CN106960867B - 一种绝缘栅双极型晶体管器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种绝缘栅双极型晶体管,包括金属集电极、P型集电极、N型场终止层和N‑漂移区,晶体管顶部包括有源原胞和虚拟原胞,有源原胞和虚拟原胞通过沟槽栅分开,沟槽栅结构由相互接触的多晶硅栅电极和栅氧化层组成,有源原胞包括N+发射区和P+接触区,它们通过介质层的窗口和金属发射极相连,有源原胞和虚拟原胞都包含P型阱区,有源原胞内的P型阱区通过P+接触区和发射极电极相连,虚拟原胞内的P型阱区是不连续的,而且其电位悬空。本发明在具有虚拟原胞的IGBT结构的基础上,把悬空P型深阱变成较浅的悬空P型阱区,而且悬空P型阱区不连续,从而提高器件的载流子浓度,获得更低的正向饱和压降,进一步降低了工艺成本。
Description
技术领域
本发明属于功率半导体器件技术领域,具体来说涉及一种绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。
背景技术
IGBT是大功率应用的主流器件,不但可以耐受高压和提供大电流,而且控制方便。IGBT结构设计多种多样,其中具有虚拟原胞区域(dummy cell)的结构是比较常用的(参见,比如,美国专利8633510,以下称为“专利文件1”)。
专利文件1中描述的典型IGBT结构如图1所示。该结构包括:背面的金属集电极12、P型集电极11、N型场终止层10和N-漂移区9。晶体管顶部包括有源原胞和虚拟原胞。有源原胞和虚拟原胞通过沟槽栅分开。沟槽栅结构由相互接触的多晶硅栅电极3和栅氧化层7组成。有源原胞包括N+发射区1和P+接触区2,它们通过介质层4的窗口和金属发射极5相连。有源原胞内的P型阱区6通过P+接触区2和发射极电极相连。虚拟原胞包含P型深阱8。P型深阱8不和任何电极相连,其电位悬空。
图1结构的特征在于虚拟原胞的P型深阱8,其好处是可以减少栅电容。但是,这种P型深阱需要额外的扩散工艺实现,所以增加了工艺成本。P型深阱8和N-漂移区9之间还形成了大面积的PN结,降低了器件正向导通状态下的储存载流子密度,所以器件的正向饱和压降(Vcesat)比较大。
所以,有必要改进这种IGBT结构,降低工艺成本,同时降低器件的饱和压降。
发明内容
本发明的目的是减少工艺成本,而且提高晶体管器件的载流子浓度,获得更低的正向饱和压降,为此,本发明在传统的具有虚拟原胞的IGBT结构的基础上,把虚拟原胞的悬空P型深阱变成较浅的悬空P型阱区,而且悬空P型阱区是不连续的,从而提高器件的载流子浓度,获得更低的正向饱和压降。
具体来说,本发明采用了以下技术方案:
一种绝缘栅双极型晶体管,包括背面的金属集电极12、P型集电极11、N型场终止层10和N-漂移区9,晶体管顶部包括有源原胞和虚拟原胞,有源原胞和虚拟原胞通过沟槽栅分开;沟槽栅结构由相互接触的多晶硅栅电极3和栅氧化层7组成,有源原胞包括相互交替排列的一个或多个N+发射区1和多个P+接触区2,它们通过介质层的窗口和金属发射极相连;有源原胞和虚拟原胞都包含P型阱区6,有源原胞内的P型阱区6通过P+接触区2和发射极电极相连,其特征在于:虚拟原胞内包含一个或多个P型阱区6,并且虚拟原胞内包含的所述一个或多个P型阱区6是不连续的,而且其电位悬空。
优选地,多晶硅3从沟槽内伸展出来形成多晶硅桥,覆盖了虚拟原胞,在电位悬空的不连续P型阱区6上方,多晶硅桥开有窗口。
进一步,所述原胞的结构形状是条形、圆形、方形或者多边形。
优选地,所述晶体管的半导体材料是硅、碳化硅或者氮化硅。
本发明的有益技术效果:本发明在传统的具有虚拟原胞的IGBT结构的基础上,把虚拟原胞的悬空P型深阱变成较浅的悬空P型阱区,而且悬空P型阱区是不连续的,从而提高器件的载流子浓度,获得更低的正向饱和压降,并且进一步降低了工艺成本。
附图说明
图1是现有技术中IGBT结构图;
图2是本发明的一种实施方案的结构图;
图3是本发明的一种变型的结构图;
图4是两种IGBT结构的正向电流-电压曲线图;
图5是模拟所用的开关电路图;
图6是两种IGBT结构的关断波形。
具体实施方式
本发明公开了一种绝缘栅双极型晶体管,包括金属集电极、P型集电极、N型场终止层和N-漂移区,晶体管顶部包括有源原胞和虚拟原胞(dummy cell),有源原胞和虚拟原胞通过沟槽栅分开,沟槽栅结构由相互接触的多晶硅栅电极和栅氧化层组成,有源原胞包括N+发射区和P+接触区,它们通过介质层的窗口和金属发射极相连,有源原胞和虚拟原胞都包含P型阱区,有源原胞内的P型阱区通过P+接触区和发射极电极相连,虚拟原胞内的P型阱区是不连续的,而且其电位悬空。
本发明的技术方案如下:
一种绝缘栅双极型晶体管,包括金属集电极、P型集电极、N型场终止层和N-漂移区。晶体管顶部包括有源原胞和虚拟原胞(dummy cell)。有源原胞和虚拟原胞通过沟槽栅分开。沟槽栅结构由相互接触的多晶硅栅电极和栅氧化层组成,有源原胞包括N+发射区和P+接触区,它们通过介质层的窗口和金属发射极相连。有源原胞和虚拟原胞都包含P型阱区。有源原胞内的P型阱区通过P+接触区和发射极电极相连。虚拟原胞内的P型阱区是不连续的,而且其电位悬空。
作为本发明的进一步改进,所述多晶硅从沟槽内伸展出来形成多晶硅桥,覆盖了虚拟原胞。在悬空的P型阱区上方,多晶硅桥开有窗口。
作为本发明的进一步改进,所述的原胞结构形状是条形、圆形、方形或者多边形。
作为本发明的进一步改进,所述的半导体材料可以是硅,碳化硅或者氮化硅。
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例一:
本发明的一种绝缘栅双极型晶体管结构如图2所示,包括背面的金属集电极12、P型集电极11、N型场终止层10和N-漂移区9,晶体管顶部包括有源原胞和虚拟原胞。有源原胞和虚拟原胞通过沟槽栅分开。沟槽栅结构由相互接触的多晶硅栅电极3和栅氧化层7组成,有源原胞包括N+发射区1和P+接触区2,它们通过介质层的窗口和金属发射极相连。有源原胞和虚拟原胞都包含P型阱区6。有源原胞内的P型阱区6通过P+接触区2和发射极电极相连。其特征在于:虚拟原胞内的P型阱区6是不连续的,而且其电位悬空。
实施例二:
图3所示为本发明的一种变形结构,该实施例的晶体管和实施例一的晶体管结构相比,多晶硅可以从沟槽中伸展出来形成多晶硅桥状结构,覆盖虚拟原胞。在悬空的P型阱区6上方,多晶硅桥中可以有孔。这种结构的好处是多晶硅桥可以作为形成P型阱区6的注入工艺的自对准掩膜,节省一块光刻版,进一步降低工艺成本。
本发明的工作原理如下:
图1所示的结构,虚拟原胞的P型阱8和有源原胞的P型阱6的深度不同,所以无法同时制造完成,必须额外的工艺步骤。而且,P型深阱8和N-漂移区9之间还形成了大面积的PN结。尽管P型深阱8是处于悬空电位,但是P型深阱8和N-漂移区9之间仍然存在内在耗尽层(built-in depletion region), 降低了器件正向导通状态下的储存载流子密度,所以器件的正向饱和压降比较大。
图2所示的结构,虚拟原胞的P型阱6和有源原胞的P型阱6是同时制造完成的。而且虚拟原胞的P型阱6不连续,所以P型阱6和N-漂移区9之间PN结的面积比较小,所以其储存载流子密度比图1结构大,其正向饱和压降也比图1结构小。
为了定量的对比几种结构的性能,接下来对图1结构和本发明的图2结构的性能进行了三维数值模拟分析和对比。模拟的两种器件各层掺杂参数完全相同,而且都以1200VIGBT为例。
图4是两种IGBT的正向导通特性比较图。从中可以看出,结温(Tj)为150℃时,饱和压降(Vcesat)如下表所示。
图1结构 | 图2结构 | |
Vcesat | 2.47V | 2.27V |
由此可见,和图1结构相比,本发明提供的结构可以显著的降低饱和压降。
为了对比两种IGBT的动态开关特性,还进行了开关电路的三维数值模拟。图5是用来测试的硬开关(hard switching)电路。电路由IGBT和回流二极管(free wheelingdiode),负载电感(LLoad)和母线电压(Vbus)组成。IGBT的栅极由驱动电路(driver)通过栅电阻(Rg)控制。IGBT还具有寄生电感(Lg,Lc和Le)。
图6是两种结构的1200V IGBT关断波形的三维数值模拟结果。所采用的两种1200VIGBT芯片有效面积均为0.5cm2,母线电压=600V,负载电流为75A,两种IGBT配有完全相同的回流二极管。两种IGBT的栅极电阻都是15欧姆。所有器件的结温(Tj)都是150℃。
关断性能,包括关断能耗(Eoff)和关断电压尖峰(Vce peak)如下表所示。
图1结构 | 图2结构 | |
关断能耗 | 8.218mJ | 8.756mJ |
Vce峰值 | 771V | 761V |
可以明显看出,本发明的图2结构关断能耗只比图1结构多6.5%。本发明的图2结构的Vce峰值更低,具有更好的可靠性。
上面结合附图和具体实施例对本发明的实施方式作了详细的说明,但是本发明不限于上述实施方式,在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内,还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (3)
1.一种绝缘栅双极型晶体管,包括背面的金属集电极(12)、P型集电极(11)、N型场终止层(10)和N-漂移区(9),晶体管顶部包括有源原胞和虚拟原胞,有源原胞和虚拟原胞通过沟槽栅分开;沟槽栅结构由相互接触的多晶硅栅电极(3)和栅氧化层(7)组成,有源原胞包括相互交替排列的多个P+接触区(2)和一个或多个N+发射区(1),它们通过介质层的窗口和金属发射极相连;有源原胞和虚拟原胞都包含P型阱区(6),有源原胞内的P型阱区(6)通过P+接触区(2)和发射极电极相连,其特征在于:虚拟原胞内包含一个或多个P型阱区(6),并且虚拟原胞内包含的所述一个或多个P型阱区(6)是不连续的,而且其电位悬空,多晶硅(3)从沟槽内伸展出来形成多晶硅桥,覆盖了虚拟原胞,在电位悬空的不连续P型阱区(6)上方,多晶硅桥开有窗口。
2.根据权利要求1所述的绝缘栅双极型晶体管, 其特征在于:所述原胞的结构形状是条形、圆形、方形或者其他多边形。
3.根据权利要求1所述的绝缘栅双极型晶体管,其特征在于:所述晶体管的半导体材料是硅或者碳化硅。
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---|---|---|---|---|
CN102148239A (zh) * | 2010-02-05 | 2011-08-10 | 株式会社电装 | 绝缘栅极半导体器件 |
CN103956379A (zh) * | 2014-05-09 | 2014-07-30 | 常州中明半导体技术有限公司 | 具有优化嵌入原胞结构的cstbt器件 |
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