專利名稱：一種載流子儲(chǔ)存槽柵雙極型晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于功率半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域，涉及載流子儲(chǔ)存槽柵雙極型晶體管(Carrier Stored Trench Bipolar Transisitor,簡稱CSTBT)。
背景技術(shù)：
高壓功率半導(dǎo)體器件是功率電子的重要組成部 分，在諸如動(dòng)力系統(tǒng)中的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，消費(fèi)電子中變頻等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。在應(yīng)用中，高壓功率半導(dǎo)體器件需要具有低導(dǎo)通功耗，大導(dǎo)通電流，高電壓阻斷能力，柵驅(qū)動(dòng)簡單，低開關(guān)損耗等特性。絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor,簡稱IGBT)由于其在中高壓電力電子領(lǐng)域中展現(xiàn)出優(yōu)越的性能而得到廣泛的應(yīng)用。但是，IGBT作為一種雙極型器件，其關(guān)鍵參數(shù)導(dǎo)通壓降與關(guān)斷損耗之間存在折中關(guān)系，如何優(yōu)化這折中關(guān)系成為提高IGBT性能的關(guān)鍵。H. Takahashi等人在ISPSD'96 proceedings上首次提出了一種新的槽柵型IGBT結(jié)構(gòu)一CSTBT結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)通過在槽柵型IGBT的P型基區(qū)與N-漂移區(qū)之間添加一層濃度較高的N+載流子儲(chǔ)存層(簡稱CS層，如圖2所示)，可以使導(dǎo)通態(tài)下的器件的漂移區(qū)載流子的濃度提高，進(jìn)而在不影響關(guān)斷特性的情況下降低器件的導(dǎo)通壓降。CSTBT已由日本三菱公司商業(yè)化生產(chǎn)，并成為第五代IGBT器件的典型代表。但是，由于CS層的加入，槽柵邊緣處的電勢(shì)曲率半徑將大幅度增加，這將導(dǎo)致該處的發(fā)生電場(chǎng)集中，器件在槽柵邊緣容易產(chǎn)生提前擊穿的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)常規(guī)載流子儲(chǔ)存槽柵雙極型晶體管存在的在柵極邊緣處發(fā)生提前擊穿的技術(shù)問題，提供一種具有電場(chǎng)調(diào)制型基區(qū)的載流子儲(chǔ)存槽柵雙極型晶體管(可稱為FMP-CSTBT )。這種FMP-CSTBT在常規(guī)的CSTBT的CS層中插入數(shù)個(gè)摻雜濃度較高的P型條。在器件耐壓的過程中，P型條部分耗盡，產(chǎn)生負(fù)的耗盡電荷，從而對(duì)槽柵邊緣附近的電場(chǎng)進(jìn)行調(diào)制，降低槽柵邊緣處電勢(shì)的曲率半徑，使電場(chǎng)峰值向基區(qū)所在PN結(jié)轉(zhuǎn)移，避免了器件的提前擊穿，進(jìn)而有效提高了器件的反向耐壓能力及穩(wěn)定性。同時(shí)，未完全耗盡的P型條也為少數(shù)載流子的輸運(yùn)提供了額外的抽取通道，進(jìn)而加快少數(shù)載流子的抽取速度，縮短關(guān)斷時(shí)間，減小關(guān)斷損耗。同時(shí)，載流子儲(chǔ)存層沿著新的電導(dǎo)調(diào)制型基區(qū)的輪廓將基區(qū)完全包裹，載流子儲(chǔ)存效應(yīng)依然存在，使FMP-CSTBT保持了 CSTBT低導(dǎo)通壓降的優(yōu)勢(shì)。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種載流子儲(chǔ)存槽柵雙極型晶體管，如圖I所示，包括集電極結(jié)構(gòu)、漂移區(qū)結(jié)構(gòu)、發(fā)射極結(jié)構(gòu)和柵極結(jié)構(gòu)；所述集電極結(jié)構(gòu)包括P+集電區(qū)10和P+集電區(qū)10背面的金屬化集電極11 ;所述漂移區(qū)結(jié)構(gòu)包括位于P+集電區(qū)10正面的N-層I ;所述柵極結(jié)構(gòu)為溝槽柵結(jié)構(gòu)，位于N-層I頂層兩側(cè)，由溝槽型多晶硅柵、溝槽型多晶硅柵表面的金屬化柵極4和溝槽型多晶硅柵側(cè)面及底面的柵氧化層3構(gòu)成；所述發(fā)射極結(jié)構(gòu)包括P型基區(qū)2、位于P型基區(qū)2頂部兩側(cè)的N+發(fā)射區(qū)5、位于P型基區(qū)2頂部中間的P+接觸區(qū)、與N+發(fā)射區(qū)5和P+接觸區(qū)表面接觸的金屬化發(fā)射極6，以及位于P型基區(qū)2和N-層I之間的N+載流子存儲(chǔ)層7 ;所述柵極結(jié)構(gòu)中的柵氧化層3側(cè)面分別與N+發(fā)射區(qū)5、P型基區(qū)2和N+載流子存儲(chǔ)層7接觸，所述柵極結(jié)構(gòu)中的柵氧化層3底面與N-層I接觸；所述N+載流子存儲(chǔ)層7中還具有若干個(gè)均勻分布的P+條8 ;所述P+條8的頂面與P型基區(qū)2接觸、底面與N-層I接觸，且其長度方向平行于整個(gè)器件的寬度方向。本發(fā)明提供的載流子儲(chǔ)存槽柵雙極型晶體管，其特點(diǎn)是對(duì)圖2所示的常規(guī)載流子儲(chǔ)存槽柵雙極型晶體管的P型基區(qū)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，即在圖2所示的常規(guī)CSTBT的P型基區(qū)2下添加數(shù)個(gè)與P型基區(qū)2接觸的P+條8 ;P+條8均勻分布于N+載流子存儲(chǔ)層7中且其長度方向平行于整個(gè)器件的寬度方向。這樣，由均勻分布于N+載流子存儲(chǔ)層7中的P+條8與原P型基區(qū)2 —起構(gòu)成了新的P型基區(qū)。P+條8由離子注 入及高溫推結(jié)工藝形成，其數(shù)目、摻雜濃度、長寬尺寸以及相鄰兩條P+條8之間的間距可根據(jù)對(duì)電場(chǎng)調(diào)制的要求進(jìn)行優(yōu)化取值。本發(fā)明提供的載流子儲(chǔ)存槽柵雙極型晶體管，其漂移區(qū)結(jié)構(gòu)可與現(xiàn)有各種半導(dǎo)體功率器件的陽極結(jié)構(gòu)、各種現(xiàn)有載流子儲(chǔ)存槽柵雙極型晶體管的漂移區(qū)和柵極結(jié)構(gòu)相結(jié)合，組合出具有本發(fā)明所述陰極結(jié)構(gòu)的載流子儲(chǔ)存槽柵雙極型晶體管。本發(fā)明提供的載流子儲(chǔ)存槽柵雙極型晶體管，其工作原理如下在所述載流子儲(chǔ)存槽柵雙極型晶體管(CSTBT)的金屬化集電極11上加正電壓，金屬化發(fā)射極6加零電壓，使柵極上所加的正電壓大于CSTBT的閾值電壓，則器件開啟，進(jìn)入導(dǎo)通態(tài)。由于CS層將所述P型基區(qū)完全包裹，所述的FMP-CSTBT具有與常規(guī)CSTBT相同的導(dǎo)通特性。即CS層在少子空穴向陰極輸運(yùn)的過程中設(shè)置了勢(shì)壘，從而提高了漂移區(qū)中載流子的濃度，使電導(dǎo)調(diào)制更加充分，導(dǎo)通壓降得以降低。將CSTBT的柵極上的正電壓撤銷，則器件開始關(guān)斷，進(jìn)入截止態(tài)。在關(guān)斷的過程中CS層7將被完全耗盡，對(duì)關(guān)斷時(shí)間基本沒有影響。而P+條8由于摻雜濃度較P型基區(qū)高而并未完全耗盡，P+條8與N-層I的廣泛接觸為儲(chǔ)存在漂移區(qū)的少子的抽取提供了額外的通道，使抽取的速度加快，電流拖尾明顯減小，進(jìn)而縮短了器件的關(guān)斷時(shí)間，降低了關(guān)斷損耗。在截止態(tài)下，P+條8內(nèi)的耗盡區(qū)存在負(fù)電荷，能夠?qū)艠O結(jié)構(gòu)邊緣處電場(chǎng)進(jìn)行強(qiáng)烈的調(diào)制，消除該處的曲率效應(yīng)和電場(chǎng)集中，使擊穿點(diǎn)由柵極的邊界轉(zhuǎn)移到器件體內(nèi)PN結(jié)處，防止了器件的提前擊穿，進(jìn)而提高了器件的耐壓。對(duì)本發(fā)明提供的FMP-CSTBT和常規(guī)CSTBT結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真對(duì)比，進(jìn)一步證實(shí)了本結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。圖3給出了 FMP-CSTBT分別與具有相同CS層厚度的CSTBTl及具有相同的槽柵長度的CSTBT2的耐壓對(duì)比。從圖中可以看出FMP-CSTBT，CSTBTl以及CSTBT2的耐壓分別為1480V、1310V和1050V，可見本發(fā)明提供的FMP-CSTBT能夠有效提高器件的耐壓。FMP-CSTBT與常規(guī)CSTBT結(jié)構(gòu)的等勢(shì)線分布如圖4所示，由于新型P型基區(qū)結(jié)構(gòu)的加入，F(xiàn)MP-CSTBT槽柵邊緣處的曲率效應(yīng)被完全抑制；而常規(guī)CSTBT結(jié)構(gòu)由于CS層的曲率增強(qiáng)作用，曲率效應(yīng)十分顯著。對(duì)FMP-CSTBT與常規(guī)CSTBT的關(guān)斷特性進(jìn)行了仿真，其結(jié)果如圖5所示。相比于具有相同槽柵長度的CSTBT2，F(xiàn)MP-CSTBT的關(guān)斷時(shí)間減小了 O. 3us (17%)。綜上，本發(fā)明的有益成果體現(xiàn)在本發(fā)明提供的載流子儲(chǔ)存槽柵雙極型晶體管(FMP-CSTBT)，在保持常規(guī)CSTBT低導(dǎo)通壓降的優(yōu)勢(shì)下，通過對(duì)柵極及基區(qū)電場(chǎng)的調(diào)制提高器件的耐壓，同時(shí)也提高了器件的關(guān)斷速度，降低器件的開關(guān)損耗，具有高耐壓、大電流、低功耗的優(yōu)點(diǎn)。相比于在柵極表面擊穿的CSTBT，所述器件的擊穿方式為雪崩擊穿，器件具有更高的可靠性。


圖I是本發(fā)明所提供的載流子儲(chǔ)存槽柵雙極型晶體管(FMP-CSTBT)結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是常規(guī)的CSTBT結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是常規(guī)的CSTBT與本發(fā)明提供的FMP-CSTBT的耐壓比較圖。圖4是常規(guī)的CSTBT與本發(fā)明提供的FMP-CSTBT的等勢(shì)線比較圖。圖5是常規(guī)的CSTBT與本發(fā)明提供的FMP-CSTBT的關(guān)斷特性比較圖。
具體實(shí)施例方式一種載流子儲(chǔ)存槽柵雙極型晶體管，如圖I所示，包括集電極結(jié)構(gòu)、漂移區(qū)結(jié)構(gòu)、發(fā)射極結(jié)構(gòu)和柵極結(jié)構(gòu)；所述集電極結(jié)構(gòu)包括P+集電區(qū)10和P+集電區(qū)10背面的金屬化集電極11 ;所述漂移區(qū)結(jié)構(gòu)包括位于P+集電區(qū)10正面的N-層I ;所述柵極結(jié)構(gòu)為溝槽柵結(jié)構(gòu)，位于N-層I頂層兩側(cè)，由溝槽型多晶硅柵、溝槽型多晶硅柵表面的金屬化柵極4和溝槽型多晶硅柵側(cè)面及底面的柵氧化層3構(gòu)成；所述發(fā)射極結(jié)構(gòu)包括P型基區(qū)2、位于P型基區(qū)2頂部兩側(cè)的N+發(fā)射區(qū)5、位于P型基區(qū)2頂部中間的P+接觸區(qū)、與N+發(fā)射區(qū)5和P+接觸區(qū)表面接觸的金屬化發(fā)射極6，以及位于P型基區(qū)2和N-層I之間的N+載流子存儲(chǔ)層7 ;所述柵極結(jié)構(gòu)中的柵氧化層3側(cè)面分別與N+發(fā)射區(qū)5、P型基區(qū)2和N+載流子存儲(chǔ)層7接觸，所述柵極結(jié)構(gòu)中的柵氧化層3底面與N-層I接觸；所述N+載流子存儲(chǔ)層7中還具有若干個(gè)均勻分布的P+條8 ;所述P+條8的頂面與P型基區(qū)2接觸、底面與N-層I接觸，且其長度方向平行于整個(gè)器件的寬度方向。所述P+條8由離子注入及高溫推結(jié)工藝形成。所述P+條8的數(shù)目、摻雜濃度、長寬尺寸以及相鄰兩條P+條8之間的間距可根據(jù)對(duì)電場(chǎng)調(diào)制的要求進(jìn)行優(yōu)化取值。所述漂移區(qū)結(jié)構(gòu)還可采用PT型或FS型漂移區(qū)結(jié)構(gòu)，即在漂移區(qū)結(jié)構(gòu)的N-層I和集電極結(jié)構(gòu)的P+集電區(qū)10之間還具有一層N+緩沖層9。本發(fā)明提供的載流子儲(chǔ)存槽柵雙極型晶體管，其漂移區(qū)結(jié)構(gòu)可與現(xiàn)有各種半導(dǎo)體功率器件的陽極結(jié)構(gòu)、各種現(xiàn)有載流子儲(chǔ)存槽柵雙極型晶體管的漂移區(qū)和柵極結(jié)構(gòu)相結(jié)合，組合出具有本發(fā)明所述陰極結(jié)構(gòu)的載流子儲(chǔ)存槽柵雙極型晶體管。應(yīng)當(dāng)說明，本發(fā)明的核心發(fā)明點(diǎn)在于提出了一種可快速關(guān)斷的FMP-CSTBT結(jié)構(gòu)。說明書中所舉仿真結(jié)果只為更具體明了的闡述本發(fā)明所具有的優(yōu)勢(shì)，并不代表已經(jīng)達(dá)到了最優(yōu)值，本領(lǐng)域技術(shù)人員可通過對(duì)本發(fā)明結(jié)構(gòu)各參數(shù)的優(yōu)化來獲得更好的結(jié)果。本發(fā)明中結(jié)構(gòu)的制備工藝具有很多種變化，本發(fā)明中提供的制備方法僅為實(shí)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)的一種途徑。本發(fā)明不可能也沒有必要將一一逐級(jí)，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解在本發(fā)明的基礎(chǔ)上所作出的各種結(jié)構(gòu)或工藝上的變化，均在本發(fā)明申請(qǐng)保護(hù)的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種載流子儲(chǔ)存槽柵雙極型晶體管，包括集電極結(jié)構(gòu)、漂移區(qū)結(jié)構(gòu)、發(fā)射極結(jié)構(gòu)和柵極結(jié)構(gòu)；所述集電極結(jié)構(gòu)包括P+集電區(qū)(10)和P+集電區(qū)(10)背面的金屬化集電極(11);所述漂移區(qū)結(jié)構(gòu)包括位于P+集電區(qū)(10)正面的N-層(I);所述柵極結(jié)構(gòu)為溝槽柵結(jié)構(gòu)，位于N-層(I)頂層兩側(cè)，由溝槽型多晶硅柵、溝槽型多晶硅柵表面的金屬化柵極(4)和溝槽型多晶硅柵側(cè)面及底面的柵氧化層(3)構(gòu)成；所述發(fā)射極結(jié)構(gòu)包括P型基區(qū)(2)、位于P型基區(qū)(2)頂部兩側(cè)的N+發(fā)射區(qū)(5)、位于P型基區(qū)(2)頂部中間的P+接觸區(qū)、與N+發(fā)射區(qū)(5)和P+接觸區(qū)表面接觸的金屬化發(fā)射極(6)，以及位于P型基區(qū)(2)和N-層(I)之間的N+載流子存儲(chǔ)層(7);所述柵極結(jié)構(gòu)中的柵氧化層(3)側(cè)面分別與N+發(fā)射區(qū)(5)、P型基區(qū)(2)和N+載流子存儲(chǔ)層(7)接觸，所述柵極結(jié)構(gòu)中的柵氧化層(3)底面與N-層(I)接觸；其特征在于，所述N+載流子存儲(chǔ)層(7 )中還具有若干個(gè)均勻分布的P+條(8 );所述P+條(8 )的頂面與P型基區(qū)(2)接觸、底面與N-層(I)接觸，且其長度方向平行于整個(gè)器件的寬度方向。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的載流子儲(chǔ)存槽柵雙極型晶體管，其特征在于，所述P+條(8)由離子注入及高溫推結(jié)工藝形成。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的載流子儲(chǔ)存槽柵雙極型晶體管，其特征在于，所述P+條(8)的數(shù)目、摻雜濃度、長寬尺寸以及相鄰兩條P+條(8)之間的間距可根據(jù)對(duì)電場(chǎng)調(diào)制的要求進(jìn)行優(yōu)化取值。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的載流子儲(chǔ)存槽柵雙極型晶體管，其特征在于，所述漂移區(qū)結(jié)構(gòu)為PT型或FS型漂移區(qū)結(jié)構(gòu)，即在漂移區(qū)結(jié)構(gòu)的N-層(I)和集電極結(jié)構(gòu)的P+集電區(qū)(10)之間還具有一層N+緩沖層(9)。
全文摘要
一種載流子儲(chǔ)存槽柵雙極型晶體管(FMP-CSTBT)，屬于功率半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明在常規(guī)的CSTBT的P型基區(qū)下的N+載流子存儲(chǔ)層中插入若干個(gè)P+條，P+條8的頂面與P型基區(qū)2接觸、底面與N-層1接觸，且其長度方向平行于整個(gè)器件的寬度方向。在器件耐壓的過程中，P+條部分耗盡，產(chǎn)生負(fù)的耗盡電荷，從而對(duì)槽柵邊緣附近的電場(chǎng)進(jìn)行調(diào)制，降低槽柵邊緣處電勢(shì)的曲率半徑，使電場(chǎng)峰值向基區(qū)所在PN結(jié)轉(zhuǎn)移，避免了器件的提前擊穿，進(jìn)而有效提高了器件的反向耐壓能力及穩(wěn)定性。同時(shí)，未完全耗盡的P型條也為少數(shù)載流子的輸運(yùn)提供了額外的抽取通道，進(jìn)而加快少數(shù)載流子的抽取速度，縮短關(guān)斷時(shí)間，減小關(guān)斷損耗。
文檔編號(hào)H01L29/739GK102800691SQ201210315629
公開日2012年11月28日 申請(qǐng)日期2012年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月31日
發(fā)明者陳萬軍, 齊躍, 汪志剛, 張波, 李澤宏 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)