一种具有更快切换速度的分离绝缘栅双极晶体管制造技术

本发明专利技术提供了一种具有更快切换速度的分离绝缘栅双极型晶体管，包括：具有第一导电类型的衬底；具有与该第一导电类型相反电性的第二导电类型的缓冲层；具有与该第一导电类型相反电性的第二导电类型的漂移层，外延于该衬底上；具有第一导电类型的第一阱区设置于该漂移层上；多个沟槽形成于该第一阱区并垂直延伸至该漂移层中；屏蔽电极形成于每一个沟槽下半部，该屏蔽电极与该第一阱区以及该漂移层由屏蔽介电层作电气隔离；跨电极介电层形成于该屏蔽电极上；栅极设置于该衬底上方相应的每一个该沟槽的上半部内，该栅极与相应该沟槽的侧壁形成一栅极绝缘层。形成一栅极绝缘层。形成一栅极绝缘层。

【技术实现步骤摘要】
一种具有更快切换速度的分离绝缘栅双极晶体管


[0001]本专利技术涉及一种绝缘栅双极晶体管，特别是一种具有更快切换速度的分离绝缘栅双极晶体管。

技术介绍

[0002]绝缘栅双极晶体管(IGBT)是一种具有合成结构的功率半导体器件，结构中含有金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)以及双极结型晶体管(BJT)。IGBT可以获得高于MOSFET的电流密度，以及比BJT更快、更高效的开关性能以及更好地控制。此外，轻掺杂的漂移区，用以提高抗闩锁性能。同时，由于轻掺杂漂移区承受了来自底部P集电极区的高能载流子注入(high level carrier injection)，形成导通模式，因此器件仍然可以具有良好的导电性。凭借着轻松控制栅极电极、双极电流机制等MOSFET的性能以及开关时间较短、功率损耗较低等优点，IGBT被广泛用于高压和大功率领域。简单的说，IGBT就是将MOSFET和BJT的优点结合起来，兼有MOSFET栅极电压控制晶体管(高阻抗输入)，又利用了BJT双载流子导电达到大电流(低导通压降)的目的。从而达到驱动功率小、饱和压降低的要求，广泛应用于600V以上变流系统如交流马达、变频器、开关电源、牵引传动等领域。
[0003]图1A-图1C为IGBT的基本结构及其等效电路。参考图1A，IGBT具有与MOSFET相似的结构，基本上MOSFET具有n+-n-结构而IGBT具有p+-n+-n-结构。因此IGBT以及MOSFET可以用相似制程工艺制作。
[0004]参考图1B-1C，IGBT的等效电路相当于晶闸管(thyristor)结构，由PNP以及NPN晶体管耦合而成。但是，如图1B所示的电路结构，所述晶闸管无法正常操作，因为NPN晶体管的基极以及发射极是被铝线短路(利用一位于P-base层电阻)。因此，一个IGBT以及其操作原理可被视为等效于利用一个增强N-沟道MOSFET作为输入级以及一个PNP晶体管作为输出级的一个反转达灵顿配置。
[0005]IGBT是由一个MOSFET及一个PNP晶体管所组成的单片结构(monolithic structure)，其操作是由n-区域的电导调制(conduction modulation)加上所述等效电路的操作。因为少数载流子经由p+-n+区域注入n-区域，电导调制发生于n-区域。电导调制会导致MOSFET漏极-源极之间电阻变小。由于电导调制的作用，IGBT具有非常低的导通压降，而利用高电压MOSFET则非常难实现。
[0006]如图1C所示，典型的晶闸管是一具有三个PN接面的双稳态开关(具有开与关状态)。流经阳极(anode)与阴极(cathode)的电流(#2与#3)可以由栅极电流(#1)所控制。栅极电流(#1)开启第一晶体管101，接着第二晶体管103开启。如此一来产生正反馈，其中一个晶体管会使得另一晶体管持续开启。一旦晶闸管开启就无法简单地利用移除栅极电流来关闭，而是必须由其负载端来关闭。
[0007]由等效电路可以得知，IGBT的饱和电压V
CE
(sat)可以表示为：
[0008]V
CE
(sat)＝V
BE
+I
MOS
(R
N-(MOD)
+R
ch
)
ꢀꢀ
(1)
[0009]其中，V
BE
:PNP晶体管基-发射极电压；
[0010]I
MOS
:MOSFET的漏极电流；
[0011]R
N-(MOD)
:电导调制后n-区域的电阻；
[0012]R
ch
:MOSFET沟道电阻。
[0013]PNP晶体管集电极电流以及直流电流增益分别为I
C(PNP)
和h
FE(PNP)
，I
MOS
可以由式(2)计算。
[0014]I
MOS
＝I
C(PNP)
/h
FE(PNP)
ꢀꢀ
(2)
[0015]IGBT总电流I
IGBT
，可以由算式I
IGBT
＝I
MOS
+I
C(PNP)
计算。
[0016]方程式(1)显示IGBT的饱和电压V
CE
(sat)与I
MOS
有关，其中I
MOS
是PNP晶体管直流电流增益h
FE(PNP)
的函数(参见方程式(2))。由于在直流电流增益h
FE(PNP)
与开关特性(switching characteristics)之间存在着取舍，所以PNP晶体管直流电流增益h
FE(PNP)
大大地影响了IGBT的饱和电压V
CE(sat)
与开关特性(switching characteristics)之间的取舍。
[0017]从产业界应用的需要面来看，目前IGBT的功率损耗仍然较大，因而降低IGBT的损耗一直是国际上研究的焦点之一。但是为了降低饱和电压V
CE(sat)
)会使制造成本增加。配置和制备IGBT器件的传统技术，由于其存在各种取舍关系，使得在进一步提高器件的性能方面仍面临诸多挑战以及限制。在IGBT器件中，传导损耗和断开关损耗E
off
之间存在取舍。在额定电流处，传导损耗取决于集电极到发射极的饱和电压V
CE
(sat)。当器件开启时，较多的载流子注入可以提高器件的导电性，因而降低了传导损耗，但是当关断时由于清除注入的少子所消耗的能量，因此更多的少子流入也会使断开损耗较高。
[0018]IGBT器件具有不同的结构，例如平面栅器件以及沟槽栅的IGBT器件等等。
[0019]在IGBT装置中，传导损耗V
CE
(sat)(取决于在额定电流下，集电极到发射极的饱和电压V
CE
(sat))和断开开关损耗Eoff之间存在一个取舍关系。当装置开启时，更多的少子电流注入，提高了装置的传导性，因而降低了传导损耗，但是当断开时，要将注入的少子排空需要消耗能量，因此更多的少子流入也会产生较高的Eoff。与平面栅IGBT器件不同的，于沟槽栅极IGBT器件中，栅极是埋入一穿越n+-emitter以及p-base区域的沟槽。这种具有沟槽的栅极结构与平面栅极结构相比可以大大地增加器件密度而且可以降低沟道压降(channel voltage drop)。而且于平面栅极结构IGBT会于沟道之间形成结型场效应晶体管(JFET)，然而具沟槽的栅极结构的IGBT则不会形成JFET，因此具沟槽的栅极结构的IGBT不会因存在JFET而导致压降(voltage drop)，使得降低导通压降成为可能。另外饱和时，IGBT的集电极-发射极电压V
CE
(sat)及其击穿电压V
BD...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有更快切换速度的分离绝缘栅双极晶体管，其特征在于，其包括：具有第一导电类型的衬底；具有与该第一导电类型相反电性的第二导电类型的缓冲层，设置于该衬底上；具有与该第一导电类型相反电性的第二导电类型的漂移层，设置于该衬底上；具有第一导电类型的第一阱区设置于该漂移层上；具有第一导电类型的发射极接触区，设置于该第一阱区；具有第二导电类型的第一接触源极区设置于该第一阱区并且与该发射极接触区相邻但相隔开；具有第二导电类型的第二接触源极区设置于该第一阱区并且与该第一接触源极区相邻但相隔开；发射极电极接触该发射极接触区、该第一接触源极区与该第二接触源极区；多个沟槽形成于该第一阱区并垂直延伸至该漂移层中；屏蔽电极形成于每一个沟槽下半部，该屏蔽电极与该第一阱区以及该漂移层由屏蔽介电层作电气隔离；跨电极介电层形成于该屏蔽电极上；栅极设置于该衬底上方相应的每一个该沟槽的上半部内，该栅极与相应该沟槽的侧壁形成栅极绝缘层，并用多晶硅填充；其中该跨电极介电层隔开该栅极与该屏蔽电极；其中该栅极绝缘层电气隔开该栅极与该第一或第二接触源极区、该栅极与该第一阱区、以及该栅极与该漂移层。2.根据权利要求1所述具有更快切换速度的分离绝缘栅双极晶体管，其特征在于，所述第一导电类型为P型，第二导电类型为N型。3.根据权利要求2所述具有更快切换速度的分离绝缘栅双极晶体管，其特征在于，所述P型阱区其掺杂浓度在3
×
10
14
cm-3
至5
×
10
14
cm-3
之间。4.根据权利要求2所述具有更快切换速度的分离绝缘栅双极晶体管，其特征在于，所述N型漂移层其掺杂浓度在6
×
10
13
cm-3
至8
×
10
13
cm-3
之间。5.根据权利要求2所述具有更快切换速度的分离绝缘栅双极晶体管，其特征在于，所述P型发射极接触区其掺杂浓度在2.7
×
10
19
cm-3
至2.8
×
10
19
cm-3
之间。6.根据权利要求2所述具有更快切换速度的分离绝缘栅双极晶体管，其特征在于，所述N型第一接触源极区其掺杂浓度...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴茂州，高巍，廖运健，
申请(专利权)人：成都蓉矽半导体有限公司，
类型：发明
国别省市：