遠離 所述溝道層(3a)的第二浮置層(3c)，其中所述虛設(shè)柵電極(7b-7c)還包括隔著所述第二浮置層(3c)遠離 所述第一浮置層(3b)的第二虛設(shè)柵電極(7c)，并且其中所述第二虛設(shè)柵電極(7c)和所述第二浮置層(3c)與第二浮置 布線(13)電耦合，該第二浮置布線(13)沿所述第二方向延伸且設(shè)置于 所述基極層(3)上。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l-4中的任一項所述的器件，其中所述多個溝槽(4)具有環(huán)形平面形狀，使得相鄰的兩個溝槽(4) 成為一對和環(huán)，從而所述環(huán)形平面形狀提供多環(huán)結(jié)構(gòu)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求2或4所述的器件，其中所述柵電極(7a)與柵極布線(11)電耦合，該柵極布線(11) 沿所述第二方向延伸且設(shè)置于所述基極層(3)上，其中所述柵極布線(11)以及所述第一和第二浮置布線(12-13)沿所 述第一方向設(shè)置于所述柵極元件(7a-7c)的一端上，并且其中所述柵極布線(11)以及所述第一和第二浮置布線(12-13)彼此平行。
7、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的器件，其中沿所述第一方向在所述柵極元件(7a-7c)的中心處將所述發(fā)射極 電極(15)分成兩個發(fā)射極部分(15)，其中所述柵電極(7a)與柵極布線(11)電耦合，該柵極布線(11) 沿所述第二方向延伸且設(shè)置于所述基極層(3)上，其中所述柵極布線(11)以及所述第一和第二浮置布線(12-13)設(shè)置 于所述兩個發(fā)射極部分(15)之間，并且其中所述柵極布線(11)以及所述第一和第二浮置布線(12-13)彼此 平行。
8、 一種溝槽柵極型絕緣柵雙極晶體管，包括 具有第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體襯底(201);具有第二導(dǎo)電類型且設(shè)置于所述襯底(201)的第一側(cè)上的溝道區(qū) (203a， 203b)，其中所述溝道區(qū)(203a， 203b)包括第一溝道區(qū)(203a) 和第二溝道區(qū)(203b);具有所述第一導(dǎo)電類型且設(shè)置于所述第一溝道區(qū)(203a)的表面部分 中的發(fā)射極區(qū)(204);多個穿透所述溝道區(qū)(203a，203b)且抵達所述襯底(201)的溝槽(205a， 205b)，其中所述多個溝槽(205a， 205b)包括第一溝槽(205a)和第二溝 槽(205b)，其中所述第一溝道區(qū)(203a)僅接觸所述第一溝槽(205a)， 而所述第二溝道區(qū)(203b)接觸所述第二溝槽(205b);隔著絕緣膜(206)設(shè)置于所述第一溝槽(205a)中的柵電極(207a);隔著所述絕緣膜(206)設(shè)置于所述第二溝槽(205b)中的嵌入電極 (207b)，其中所述嵌入電極(207b)與所述柵電極(207a)電隔離；以及與所述發(fā)射極區(qū)(204)和所述第一溝道區(qū)(203a)都電耦合的發(fā)射極 電極(210)，其中所述發(fā)射極電極(210)隔著所述絕緣膜(206)覆蓋所 述柵電極(207a)、所述嵌入電極(207b)和所述第二溝道區(qū)(203b)，使 得所述發(fā)射極電極(210)與所述柵電極(207a)、所述嵌入電極(207b)和所述第二溝道區(qū)(203b)電隔離，其中所述嵌入電極(207b)至少與夾在所述第一溝槽(205a)和所述 第二溝槽(205b)之間的所述第二溝道區(qū)(203b)電耦合。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的溝槽柵極型絕緣柵雙極晶體管， 其中所述嵌入電極(207b)僅與夾在所述第一溝槽(205a)和所述第二溝槽(205b)之間的所述第二溝道區(qū)(203b)電耦合。
10、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的溝槽柵極型絕緣柵雙極晶體管， 其中所述嵌入電極(207b)的表面的一部分與所述第二溝道區(qū)(203b)的表面的一部分電耦合。
11、 根據(jù)權(quán)利要求s-io中的任一項所述的溝槽柵極型絕緣柵雙極晶體管， 其中所述溝道區(qū)(203a， 203b)還包括一個或多個第一溝道區(qū)(203a)，并且其中所述嵌入電極(207b)與相鄰的兩個第一溝道區(qū)(203a)之間的 所述第二溝道區(qū)(203b)彼此電耦合，使得所述嵌入電極(207b)不在所 述第一溝道區(qū)(203a)上方連接到所述第二溝道區(qū)(203b)。全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有絕緣柵半導(dǎo)體元件的半導(dǎo)體器件和絕緣柵雙極晶體管。一種具有IGBT的半導(dǎo)體器件包括襯底(1)；襯底上的漂移層(2)和基極層(3)；穿透基極層以將基極層分成基極部分(3a-3d)的溝槽(4)；一個基極部分中的發(fā)射極區(qū)(5)；溝槽中的柵極元件(7a-7c)；發(fā)射極電極(15)；以及集電極電極(16)。所述一個基極部分提供溝道層(3a)，另一基極部分提供沒有發(fā)射極區(qū)的浮置層(3b-3d)。柵極元件包括與溝道層相鄰的柵電極(7a)和與浮置層相鄰的虛設(shè)柵電極(7b-7c)。浮置層包括與溝道層相鄰的第一浮置層(3b)以及遠離溝道層的第二浮置層(3c)。虛設(shè)柵電極和第一浮置層與基極層上的第一浮置布線(12)電耦合。虛設(shè)柵電極與第二浮置層隔離開。
文檔編號H01L29/72GK101499473SQ20091000983
公開日2009年8月5日 申請日期2009年1月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月28日
發(fā)明者岡部好文, 吉川功, 小山雅紀(jì), 淺井誠, 藤井岳志 申請人:株式會社電裝;富士電機電子技術(shù)株式會社