具有優(yōu)化嵌入原胞結(jié)構(gòu)的cstbt器件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有優(yōu)化嵌入原胞結(jié)構(gòu)的CSTBT器件，包括金屬集電極、P型集電極、N型場終止層和N-漂移區(qū)，器件頂部包括有源原胞和嵌入原胞兩種區(qū)域。嵌入原胞區(qū)域的溝槽結(jié)構(gòu)由多晶硅和柵氧化層組成，多晶硅和金屬發(fā)射極都和發(fā)射極電極相連接，嵌入原胞區(qū)域的溝槽之間具有CS層。嵌入原胞區(qū)域的溝槽之間取消P型基區(qū)，且多個溝槽內(nèi)的多晶硅之間沒有多晶硅橋相連。本發(fā)明在傳統(tǒng)的CSTBT基礎(chǔ)上，取消了嵌入原胞區(qū)域trench之間的P型基區(qū)，且嵌入原胞區(qū)域trench內(nèi)的多晶硅之間沒有多晶硅橋相連，進(jìn)一步提高了器件載流子濃度，顯著降低了飽和壓降以及短路電流的峰值和穩(wěn)定值。同時完全不影響器件的米勒電容和耐壓性能。
【專利說明】具有優(yōu)化嵌入原胞結(jié)構(gòu)的CSTBT器件
【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)，尤其涉及載流子儲存溝槽雙極型晶體管(CSTBT)。
【背景技術(shù)】
[0002]作為一種大功率半導(dǎo)體器件，IGBT不但可以耐受高壓和提供大電流，而且其柵極的控制也非常方便。自問世以來，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 (場終止)結(jié)構(gòu)等幾次升級換代，芯片性能大大提高。柵結(jié)構(gòu)也從Planar (平面型)升級到了 Trench (溝槽型)結(jié)構(gòu)。
[0003]文章(“CarrierStored Trench-Gate Bipolar Transistor (CSTBT)-ANovel Power Device for High Voltage Application，，，H.Takahashi, et al., The8thInternational Symposium on Power Semiconductor Devices and ICsl996, pp349_352)首次公開了 CSTBT結(jié)構(gòu)。其主要特征為，在P型基區(qū)下面引入了一層高濃度的N型CS層(carrier stored region),增強(qiáng)了載流子密度，降低了正向飽和壓降。
[0004]專利US6891224進(jìn)一步公開了 CSTBT的CS層的設(shè)計思路，指出CS層可以采用比較高的摻雜濃度，從而進(jìn)一步提高載流子濃度(carrier density),降低正向飽和壓降(Vcesat)。
[0005]文章(“Characteristicsof al200V CSTBT Optimized for IndustrialApplications，，，Y.Tomomatsu, et al., Industry Applications Conference, 2001, vol.2,pp 1060 - 1065)，以及專利US6953968和US8507945進(jìn)一步公開了 CSTBT的嵌入原胞(Plugged Cell)結(jié)構(gòu),加入嵌入原胞可以起到減少米勒電容(即集電極-發(fā)射極電容，Cce)和抑制短路電流振蕩等作用。
[0006]圖1是傳統(tǒng)的CSTBT結(jié)構(gòu)圖。包括背面的金屬集電極(Collector) 13，P型集電極12，N型場終止(FS)層11和N-漂移區(qū)10。器件頂部分為有源原胞(Active Cell)和嵌入原胞(Plugged Cell)兩種區(qū)域。其中Active Cell區(qū)域的Trench結(jié)構(gòu)由由相互接觸的多晶娃6和柵氧化層9組成；多晶娃6和器件的柵電極(Gate)相連。Plugged Cell區(qū)域的Trench結(jié)構(gòu)由多個多晶娃3和柵氧化層9組成；多晶娃3和金屬發(fā)射極5都和發(fā)射極電極(Emitter)相連接。Trench之間還包括P型基區(qū)(p-body) 7和CS層8。Plugged Cell區(qū)域的P型基區(qū)7和金屬發(fā)射極。5之間被介質(zhì)層4隔離，不和任何電極相連接，因此處于懸空(floating)電位。Active Cell區(qū)域的P型基區(qū)7上面還有N+發(fā)射區(qū)I和P+接觸區(qū)
2；N+發(fā)射區(qū)I和P+接觸區(qū)2通過介質(zhì)層4中的窗口和金屬發(fā)射極5相連接。
[0007]為了仔細(xì)的研究載流子分布特性，對圖1結(jié)構(gòu)進(jìn)行了二維數(shù)值模擬分析。模擬實例中所采用的是1200V CSTBT結(jié)構(gòu)，采用的P型基區(qū)、CS層，N-漂移區(qū)和FS層等各層的摻雜濃度在圖2中也標(biāo)注出來。圖2顯示的是圖1器件結(jié)構(gòu)在室溫正向?qū)顟B(tài)(Tj =25°C, Vge = 15V，Vce = 1.2V，額定電流密度150Acm_2)，沿著AA’單元連線的縱向載流子分布曲線?？梢钥闯觯m然CS層的峰值摻雜濃度(doping concentration)已經(jīng)非常高(達(dá)到了 8X1016cm_3);但是在CS層的峰值之后，載流子的濃度突然下降，形成了一個“肩部”(shoulder)區(qū)域。這個“肩部”區(qū)域的載流子濃度只有2X1016cm_3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于CS層的峰值，拉低了 CS層和整個N-漂移區(qū)10中的載流子濃度。因此有必要提高“肩部”載流子濃度，以提高整個N-漂移區(qū)10中的載流子濃度，進(jìn)一步降低正向飽和壓降。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]針對現(xiàn)有技術(shù)中，載流子儲存溝槽雙極型晶體管(CSTBT)存在的上述問題，本發(fā)明提供一種具有優(yōu)化嵌入原胞結(jié)構(gòu)的CSTBT器件，在保持同樣的CS層摻雜濃度條件下，可以進(jìn)一步提高載流子濃度，顯著的降低飽和壓降；新結(jié)構(gòu)器件還可以顯著的降低短路電流的峰值和穩(wěn)定值。同時完全不影響器件的米勒電容和耐壓性能。
[0009]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0010]具有優(yōu)化嵌入原胞結(jié)構(gòu)的CSTBT器件，包括背面的金屬集電極、P型集電極、N型場終止層和N-漂移區(qū)，所述器件頂部包括有源原胞和嵌入原胞兩種區(qū)域，其中:有源原胞區(qū)域的溝槽結(jié)構(gòu)由相互接觸的多晶硅和柵氧化層組成，多晶硅和器件的柵電極相連，有源原胞區(qū)域的溝槽旁邊包括P型基區(qū)和CS層，P型基區(qū)上面還設(shè)有N+發(fā)射區(qū)和P+接觸區(qū)，N+發(fā)射區(qū)和P+接觸區(qū)通過介質(zhì)層中的窗口和金屬發(fā)射極相連接；嵌入原胞區(qū)域的溝槽結(jié)構(gòu)由多晶硅和柵氧化層組成，多晶硅和金屬發(fā)射極都和發(fā)射極電極相連接，嵌入原胞區(qū)域的溝槽之間具有CS層；嵌入原胞區(qū)域的溝槽之間、CS層的上方用N-漂移區(qū)替代P型基區(qū)，且嵌入原胞區(qū)域的多個溝槽內(nèi)的多晶硅之間沒有多晶硅橋相連。
[0011]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，有源原胞和嵌入原胞區(qū)域所包含的溝槽數(shù)目比例根據(jù)設(shè)計要求確定。
[0012]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，原胞結(jié)構(gòu)形狀是條形、圓形、方形或者多邊形。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所采用的半導(dǎo)體材料是硅、碳化硅、氮化鎵。
[0013]本發(fā)明的有益效果是:
[0014]本發(fā)明在保持同樣的CS層摻雜濃度條件下，可以進(jìn)一步提高載流子濃度，顯著的降低飽和壓降；本發(fā)明器件還可以顯著的降低短路電流的峰值和穩(wěn)定值。同時完全不影響器件的米勒電容和耐壓性能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是傳統(tǒng)的CSTBT結(jié)構(gòu)圖；
[0016]圖2是圖1所示CSTBT沿著AA’單元連線的縱向載流子分布曲線；
[0017]圖3是本發(fā)明提出的一種具有優(yōu)化嵌入原胞結(jié)構(gòu)的CSTBT器件結(jié)構(gòu)；
[0018]圖4是圖3所示CSTBT沿著AA’單元連線的縱向載流子分布曲線；
[0019]圖5是圖1和圖3所示兩種CSTBT的載流子濃度對比圖；
[0020]圖6是圖1和圖3所示兩種CSTBT的正向?qū)▔航堤匦詫Ρ葓D；
[0021]圖7是圖1所示CSTBT的電場分布圖；
[0022]圖8是圖3所示CSTBT的電場分布圖；
[0023]圖9是圖1和圖3所示兩種CSTBT米勒電容曲線對比圖；
[0024]圖10是圖1所示CSTBT短路電流波形；[0025]圖11是圖3所示CSTBT短路電流波形；
[0026]圖12是用來測試的開關(guān)電路；
[0027]圖13是柵極電阻為5歐姆時的圖1所示CSTBT的開通波形；
[0028]圖14是柵極電阻為15歐姆時的圖1所示CSTBT的開通波形；
[0029]圖15是柵極電阻為25歐姆時的圖1所示CSTBT的開通波形；
[0030]圖16是柵極電阻為5歐姆時的圖3所示CSTBT的開通波形；
[0031]圖17是柵極電阻為15歐姆時的圖3所示CSTBT的開通波形；
[0032]圖18是柵極電阻為25歐姆時的圖3所示CSTBT的開通波形；
[0033]圖19是柵極電阻為5歐姆時的圖1所示CSTBT的關(guān)斷波形；
[0034]圖20是柵極電阻為15歐姆時的圖1所示CSTBT的關(guān)斷波形；
[0035]圖21是柵極電阻為25歐姆時的圖1所示CSTBT的關(guān)斷波形；
[0036]圖22是柵極電阻為5歐姆時的圖3所示CSTBT的關(guān)斷波形；
[0037]圖23是柵極電阻為15歐姆時的圖3所示CSTBT的關(guān)斷波形；
[0038]圖24是柵極電阻為25歐姆時的圖3所示CSTBT的關(guān)斷波形；
[0039]圖25是根據(jù)專利US8507945中Fig.54畫出的CSTBT結(jié)構(gòu)；
[0040]圖26是圖25所示CSTBT短路電流波形。
【具體實施方式】
[0041]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0042]本發(fā)明具有優(yōu)化嵌入原胞結(jié)構(gòu)的CSTBT器件的結(jié)構(gòu)如圖3所示。包括背面的金屬集電極(Collector) 13，P型集電極12，N型場終止層11和N-漂移區(qū)10。器件頂部分為有源原胞(Active Cell)和嵌入原胞(Plugged Cell)兩種區(qū)域。其中Active Cell區(qū)域的溝槽(Trench)結(jié)構(gòu)由相互接觸的多晶硅6和柵氧化層9組成；多晶硅6和器件的柵電極(Gate)相連。Plugged Cell區(qū)域的Trench結(jié)構(gòu)由多個多晶娃3和柵氧化層9組成；多晶娃3和金屬發(fā)射極5都和發(fā)射極電極(Emitter)相連接。Plugged Cell區(qū)域的多晶娃3之間沒有多晶硅橋(參見圖25)相連。Plugged Cell區(qū)域的trench之間具有CS層8，但是沒有P型基區(qū)7。Active Cell區(qū)域的trench旁邊包括P型基區(qū)7和CS層8。Active Cell區(qū)域的P型基區(qū)7上面還有N+發(fā)射區(qū)I和P+接觸區(qū)2 ；N+發(fā)射區(qū)I和P+接觸區(qū)2通過介質(zhì)層4中的窗口和金屬發(fā)射極5相連接。
[0043]圖3的結(jié)構(gòu)實例中，Active Cell和Plugged Cell所包含的trench數(shù)目比例為0.5:3 = l:6o Active Cell和Plugged Cell區(qū)域所包含的trench數(shù)目比例可以根據(jù)設(shè)計要求而相應(yīng)變化。
[0044]在上述方案中，原胞結(jié)構(gòu)是條形(stripe cell)。在具體實施時，原胞結(jié)構(gòu)也可以是圓形，方形，或者其他多邊形。制作器件時，也可以用碳化硅，氮化鎵等其他半導(dǎo)體代替硅。
[0045]本發(fā)明的工作原理如下:
[0046]傳統(tǒng)CSTBT結(jié)構(gòu)中，Plugged Cell區(qū)域的P型基區(qū)7和CS層8之間形成了 PN結(jié)(PN junction)。雖然P型基區(qū)7是懸空的(floating)，但是該P(yáng)N結(jié)仍然存在內(nèi)置耗盡區(qū)(built-1n depletion region),降低了載流子的濃度。本發(fā)明提出的新型CSTBT結(jié)構(gòu),去除了 Plugged Cell區(qū)域的P型基區(qū)7，也就減少了 PN結(jié)耗盡區(qū)，因此可以有效的提高載流子濃度。
[0047]為了仔細(xì)的研究載流子分布特性，接下來對現(xiàn)有技術(shù)(圖1)和本發(fā)明(圖3)的CSTBT結(jié)構(gòu)的性能進(jìn)行了全面的二維數(shù)值模擬分析和對比，包括器件的靜態(tài)、動態(tài)和短路性能。圖3結(jié)構(gòu)的模擬所采用的器件各參數(shù)和圖1結(jié)構(gòu)的模擬所采用的參數(shù)完全相同。
[0048]圖4是圖3所示器件在正向?qū)顟B(tài)下，沿著AA’單元連線的縱向載流子分布曲線，顯示的是室溫下器件導(dǎo)通狀態(tài)(Tj = 25°C, Vge = 15V，Vce = 1.14V，額定電流密度150Acm_2)的載流子分布曲線。可以看出，圖4中CS層摻雜濃度和圖2中完全一樣，但是“肩部”(shoulder)區(qū)域的載流子濃度達(dá)到了 3xl016Cm_3，明顯的高于圖2的“肩部”載流子濃度(2X1016cm_3)。圖5是圖2和圖4結(jié)構(gòu)的載流子濃度直接對比圖，可以看出:正是由于“肩部”的載流子濃度的提高，整個N-漂移區(qū)中的載流子濃度得到了明顯提高。
[0049]圖6是兩種CSTBT的正向?qū)▔航堤匦员容^圖。從中可以看出，結(jié)溫(Tj)分別為25°C和125°C時，飽和壓降(Vcesat)如下表所示:
[0050]
【權(quán)利要求】
1.具有優(yōu)化嵌入原胞結(jié)構(gòu)的CSTBT器件，包括背面的金屬集電極(13)、P型集電極(12)、N型場終止層(11)和N-漂移區(qū)(10)，所述器件頂部包括有源原胞和嵌入原胞兩種區(qū)域，其中:有源原胞區(qū)域的溝槽結(jié)構(gòu)由相互接觸的多晶硅(6)和柵氧化層(9)組成，多晶硅(6)和器件的柵電極相連，有源原胞區(qū)域的溝槽旁邊包括P型基區(qū)(7)和CS層(8)，P型基區(qū)(7)上面還設(shè)有N+發(fā)射區(qū)⑴和P+接觸區(qū)(2)，N+發(fā)射區(qū)⑴和P+接觸區(qū)⑵通過介質(zhì)層(4)中的窗口和金屬發(fā)射極(5)相連接；嵌入原胞區(qū)域的溝槽結(jié)構(gòu)由多晶硅(3)和柵氧化層(9)組成，多晶硅(3)和金屬發(fā)射極(5)都和發(fā)射極電極相連接，嵌入原胞區(qū)域的溝槽之間具有CS層⑶； 其特征在于:嵌入原胞區(qū)域的溝槽之間、CS層(8)的上方用N-漂移區(qū)(10)替代P型基區(qū)(7)，且嵌入原胞區(qū)域的多個溝槽內(nèi)的多晶硅(3)之間沒有多晶硅橋相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有優(yōu)化嵌入原胞結(jié)構(gòu)的CSTBT器件，其特征在于:有源原胞和嵌入原胞區(qū)域所包含的溝槽數(shù)目比例根據(jù)設(shè)計要求確定。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有優(yōu)化嵌入原胞結(jié)構(gòu)的CSTBT器件，其特征在于:原胞結(jié)構(gòu)形狀是條形、圓形、方形或者多邊形。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有優(yōu)化嵌入原胞結(jié)構(gòu)的CSTBT器件，其特征在于:所采用的半導(dǎo)體材料是硅、碳化硅、氮化鎵。
【文檔編號】H01L29/739GK103956379SQ201410199352
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年5月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月9日
【發(fā)明者】李宇柱 申請人:常州中明半導(dǎo)體技術(shù)有限公司