具有不連續(xù)溝槽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(chǎng)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(lái)，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(shí)接觸N+反射區(qū)和P+接觸區(qū)。其中，在沿溝槽的延伸方向上，溝槽具有若干缺口。本發(fā)明在傳統(tǒng)的Trench-FS?IGBT基礎(chǔ)上，使溝槽具有周期性的小缺口。在P型基區(qū)擴(kuò)散工序時(shí)，P型基區(qū)可以穿越這些缺口。這部分P型基區(qū)可以有效的屏蔽器件的高電場(chǎng)區(qū)域，獲得更好的耐壓可靠性，而同時(shí)基本不影響器件的正向飽和壓降。
【專利說(shuō)明】具有不連續(xù)溝槽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(shí)施節(jié)能減排的主要途徑，因此市場(chǎng)對(duì)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(diǎn)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(jì)80年代發(fā)明的IGBT結(jié)合了大功率和易控制的優(yōu)點(diǎn)，而且無(wú)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(shí)代的發(fā)明。
[0003]自問(wèn)世以來(lái)，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(chǎng)終止)結(jié)構(gòu)等幾次升級(jí)換代，芯片性能大大提高。柵結(jié)構(gòu)也從Planar (平面型)升級(jí)到了 Trench (溝槽型)結(jié)構(gòu)。
[0004]本世紀(jì)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(méi)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)完全包圍，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)明的目的是降低溝槽頂部的電場(chǎng)強(qiáng)度，獲得更好的耐壓可靠性，為此，本發(fā)明提供一種具有不連續(xù)溝槽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，把連續(xù)的溝槽打斷，使溝槽具有周期性的小缺口。在制作IGBT的過(guò)程中，具體的說(shuō)是在P型基區(qū)擴(kuò)散工序時(shí)，P型基區(qū)可以穿越這些缺口，從而降低溝槽頂部的電場(chǎng)強(qiáng)度，獲得更好的耐壓可靠性。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0007]具有不連續(xù)溝槽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(chǎng)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(lái)，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(shí)接觸N+反射區(qū)和P+接觸區(qū)。所述溝槽是不連續(xù)的，即在沿溝槽的延伸方向上，溝槽具有若干缺口，使P型基區(qū)擴(kuò)散工序時(shí)，P型基區(qū)可以穿越所述缺口。
[0008]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述溝槽的若干缺口為周期性缺口。
[0009]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的溝槽缺口的寬度和間隔距離根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定。
[0010]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，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)明的有益效果是:
[0012]本發(fā)明在傳統(tǒng)的Trench-FS IGBT基礎(chǔ)上，溝槽(trench)打開了周期性的缺口，P型基區(qū)可以穿越這些缺口，有效的屏蔽器件的高電場(chǎng)區(qū)域，提高了器件的耐壓可靠性。同時(shí)由于trench的缺口比較小，穿越缺口的P型基區(qū)具有比較小的面積，因此對(duì)器件的正向飽和壓降基本毫無(wú)影響。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)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(duì)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)溝槽的溝槽雙極型晶體管的版圖；
[0016]圖4是圖3中對(duì)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(duì)應(yīng)的B-B’單元連線的縱向剖面結(jié)構(gòu)；
[0018]圖6是圖3中對(duì)應(yīng)的C-C’單元連線的縱向剖面結(jié)構(gòu)。
[0019]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(chǎng)終止層；9、P型集電極；10、金屬集電極；11、溝槽。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，為了避免圖形重疊，圖1和圖3中沒(méi)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。
[0021]本發(fā)明具有不連續(xù)溝槽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(duì)應(yīng)的A-A’單元、B-B’單元連線和C-C’單元連線的縱向剖面結(jié)構(gòu)分別如圖4、圖5和圖6所示。其中B-B’單元連線處于trench的缺口處。本發(fā)明具有不連續(xù)溝槽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(chǎng)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。圖4中多晶硅柵電極3和柵氧化層6還從trench中延伸出來(lái)，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(shí)接觸N+反射區(qū)2和P+接觸區(qū)4。圖5所示剖面結(jié)構(gòu)處于溝槽的缺口處，因此圖5中沒(méi)有trench柵結(jié)構(gòu)，但是仍然有平面柵結(jié)構(gòu)3和柵氧化層6，該平面柵結(jié)構(gòu)3和柵氧化層6覆蓋住頂部一側(cè)的漂移區(qū)7。在P型基區(qū)擴(kuò)散工序時(shí)，通過(guò)摻雜離子的橫向擴(kuò)散，使得P型基區(qū)5穿越trench的缺口。從圖6的剖面圖中可以清楚的看到，P型基區(qū)5穿越了 trench的缺口。
[0022]本發(fā)明的工作原理如下:
[0023]本發(fā)明所提供的新型Trench-FS IGBT結(jié)構(gòu)，可以有效提高器件的耐壓可靠性。其基本結(jié)構(gòu)如圖3，圖4，圖5和圖6所示。和圖1和圖2所示的傳統(tǒng)Trench-FS IGBT結(jié)構(gòu)相t匕，trench打開了周期性的缺口，P型基區(qū)5擴(kuò)散時(shí),通過(guò)摻雜離子的橫向擴(kuò)散,P型基區(qū)5可以穿越這些缺口。當(dāng)IGBT處于反向偏置時(shí)，集電極承受了較高的正電壓，因此器件內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)較高的電場(chǎng)強(qiáng)度，這對(duì)器件的耐壓可靠性有不利影響。在傳統(tǒng)的IGBT結(jié)構(gòu)(圖2)中，E點(diǎn)處的電場(chǎng)強(qiáng)度尤其高。這個(gè)高電場(chǎng)導(dǎo)致了器件的耐壓可靠性問(wèn)題。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)。圖4中的F點(diǎn)對(duì)應(yīng)于圖2中E點(diǎn)位置。圖6中也標(biāo)出了 F點(diǎn)的位置，從圖6可以看出:F點(diǎn)處于兩側(cè)的P型基區(qū)5之間，電場(chǎng)被兩側(cè)的P型基區(qū)4所屏蔽，因此F點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度比E點(diǎn)低。綜合以上分析，可見本發(fā)明的器件結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)的器件結(jié)構(gòu)具有更低的電場(chǎng)強(qiáng)度，提高了器件的耐壓可靠性。
[0024]本發(fā)明在傳統(tǒng)的Trench-FS IGBT基礎(chǔ)上，在trench中打開周期性的缺口。在P型基區(qū)擴(kuò)散工序時(shí)，通過(guò)摻雜離子的橫向擴(kuò)散，使得P型基區(qū)5穿越這些缺口。這部分多余出來(lái)的P型基區(qū)可以有效的屏蔽器件的高電場(chǎng)區(qū)域，降低了器件的最高電場(chǎng)強(qiáng)度，提高了器件的耐壓可靠性。同時(shí)由于trench的缺口比較小，穿越缺口的P型基區(qū)5具有比較小的面積，因此對(duì)器件的正向飽和壓降基本毫無(wú)影響。
[0025]在上述方案中，圖3中的LI和L2可以根據(jù)設(shè)計(jì)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，同時(shí)L2選擇的比較大，比如LI = 0.1um而且L2 = IOOum,這種結(jié)構(gòu)不會(huì)明顯的提高器件的耐壓可靠性，而且正向飽和壓降也不會(huì)有明顯的上升。反之，如果LI比較大，同時(shí)L2比較小，會(huì)明顯的提高器件的耐壓可靠性，但是同時(shí)正向飽和壓降也會(huì)相應(yīng)上升。
[0026]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(shí)施時(shí)，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(shí)，也可以用碳化硅，氮化鎵等其他半導(dǎo)體代替硅。
[0027]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)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(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.具有不連續(xù)溝槽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(chǎng)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(lái)，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(shí)接觸N+反射區(qū)(2)和P+接觸區(qū)(4);其特征在于:所述溝槽是不連續(xù)的，即在沿溝槽(11)的延伸方向上，溝槽具有若干缺口，使P型基區(qū)擴(kuò)散工序時(shí)，P型基區(qū)可以穿越所述缺口。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有不連續(xù)溝槽的溝槽雙極型晶體管，其特征在于:所述溝槽的若干缺口為周期性缺口。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的具有不連續(xù)溝槽的溝槽雙極型晶體管，其特征在于:所述的溝槽缺口的寬度和間隔距離根據(jù)設(shè)計(jì)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)溝槽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(hào)】H01L29/739GK103943673SQ201410185131
【公開日】2014年7月23日 申請(qǐng)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(qǐng)人:常州中明半導(dǎo)體技術(shù)有限公司