一種絕緣柵雙極型晶體管的關斷性能提升方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明主要涉及功率半導體器件技術(shù)領域，具體涉及低損耗的絕緣柵雙極型晶體管結(jié)構(gòu)及其制備方法，特別適用于電源供應、感應加熱、電力牽引等。
【背景技術(shù)】
[0002]絕緣柵雙極型晶體管在電源供應、感應加熱、電力牽引等功率開關應用中，需要更低的導通壓降和更小的關斷能量損耗，為此，近幾年提出了幾種創(chuàng)新的絕緣柵雙極型晶體管結(jié)構(gòu)，例如，文獻(I) [Y.0nozawa，"Development of the next generat1n 1700Vtrench-gate FS-1GBT^,Proceedings of the 23rdInternat1nal Symposium on PowerSemiconductor Devices and ICs,San Diego，CA，May.2011 ,P52-55]提出了本專利中的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，能夠獲得很低的導通壓降，但是在關斷時，由于積累的空穴的抽取速度緩慢，關斷時間長，導致關斷能量損耗很高。
[0003]為了在不犧牲導通壓降的前提下減小關斷能量損耗，本發(fā)明提出了一種帶有輕摻雜淺P阱的能夠調(diào)整發(fā)射極一端的載流子分布的絕緣柵雙極型晶體管。本發(fā)明與傳統(tǒng)的溝槽注入效率增強型晶體管相比，在相同的導通壓降條件下，關斷損耗減少了42%。本發(fā)明在目前的工藝條件下，取得了最好的減少關斷損耗的設計結(jié)果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明針對上述方面，提出了一種關斷性能提升的絕緣柵雙極型晶體管結(jié)構(gòu)及其制備方法。
[0005]本發(fā)明提供如下結(jié)構(gòu)技術(shù)方案:
[0006]—種絕緣柵雙極型晶體管，包括:重摻雜P型集電區(qū)，在重摻雜P型集電區(qū)的背面設有集電極金屬，其正面設有輕摻雜N型緩沖層，輕摻雜N型緩沖層上設有輕摻雜N型基極區(qū)，輕摻雜N型基極區(qū)上設有輕摻雜N型載流子存儲層，在輕摻雜N型載流子存儲層上設有存在互相平行的溝槽柵，所述溝槽柵是由第一類型柵氧化層和第一多晶硅柵構(gòu)成，第一類型柵氧化層位于第一多晶硅柵與輕摻雜N型載流子存儲層之間，所述溝槽柵深度深入輕摻雜N型基極區(qū)，溝槽柵將輕摻雜N型載流子存儲層分割成條狀，在條狀輕摻雜N型載流子存儲層上設有塊狀輕摻雜P型體區(qū)，且所述塊狀輕摻雜P型體區(qū)將所述條狀輕摻雜N型載流子存儲層分割成塊狀載流子存儲層，塊狀載流子存儲層表面上設有第二類型柵氧化層，第二類型柵氧化層與相鄰的溝槽柵的第一類型柵氧化層連接，第二類型柵氧化層上設有第二多晶硅柵，第二多晶硅柵分別與相鄰的溝槽柵內(nèi)的第一多晶硅柵連接，塊狀輕摻雜P型體區(qū)表面存在重摻雜P型源區(qū)，重摻雜P型源區(qū)表面存在重摻雜N型源區(qū)，在器件表面設有絕緣介質(zhì)層，發(fā)射極金屬通過絕緣介質(zhì)層上的通孔與重摻雜P型源區(qū)、重摻雜N型源區(qū)接觸，其中，在塊狀載流子存儲層與第二類型柵氧化層之間設有輕摻雜淺P阱，所述輕摻雜淺P阱與塊狀載流子存儲層相鄰的塊狀輕摻雜P型體區(qū)連接，所述絕緣柵雙極型晶體管關斷時，在輕摻雜淺P阱處形成P溝道，塊狀載流子存儲層內(nèi)的空穴會進入所述P溝道，并被P溝道迅速抽取。
[0007]上述的絕緣柵雙極型晶體管結(jié)構(gòu)中，同一個條狀N型載流子存儲層內(nèi)，相鄰的塊狀輕摻雜P型體區(qū)的中心間距為:Ιμ???I OOym。
[0008]上述的絕緣柵雙極型晶體管結(jié)構(gòu)中，相鄰的溝槽柵的中心間距為:Ιμπι?30μπι。
[0009]上述的絕緣柵雙極型晶體管結(jié)構(gòu)中，輕摻雜淺P阱的注入能量介于I?900keV，注入劑量介于I X 111?I X 116Cm2之間。
[0010]上述的絕緣柵雙極型晶體管結(jié)構(gòu)中，在絕緣柵雙極型晶體管的塊狀載流子存儲層與第二類型柵氧化層之間設置輕摻雜淺P阱，利用絕緣柵雙極型晶體管關斷時第二多晶硅柵上的電壓降低，輕摻雜淺P阱不被完全耗盡，在輕摻雜淺P阱處形成低導通電阻的導電溝道，空穴從輕摻雜N型基極區(qū)進入輕摻雜N型載流子存儲層，然后再進入輕摻雜淺P阱中的導電溝道，空穴通過所述導電溝道到達塊狀輕摻雜P型體區(qū)，最后進入重摻雜P型源區(qū)。
[0011 ]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點:
[0012]1、傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖4與圖6所示，包括重摻雜P型集電區(qū)2的背面是集電極金屬I，其正面是輕摻雜N型緩沖層3，輕摻雜N型緩沖層3上設有輕摻雜N型基極區(qū)4，輕摻雜N型基極區(qū)4上設有輕摻雜N型載流子存儲層5，輕摻雜N型載流子存儲層5表面存在互相平行的溝槽柵，所述溝槽柵是由第一類型柵氧化層6和第一多晶硅柵7構(gòu)成，其中第一類型柵氧化層6位于溝槽第一多晶硅柵7表面，所述溝槽柵深度深入輕摻雜N型基極區(qū)4，溝槽柵將輕摻雜N型載流子存儲層5分割成條狀，條狀的輕摻雜N型載流子存儲層5表面存在均勻分布的塊狀輕摻雜P型體區(qū)8，相鄰的塊狀輕摻雜P型體區(qū)8之間是塊狀載流子存儲層17，塊狀載流子存儲層17表面上設有第二類型柵氧化層14，第二類型柵氧化層14與相鄰的溝槽柵的第一類型柵氧化層6連接，第二類型柵氧化層14上設有第二多晶硅柵15，第二多晶硅柵15分別與相鄰的溝槽柵內(nèi)的第一多晶硅柵7連接，塊狀輕摻雜P型體區(qū)8表面存在重摻雜P型源區(qū)9，重摻雜P型源區(qū)9表面存在重摻雜N型源區(qū)10，在器件表面設有絕緣介質(zhì)層12，發(fā)射極金屬13通過絕緣介質(zhì)層12上的通孔與重摻雜P型源區(qū)9、重摻雜N型源區(qū)10接觸。
[0013]本發(fā)明結(jié)構(gòu)在器件導通時，第二多晶硅柵15上接有柵電壓，即高電位，這會將輕摻雜淺P阱11完全耗盡，P型導電溝道不存在，空穴無法通過輕摻雜淺P阱11被抽取，于是空穴在塊狀載流子存儲層17內(nèi)積累，出現(xiàn)電導調(diào)制效應，達到與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同的效果，因此導通壓降兩者基本一致。
[0014]與此同時本發(fā)明具有更短的關斷時間，更低的關斷損耗，極大的改善了絕緣柵雙極型晶體管導通壓降和關斷損耗的折衷關系，這是因為，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)在器件關斷時，塊狀載流子存儲層17內(nèi)積累的空穴由于離塊狀輕摻雜P型體區(qū)8較遠，很難被發(fā)射極金屬13抽取，所以關斷時間較長，關斷損耗大;本發(fā)明器件關斷時，第二多晶硅柵15電位下降，輕摻雜淺P阱11無法完全耗盡，會形成P溝道，此處的寄生P型場效應晶體管開啟，第二多晶硅柵15下方積累的空穴就會通過所述P溝道迅速被抽取。相比于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，本發(fā)明極大的縮短了關斷時間，降低了關斷損耗。
[0015]2、本發(fā)明器件結(jié)構(gòu)設計工藝保留了傳統(tǒng)的絕緣柵雙極型晶體管結(jié)構(gòu)的制造工藝，在輕摻雜N型載流子存儲層5表面通過一致性注入增加一層輕摻雜淺P阱11，具有良好的兼容性，工藝簡單。
【附圖說明】
[0016]圖1所示為第一種塊狀輕摻雜P型體區(qū)分布方法下的本發(fā)明芯片與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)絕緣柵雙極型晶體管芯片的俯視圖。
[0017]圖2所示為第二種塊狀輕摻雜P型體區(qū)分布方法下的本發(fā)明芯片的俯視圖。
[0018]圖3所示為本發(fā)明結(jié)構(gòu)沿著圖1中AA’截得的剖面結(jié)構(gòu)圖。
[0019]圖4所示為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)沿著圖1中AA’截得的剖面結(jié)構(gòu)圖。
[0020]圖5所示為本發(fā)明結(jié)構(gòu)沿著圖1中BB’截得的剖面結(jié)構(gòu)圖。
[0021]圖6所示為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)沿著圖1中BB’截得的剖面結(jié)構(gòu)圖。
[0022]圖7所示為本發(fā)明結(jié)構(gòu)關斷過程中圖5中空穴抽取電流和抽取路徑。
[0023]圖8所示為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)關斷過程中圖6中空穴抽取電流和抽取路徑。
[0024]圖9所示為本發(fā)明結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)在器件導通過程中的電壓電流圖
[0025]圖10所示為本發(fā)明結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)在器件關斷過程中空穴抽取速度說明圖。
[0026]圖11所示為本發(fā)明結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)在器件關斷過程中集電極電流、集電極電壓與關斷能量損耗圖。
[0027]圖12所示為本發(fā)明結(jié)構(gòu)關斷時寄生P型場效應晶體管等效電路圖。
【具體實施方式】
[0028]實施例1
[0029]—種絕緣柵雙極型晶體管，包括:重摻雜P型集電區(qū)2，在重摻雜P型集電區(qū)2的背面設有集電極金屬I，其正面設有輕摻雜N型緩沖層3，輕摻雜N型緩沖層3上設有輕摻雜N型基極區(qū)4，輕摻雜N型基極區(qū)4上設有輕摻雜N型載流子存儲層5，在輕摻雜N型載流子存儲層5上設有存在互相平行的溝槽柵，所述溝槽柵是由第一類型柵氧化層6和第一多晶硅柵7構(gòu)成，第一類型柵氧化層6位于第一多晶硅柵7與輕摻雜N型載流子存儲層5之間，所述溝槽柵深度深入輕摻雜N型基極區(qū)4，溝槽柵將輕摻雜N型載流子存儲層5分割成條狀，在條狀輕摻雜N型載流子存儲層5上設有塊狀輕摻雜P型體區(qū)8，且所述塊狀輕摻雜P型體區(qū)8將所述條狀輕摻雜N型載流子存儲層5分割成塊狀載流子存儲層17，塊狀載流子存儲層17表面上設有第二類型柵氧化層14，第二類型柵氧化層14與相鄰的溝槽柵的第一類型柵氧化層6連接，第二類型柵氧化層14上設有第二多晶硅柵15，第二多晶硅柵15分別與相鄰的溝槽柵內(nèi)的第一多晶硅柵7連接，塊狀輕摻雜P型體區(qū)8表面存在重摻雜P型源區(qū)9，重摻雜P型源區(qū)9表面存在重摻雜N型源區(qū)10，在器件表面設有絕緣介質(zhì)層12，發(fā)射極金屬13通過絕緣介質(zhì)層12上的通孔與重摻雜P型源區(qū)9、重摻雜N型源區(qū)10接觸，其中，在塊狀載流子存儲層17與第二類型柵氧化層14之間設有輕摻雜淺P阱11，所述輕摻雜淺P阱11與塊狀載流子存儲層17相鄰的塊狀輕摻雜P型體區(qū)8連接，所述絕緣柵雙極型晶體管關斷時，在輕摻雜淺P阱11處形成P溝道，塊狀載流子存儲層17內(nèi)的空穴會進入所述P溝道，并被P溝道迅速抽取。
[0030]同一個條狀N型載流子存儲層5內(nèi)，相鄰的塊狀輕摻雜P型體區(qū)8的中心間距為:Ιμπι?10umο
[0031 ] 相鄰的溝槽柵的中心間距為:Ιμπι?30μπι。
[0032]