專利名稱：一種具有體電極的溝槽柵型絕緣柵雙極型晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體功率器件技術(shù)領(lǐng)域，涉及絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)。
背景技術(shù)：
lGBT(Insulate Gate Bipolar Transistor)絕緣柵雙極晶體管是一種具有MOS輸入、雙極輸出功能的M0S、雙極相結(jié)合的器件。作為新型的電力半導(dǎo)體器件，現(xiàn)已成為電力電子領(lǐng)域的新一代主流產(chǎn)品。IGB T既有MOSFET管的輸入阻抗高、控制功率小、驅(qū)動電路簡單、開關(guān)速度較高的優(yōu)點(diǎn)，又具有雙極功率晶體管的電流密度大、飽和壓降低、電流處理能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。所以IGBT被廣泛應(yīng)用于電磁爐、UPS不間斷電源、汽車電子點(diǎn)火器、三相電動機(jī)變頻器、電焊機(jī)開關(guān)電源等產(chǎn)品中作為功率開關(guān)管或功率輸出管。20世紀(jì)80年代初期研制的IGBT稱為平面穿通型絕緣柵雙極型晶體管 (PT-IGBT)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，它是在高濃度的P+襯底13上依次外延N型緩沖層14、N_基區(qū)3后制造成的絕緣柵雙極型晶體管結(jié)構(gòu)。由于存在N型緩沖層14，電場在N型緩沖層14 中將得到終止，從而形成一個(gè)梯形的電場分布，故可利用較薄的N—基區(qū)即可得到較高的擊穿電壓，有利于降低導(dǎo)通電阻，從而降低靜態(tài)功耗，但是由于P+襯底相對較厚，濃度很高，使得背發(fā)射結(jié)的注入效率很高，關(guān)斷時(shí)電子基本不能從背發(fā)射區(qū)流出，只靠在基區(qū)的復(fù)合消失，從而其關(guān)斷時(shí)間很長，增大了開關(guān)損耗。為了改善其開關(guān)特性，必須控制少子壽命，現(xiàn)已有采用諸如電子輻照、氦離子注入的方法降低少子壽命、也有用摻入重金屬元素控制少子壽命的技術(shù)。但是，這樣一來，會導(dǎo)致導(dǎo)通壓降成負(fù)溫系數(shù)，這種導(dǎo)通壓降的負(fù)溫系數(shù)特性不利于絕緣柵雙極型晶體管的并聯(lián)使用，因?yàn)槿绻渲幸恢Ы^緣柵雙極型晶體管的電流偏大一些，熱電正反饋效應(yīng)會使電流越來越集中在這支絕緣柵雙極型晶體管中，使其溫度越來越高，最終導(dǎo)致器件燒毀。而且絕緣柵雙極型晶體管的正向?qū)ê烷_關(guān)特性對少子壽命的控制有相反的要求，即少子壽命的減小，會導(dǎo)致正向?qū)▔航翟龃螅@些都會對性能控制和制造工藝帶來一定難度。此外，在制造大于600V的高壓穿通型絕緣柵雙極型晶體管時(shí)， 所需外延層厚度的增加，使得制造成本大大增加。針對穿通型絕緣柵雙極型晶體管的缺點(diǎn)，人們開發(fā)了平面非穿通型絕緣柵雙極型晶體管，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。它最主要的變革是采用了高電阻率的FZ(區(qū)熔)單晶替換昂貴的外延片，晶體完整性和均勻性得到充分滿足，在硅片背面用注入和退火的方法形成發(fā)射效率較低且較薄的P區(qū)。這一般稱之為“透明集電區(qū)”，采用此技術(shù)，可以使得絕緣柵雙極型晶體管在關(guān)斷時(shí)，N型基區(qū)的大量過剩電子可以以擴(kuò)散的方式穿透極薄的P區(qū)，而達(dá)到快速關(guān)斷的效果。由于采用了透明集電區(qū)技術(shù)，使得非穿通型絕緣柵雙極型晶體管與穿通型絕緣柵雙極型晶體管相比，具有以下主要性能特點(diǎn)導(dǎo)通壓降呈正溫度系數(shù)，功耗和電流拖尾隨溫度的變化小；由于對縱向PNP的發(fā)射效率有所降低和控制，明顯改善了關(guān)斷的延遲； 因不用外延片和不用壽命控制技術(shù)而成本低。但是由于電場分布為三角形分布，隨著IGBT 在高壓領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，N型基區(qū)的厚度也越來越厚，IGBT的導(dǎo)通損耗變得尤為嚴(yán)重。這主要是由于非穿通型絕緣柵雙極型晶體管在承受高耐壓時(shí)N—基區(qū)的電阻率較高且厚度較厚造成的。為了降低IGBT的通態(tài)損耗和提高電流密度，人們又發(fā)明了溝槽柵(trench gate) 型IGBT，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。這一代IGBT采取溝槽柵結(jié)構(gòu)代替平面柵，改善了器件的導(dǎo)通特性和電流密度。在平面柵結(jié)構(gòu)中，電流流向與表面平行的溝道時(shí)，柵極下面由P阱區(qū)5圍起來的一個(gè)結(jié)型場效應(yīng)管(JFET)是電流的必經(jīng)之路，它成為電流通道上的一個(gè)串聯(lián)電阻。 在溝槽柵結(jié)構(gòu)中，這個(gè)柵下面的JFET是被干法刻蝕的工藝很好地挖去了，連同包圍這個(gè)區(qū)域延伸到原來柵極下構(gòu)成溝道的部分P區(qū)層5也都挖掉。于是N發(fā)射源區(qū)6和留下的P區(qū)層5就暴露在該溝槽的側(cè)壁，通過側(cè)壁氧化等一系列特殊加工，側(cè)壁氧化層外側(cè)的P區(qū)5內(nèi)形成了垂直于硅片表面的溝道。在這種結(jié)構(gòu)中，JFET被挖掉，工作時(shí)電流從N—基區(qū)(漂移區(qū))3直接流進(jìn)垂直溝道而進(jìn)入源區(qū)。于是，這種IGBT的通態(tài)壓降中剔除了 J-FET這塊串聯(lián)電阻的貢獻(xiàn)。但是，在溝槽柵IGBT中，由于采用溝槽柵，電場在溝槽柵底部易集中，使得溝槽柵型絕緣柵場效應(yīng)晶體管的擊穿電壓降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種具有體電極的溝槽柵型絕緣柵雙極型晶體管，在傳統(tǒng)的溝槽柵型絕緣柵雙極型晶體管的基礎(chǔ)上引入一個(gè)溝槽型體電極，溝槽型體電極為多晶硅并被厚氧化層所包圍。通過優(yōu)化溝槽型體電極的槽深和厚氧化層的厚度，并在體電極上加一定的電壓， 可以產(chǎn)生一個(gè)與原峰值電場相反的電場，從而有效的減小了原槽柵底部的峰值電場，提高了擊穿電壓；同時(shí)，在器件正向?qū)〞r(shí)，通過控制溝槽型體電極上的電壓，可以在體電極厚氧化層外側(cè)形成多子積累層，從而有利于降低器件正向?qū)〞r(shí)的通態(tài)損耗。本發(fā)明技術(shù)方案如下一種具有體電極的溝槽柵型絕緣柵雙極型晶體管，如圖4所示，包括金屬化集電極l、p型集電區(qū)2、N_漂移區(qū)3、P+體區(qū)4、P型基區(qū)5、N+源區(qū)6、溝槽型多晶硅柵電極7、二氧化硅柵氧化層8、金屬化發(fā)射極9、體電極10、二氧化硅體電極氧化層11 ；金屬化集電極1 位于P型集電區(qū)2的背面，N—漂移區(qū)3位于P型集電區(qū)2的正面；N+源區(qū)6和P+體區(qū)4并排位于金屬化發(fā)射極9下方、且與金屬化發(fā)射極9相連，其中P+體區(qū)4下方直接與N—漂移區(qū)3相連，而N+源區(qū)6與N_漂移區(qū)3之間間隔著P型基區(qū)5 ；溝槽型多晶硅柵電極7在器件頂部位于金屬化發(fā)射極9的一側(cè)，其表面被二氧化硅柵氧化層8所包圍；二氧化硅柵氧化層8的側(cè)壁分別與N+源區(qū)6、P型基區(qū)5和N—漂移區(qū)3接觸，其底部與N—漂移區(qū)3接觸；體電極10在器件頂部位于金屬化發(fā)射極9的另一側(cè)，其表面被二氧化硅體電極氧化層11所包圍；二氧化硅體電極氧化層11的側(cè)壁分別與P+體區(qū)4、N_漂移區(qū)3接觸，其底部與N_漂移區(qū)3接觸。所述體電極(10)可采用溝槽型結(jié)構(gòu)，其電極材料可以是多晶硅、金屬或其他導(dǎo)體材料。所述二氧化硅體電極氧化層(11)為厚氧化層結(jié)構(gòu)，其厚度需大于0.5微米?，F(xiàn)以圖4為例，說明本發(fā)明的工作原理。本發(fā)明提供的一種具有體電極的溝槽柵型絕緣柵雙極型晶體管在傳統(tǒng)的溝槽柵型絕緣柵雙極型晶體管的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，引入的體電極10和二氧化硅體電極氧化層11，并加深了原有P+體區(qū)4的結(jié)深至與N—漂移區(qū)3相連。首先，在此種絕緣柵雙極型晶體管關(guān)斷時(shí)，即在集電極上1加正電位，柵極7和發(fā)射極9短路接零電位時(shí)，無溝道形成，P型基區(qū)5/P+體區(qū)4與N—漂移區(qū)3形成的PN結(jié)耐壓，耗盡層向N—漂移區(qū)3中擴(kuò)展。電場方向由下向上，但是由于電場會在溝槽型多晶硅柵電極7底部集中，這就降低了這里的峰值電場， 使擊穿發(fā)生在這里，并降低了器件耐壓。通過在體電極10上加一個(gè)正向電壓，會形成一個(gè)指向從上向下的逆向電場，從而在一定程度了降低了溝槽型多晶硅柵電極7底部的峰值電場，使該峰值電場與溝槽型多晶硅體電極10底部的電場折衷，如圖5所示，使擊穿電壓提高。其次，在此種絕緣柵雙極型晶體管正向?qū)〞r(shí)，柵極上加上一定的電壓，溝道形成，器件開啟，電流會從集電極流向發(fā)射極。通過在體電極10上加一定的電壓，會在體電極氧化層 11外側(cè)形成多子積累層，降低導(dǎo)通電阻，從而降低正向?qū)〞r(shí)的通態(tài)損耗。優(yōu)化的P+體區(qū) 4采用較深的結(jié)深，可以防止在體電極10上加電壓時(shí)造成P型基區(qū)5的反型，并且可以降低空穴電流的電阻。綜上所述，本發(fā)明在傳統(tǒng)的溝槽柵型絕緣柵雙極型晶體管的結(jié)構(gòu)中引入一個(gè)溝槽型體電極，所引入的溝槽型體電極與柵電極位置相對，通過優(yōu)化溝槽型體電極的槽深和厚氧化層的厚度，并在體電極上加一定的電壓，可以產(chǎn)生一個(gè)與原峰值電場相反的電場，從而有效的減小了原槽柵底部的峰值電場，提高了擊穿電壓；同時(shí)，在器件正向?qū)〞r(shí)，通過控制溝槽型體電極上的電壓，可以在體電極厚氧化層外側(cè)形成多子積累層，從而有利于降低器件正向?qū)〞r(shí)的通態(tài)損耗。


圖1是傳統(tǒng)的平面穿通型絕緣柵雙極型晶體管結(jié)構(gòu)示意圖。其中，1是金屬化集電極，13是P+襯底，14是N型緩沖層，3是N_漂移區(qū)，4是P+體區(qū)，5是P型基區(qū)，6是N+源區(qū)，7是多晶硅柵電極，8是二氧化硅柵氧化層，9是金屬化發(fā)射極。圖2是傳統(tǒng)的平面非穿通型絕緣柵雙極型晶體管結(jié)構(gòu)示意圖。其中，1是金屬化集電極，2是P型集電區(qū)，3是N_漂移區(qū)，4是P+體區(qū)，5是P型基區(qū)，6是N+源區(qū)，7是多晶硅柵電極，8是二氧化硅柵氧化層，9是金屬化發(fā)射極。圖3是傳統(tǒng)的溝槽柵型絕緣柵雙極型晶體管結(jié)構(gòu)示意圖。其中，1是金屬化集電極，2是P型集電區(qū)，3是N_漂移區(qū)，4是P+體區(qū)，5是P型基區(qū)，6是N+源區(qū)，7是溝槽型多晶硅柵電極，8是二氧化硅柵氧化層，9是金屬化發(fā)射極。圖4是本發(fā)明提供的具有體電極的溝槽柵型絕緣柵雙極型晶體管結(jié)構(gòu)示意圖。其中，1是金屬化集電極，2是P型集電區(qū)，3是N_漂移區(qū)，4是P+體區(qū)，5是P型基區(qū)，6是N+源區(qū)，7是溝槽型多晶硅柵電極，8是二氧化硅柵氧化層，9是金屬化發(fā)射極，10是體電極，11是體電極氧化層。圖5是本發(fā)明提供的具有體電極的溝槽柵型絕緣柵雙極型晶體管和傳統(tǒng)的溝槽柵型絕緣柵雙極型晶體管在阻斷狀態(tài)下的電場分布的比較如圖。圖6是本發(fā)明提供的具有體電極的溝槽柵型絕緣柵雙極型晶體管和傳統(tǒng)的溝槽柵型絕緣柵雙極型晶體管的在不同的體電極電壓下的阻斷電壓的比較圖。圖7是本發(fā)明提供的具有體電極的溝槽柵型絕緣柵雙極型晶體管和傳統(tǒng)的溝槽柵型絕緣柵雙極型晶體管當(dāng)擊穿電壓相同時(shí)，在不同體電壓下通態(tài)壓降的比較圖。圖8是本發(fā)明提供的具有體電極的溝槽柵型絕緣柵雙極型晶體管和傳統(tǒng)的溝槽柵型絕緣柵雙極型晶體管的在正向?qū)w電極電壓為30v時(shí)空穴濃度的分布的比較圖。圖9是本發(fā)明提供的具有體電極的溝槽柵型絕緣柵雙極型晶體管和傳統(tǒng)的溝槽柵型絕緣柵雙極型晶體管的在正向?qū)w電極電壓為30v時(shí)電子濃度的分布的比較圖。圖5至圖9中，Trench IGBT是指傳統(tǒng)的溝槽柵型絕緣柵雙極型晶體管，New IGBT 是指本發(fā)明所提供的具有體電極的溝槽柵型絕緣柵雙極型晶體管。
具體實(shí)施例方式一種具有體電極的溝槽柵型絕緣柵雙極型晶體管，如圖4所示，包括金屬化集電極l、p型集電區(qū)2、N_漂移區(qū)3、P+體區(qū)4、P型基區(qū)5、N+源區(qū)6、溝槽型多晶硅柵電極7、二氧化硅柵氧化層8、金屬化發(fā)射極9、體電極10、二氧化硅體電極氧化層11 ；金屬化集電極1 位于P型集電區(qū)2的背面，N—漂移區(qū)3位于P型集電區(qū)2的正面；N+源區(qū)6和P+體區(qū)4并排位于金屬化發(fā)射極9下方、且與金屬化發(fā)射極9相連，其中P+體區(qū)4下方直接與N—漂移區(qū)3相連，而N+源區(qū)6與N_漂移區(qū)3之間間隔著P型基區(qū)5 ；溝槽型多晶硅柵電極7在器件頂部位于金屬化發(fā)射極9的一側(cè)，其表面被二氧化硅柵氧化層8所包圍；二氧化硅柵氧化層8的側(cè)壁分別與N+源區(qū)6、P型基區(qū)5和N—漂移區(qū)3接觸，其底部與N—漂移區(qū)3接觸；體電極10在器件頂部位于金屬化發(fā)射極9的另一側(cè)，其表面被二氧化硅體電極氧化層11所包圍；二氧化硅體電極氧化層11的側(cè)壁分別與P+體區(qū)4、N_漂移區(qū)3接觸，其底部與N_漂移區(qū)3接觸。所述體電極10采用溝槽型結(jié)構(gòu)，其電極材料采用多晶硅；所述二氧化硅體電極氧化層11為厚氧化層結(jié)構(gòu)，其厚度為1.0微米。借助MEDICI仿真軟件，對所提供的如圖4所示的一種具有體電極的溝槽柵型絕緣柵雙極型晶體管的半個(gè)元胞進(jìn)行仿真，與如圖3所示的傳統(tǒng)的溝槽柵型絕緣柵雙極型晶體管進(jìn)行了仿真比較。仿真模擬薄片工藝制造的400伏的絕緣柵雙極型晶體管，傳統(tǒng)的溝槽柵型絕緣柵雙極型晶體管的仿真參數(shù)為P型集電區(qū)摻雜1 X IO18Cm-3,厚度為2 μ m 漂移區(qū)摻雜3X 1014cnT3，厚度為70 μ m ；槽柵深度2 μ m，寬度1 μ m ；柵氧化層厚度為IOOnm ； N+源區(qū)摻雜1 X 1020Cm_3，結(jié)深0. 2 μ m ;P型基區(qū)摻雜5 X IO17cnT3，結(jié)深1. 2 μ m ；P+體區(qū)摻雜 1 X IO20Cm-3,結(jié)深0. 2 μ m ；仿真半元胞寬度為3 μ m ；所提供的一種具有體電極的溝槽柵型絕緣柵雙極型晶體管仿真參數(shù)為，P+體區(qū)結(jié)深1. 2um，溝槽型多晶硅體電極深10 μ m，二氧化硅體電極氧化層厚度1 μ m，其他參數(shù)與傳統(tǒng)的溝槽柵型絕緣柵雙極型晶體管參數(shù)相同。在柵壓為0伏，體電極電壓為30伏，器件為阻斷狀態(tài)時(shí)，本發(fā)明提供的具有體電極的溝槽柵型絕緣柵雙極型晶體管和傳統(tǒng)的溝槽柵型絕緣柵雙極型晶體管在阻斷狀態(tài)下的電場分布的比較如圖5所示，可以看出，本發(fā)明提供的具有體電極的IGBT把原峰值電場一分為二，分為兩個(gè)峰值較小的電場，并且其耗盡區(qū)的范圍也擴(kuò)大了。圖6為本發(fā)明提供的具有體電極的溝槽柵型絕緣柵雙極型晶體管和傳統(tǒng)的溝槽柵型絕緣柵雙極型晶體管的在不同的體電極電壓下的阻斷電壓的比較，由圖6可知，體電極的電壓不同，所述結(jié)構(gòu)的擊穿電壓也不同，在體電極電壓達(dá)到30v時(shí)，所述結(jié)構(gòu)具有最優(yōu)的擊穿電壓。圖7為本發(fā)明提供的具有體電極的溝槽柵型絕緣柵雙極型晶體管和傳統(tǒng)的溝槽柵型絕緣柵雙極型晶體管當(dāng)擊穿電壓相同時(shí)，不同體電壓下通態(tài)壓降的比較圖。當(dāng)擊穿電壓相同時(shí)，所述結(jié)構(gòu)可以比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有更高的襯底摻雜濃度，并且體電極下還可以形成積累層來降低通態(tài)壓降。從圖 7可以看出，隨著體電壓的增大，通態(tài)壓降下降，這是因?yàn)轶w電壓越大積累層面積越大的緣故。圖8為本發(fā)明提供的具有體電極的溝槽柵型絕緣柵雙極型晶體管和傳統(tǒng)的溝槽柵型絕緣柵雙極型晶體管的在正向?qū)w電極電壓為30v時(shí)空穴濃度的分布的對比，從圖8中可以看出，新結(jié)構(gòu)的頂部空穴濃度更高，這是由于更強(qiáng)的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)所致。圖9為本發(fā)明提供的具有體電極的溝槽柵型絕緣柵雙極型晶體管和傳統(tǒng)的溝槽柵型絕緣柵雙極型晶體管體電極電壓為30v時(shí)電子濃度的分布的對比。由圖9可知，新結(jié)構(gòu)的電子濃度在頂部更高， 這是由于積累層所致，這增大了器件的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，降低通態(tài)損耗。
本發(fā)明提供的一種具有體電極的溝槽柵型絕緣柵雙極型晶體管，通過優(yōu)化的體電極的電壓，可以使器件在阻斷時(shí)提高擊穿電壓，在正向?qū)〞r(shí)具有更低的通態(tài)損耗。由 Medici仿真可知，在體電極電壓30伏時(shí)，與傳統(tǒng)的溝槽柵型絕緣柵雙極型晶體管相比在阻斷電壓一樣的情況下，通態(tài)壓降下降了約0. 2v;在襯底摻雜濃度一樣的情況下，擊穿電壓提高了約70伏。
權(quán)利要求
1.一種具有體電極的溝槽柵型絕緣柵雙極型晶體管，包括金屬化集電極α)、ρ型集電區(qū)0)、N_漂移區(qū)(3)、P+體區(qū)G)、p型基區(qū)(5)、N+源區(qū)(6)、溝槽型多晶硅柵電極(7)、二氧化硅柵氧化層(8)、金屬化發(fā)射極(9)；金屬化集電極⑴位于P型集電區(qū)(2)的背面， N—漂移區(qū)(3)位于P型集電區(qū)(2)的正面；N+源區(qū)(6)和P+體區(qū)(4)并排位于金屬化發(fā)射極(9)下方、且與金屬化發(fā)射極(9)相連，其中P+體區(qū)(4)下方直接與N_漂移區(qū)C3)相連， 而N+源區(qū)(6)與『漂移區(qū)(3)之間間隔著P型基區(qū)(5)；溝槽型多晶硅柵電極(7)在器件頂部位于金屬化發(fā)射極(9)的一側(cè)，其表面被二氧化硅柵氧化層(8)所包圍；二氧化硅柵氧化層(8)的側(cè)壁分別與N+源區(qū)(6)、P型基區(qū)(5)和N—漂移區(qū)(3)接觸，其底部與N—漂移區(qū)⑶接觸；其特征在于，所述溝槽柵型絕緣柵雙極型晶體管還具有體電極(10)和二氧化硅體電極氧化層(11)；所述體電極(10)在器件頂部位于金屬化發(fā)射極(9)的另一側(cè)，其表面被二氧化硅體電極氧化層(11)所包圍；二氧化硅體電極氧化層(11)的側(cè)壁分別與P+體區(qū)G)、 N—漂移區(qū)C3)接觸，其底部與N—漂移區(qū)C3)接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述具有體電極的溝槽柵型絕緣柵雙極型晶體管，其特征是，所述體電極(10)采用溝槽型結(jié)構(gòu)，其電極材料是多晶硅、金屬或其他導(dǎo)體材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述具有體電極的溝槽柵型絕緣柵雙極型晶體管，其特征是，所述二氧化硅體電極氧化層(11)為厚氧化層結(jié)構(gòu)，其厚度需大于0.5微米。
全文摘要
一種具有體電極的溝槽柵型絕緣柵雙極型晶體管，屬于半導(dǎo)體功率器件技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明在傳統(tǒng)溝槽柵型絕緣柵雙極型晶體管中引入溝槽型多晶硅體電極，通過優(yōu)化體電極上的電壓，可以改善傳統(tǒng)溝槽柵型絕緣柵雙極型晶體管電場在溝槽柵下集中的缺點(diǎn)，有效的降低了溝槽柵底部的峰值電場，提高了器件的擊穿電壓；并且，在器件正向?qū)〞r(shí)，體電極上的電壓可以在體電極厚氧化層外側(cè)形成多子積累層，降低導(dǎo)通電阻，從而降低正向?qū)〞r(shí)的通態(tài)損耗。
文檔編號H01L29/41GK102194864SQ20111011863
公開日2011年9月21日 申請日期2011年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月9日
發(fā)明者余士江, 劉小龍, 姜貫軍, 張超, 李婷, 李澤宏 申請人:電子科技大學(xué)