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CN105428408A - 一种场截止型沟槽栅igbt器件 - Google Patents

一种场截止型沟槽栅igbt器件 Download PDF

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CN105428408A
CN105428408A CN201510970357.7A CN201510970357A CN105428408A CN 105428408 A CN105428408 A CN 105428408A CN 201510970357 A CN201510970357 A CN 201510970357A CN 105428408 A CN105428408 A CN 105428408A
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CN
China
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trench gate
region
igbt device
type
dielectric layer
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CN201510970357.7A
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English (en)
Inventor
伍伟
向勇
孔梓玮
孔晓李
薛鹏
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University of Electronic Science and Technology of China
Original Assignee
University of Electronic Science and Technology of China
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    • H10D12/411—Insulated-gate bipolar transistors [IGBT]
    • H10D12/441—Vertical IGBTs
    • H10D12/461—Vertical IGBTs having non-planar surfaces, e.g. having trenches, recesses or pillars in the surfaces of the emitter, base or collector regions
    • H10D12/481—Vertical IGBTs having non-planar surfaces, e.g. having trenches, recesses or pillars in the surfaces of the emitter, base or collector regions having gate structures on slanted surfaces, on vertical surfaces, or in grooves, e.g. trench gate IGBTs
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Abstract

本发明涉及半导体技术，特别涉及一种场截止型沟槽栅IGBT器件。本发明的截止型沟槽栅IGBT器件，其特征在于，沟槽栅结构位于N+发射区和P型体区中的部位由栅氧化层和多晶硅构成，所述栅氧化层的侧面与N+发射区和P型体区接触，多晶硅位于两侧的栅氧化层之间，栅氧化层和多晶硅的上表面与金属阴极接触；沟槽栅结构位于N型载流子存储区和N-漂移区中的部分由介质层构成。本发明的有益效果为，与常规的沟槽栅CS-IGBT器件相比，本发明在保持耐压不变的情况下，提高了载流子存储区的掺杂浓度，使得器件导通时饱和压降减小了近20％。

Description

一种场截止型沟槽栅IGBT器件
技术领域
本发明涉及半导体技术，特别涉及一种场截止型沟槽栅IGBT器件。
背景技术
高压功率器件是电力电子技术的基础与核心，其具有耐高压、导通电流密度大的特点。提高功率器件的耐压能力，降低功率器件导通时的饱和压降是器件设计的关键。IGBT器件(绝缘栅双极型晶体管器件)作为一类重要的功率半导体器件，在电力电子领域应用广泛。但是，IGBT器件由于P-body区与N-漂移区交界处空穴注入效率较低，载流子浓度分布很低，导致器件的饱和压降升高。因此，为了提高此区域的空穴注入效率，优化漂移区载流子分布，国际上采用了一种在P-body区下方引入载流子存储层的方法来提高此处的载流子浓度，使得器件的饱和压降有明显降低，即CS-IGBT。
对于CS-IGBT而言，载流子存储区的掺杂浓度应尽量高些为优。但是，如果载流子存储区的掺杂浓度过高，器件在耐压过程中载流子存储区将无法耗尽，使得器件的耐压大大降低，故载流子存储区的掺杂浓度受限，这也限制了载流子存储区对器件漂移区载流子浓度的优化。
发明内容
本发明针对上述问题，提出一种场截止型沟槽栅IGBT器件。
本发明的技术方案：一种场截止型沟槽栅IGBT器件，包括从下至上依次层叠设置的金属阳极11、P+集电区1、N型场截止层2、N-漂移区3、N型载流子存储区4、P型体区5和P+接触区6；所述P+接触区6中具有N+发射区7，所述N+发射区7上表面具有金属阴极12；还包括沟槽栅结构，所述沟槽栅结构垂直贯穿N+发射区7、P型体区5、N型载流子存储区4后延伸入N-漂移区3中；其特征在于，所述沟槽栅结构位于N+发射区7和P型体区5中的部位由栅氧化层8和多晶硅9构成，所述栅氧化层8的侧面与N+发射区7和P型体区5接触，多晶硅9位于两侧的栅氧化层8之间，栅氧化层8和多晶硅9的上表面与金属阴极12接触；所述沟槽栅结构位于N型载流子存储区4和N-漂移区3中的部分由介质层10构成。
进一步的，所述介质层10位于N型载流子存储区4中部分的介电常数大于位于N-漂移区3中部分的介电常数。
进一步的，所述介质层10的介电常数从靠近N-漂移区3一端到靠近多晶硅9的一端逐渐增加。
进一步的，所述介质层10的介电常数大于50。
本发明的有益效果为，与常规的沟槽栅CS-IGBT器件相比，本发明在保持耐压不变的情况下，提高了载流子存储区的掺杂浓度，使得器件导通时饱和压降减小了近20％。同时，该结构中只需将沟槽栅的下半区域沉积为高K介质层，上半区域保持不变，不需要任何复杂的工艺，与现有的沟槽栅工艺兼容，降低了器件的制作难度和成本。
附图说明
图1是常规沟槽栅IGBT器件结构示意图；
图2是常规沟槽栅CS-IGBT器件结构示意图；
图3是本发明实施例的沟槽栅部分高K介质层CS-IGBT器件结构示意图；
图4是常规沟槽栅极场截止载流子存储IGBT器件结构与本发明实施例的沟槽栅部分高K介质层CS-IGBT器件结构在器件导通时饱和压降I-V曲线比较图；
图5是常规沟槽栅极场截止载流子存储IGBT器件结构与沟槽栅部分高K介质层CS-IGBT器件结构在器件导通时纵向空穴浓度分布比较图；
图6是沟槽栅部分高K介质层CS-IGBT器件结构在沟槽栅底部采用低K介质层的结构示意图；
图7是是沟槽栅部分高K介质层CS-IGBT器件结构在沟槽栅由底端向顶端K值逐渐上升的变K介质层的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述
图1是常规沟槽栅IGBT器件结构示意图。图2为常规沟槽栅极场截止载流子存储IGBT器件结构，其结构特点是在P-body区与N-漂移区之间加入N载流子存储层，其优点是沟槽栅极结构简单，饱和压降较低，缺点是其耐压受载流子存储区掺杂浓度的影响，载流子存储区掺杂浓度不能过高，从而影响载流子存储区对载流子浓度的优化。
实施例
如图3所示，本实施例的沟槽栅部分高K介质层CS-IGBT器件器件，包括从下至上依次层叠设置的金属阳极11、P+集电区1、N型场截止层2、N-漂移区3、N型载流子存储区4、P型体区5和P+接触区6；所述P+接触区6中具有N+发射区7，所述N+发射区7上表面具有金属阴极12；还包括沟槽栅结构，所述沟槽栅结构垂直贯穿N+发射区7、P型体区5、N型载流子存储区4后延伸入N-漂移区3中；所述沟槽栅结构位于N+发射区7和P型体区5中的部位由栅氧化层8和多晶硅9构成，所述栅氧化层8的侧面与N+发射区7和P型体区5接触，多晶硅9位于两侧的栅氧化层8之间，栅氧化层8和多晶硅9的上表面与金属阴极12接触；所述沟槽栅结构位于N型载流子存储区4和N-漂移区3中的部分由介质层10构成，本例中介质层10采用的是介电常数大于50的介质。
本例的工作原理是：用高K介质代替部分多晶硅沟槽栅，沟槽栅中多晶硅与高K介质层、N载流子存储层形成金属绝缘体半导体(MIS)结构，对载流子存储区起到辅助耗尽作用。在IGBT器件保持耐压不变的情况下，相比常规沟槽栅载流子存储场截止型IGBT器件(CS-IGBT)，本发明使载流子存储区的掺杂浓度提高一个数量级，器件导通时靠近发射极的漂移区载流子浓度随之提高，优化了器件漂移区载流子分布，降低了器件饱和压降。
本例的一种制作方式为：取N-衬底3材料，在其表面通过预氧化光刻离子注入形成N载流子存储层4、P-body区5，通过氧化层刻蚀和离子注入形成N+发射区7、体区接触区6，然后采用反应离子刻蚀浅沟槽，采用等离子增强化学气相沉积沉积高K介质材料，刻蚀得到高K介质层10，之后进行沟槽栅极氧化层8生长，沉积多晶硅9，然后反转减薄N-衬底3，通过离子注入形成N场截止层2、P+集电区1，淀积金属、刻蚀金属形成金属阳极11、金属阴极12，最后进行钝化处理、压焊点。
图4是沟槽栅IGBT器件、沟槽栅CS-IGBT器件与本发明实施例的沟槽栅部分高K介质层CS-IGBT器件在耐压相同情况下器件导通时饱和压降I-V曲线比较图。与常规沟槽栅CS-IGBT器件相比，本发明在保持耐压不变的情况下，饱和压降了近20％，与沟槽栅IGBT器件相比，更是降低了近40％。
图5是沟槽栅IGBT器件、沟槽栅CS-IGBT器件与本发明实施例的沟槽栅部分高K介质层CS-IGBT器件在耐压相同情况下器件导通时纵向空穴浓度分布比较图。与沟槽栅IGBT器件和沟槽栅CS-IGBT器件相比，本发明在保持耐压不变的情况下，提高了发射极端漂移区空穴浓度，进一步优化了载流子浓度分布，从而降低器件导通时饱和压降。

Claims (4)

1.一种场截止型沟槽栅IGBT器件，包括从下至上依次层叠设置的金属阳极(11)、P+集电区(1)、N型场截止层(2)、N-漂移区(3)、N型载流子存储区(4)、P型体区(5)和P+接触区(6)；所述P+接触区(6)中具有N+发射区(7)，所述N+发射区(7)上表面具有金属阴极(12)；还包括沟槽栅结构，所述沟槽栅结构垂直贯穿N+发射区(7)、P型体区(5)、N型载流子存储区(4)后延伸入N-漂移区(3)中；其特征在于，所述沟槽栅结构位于N+发射区(7)和P型体区(5)中的部位由栅氧化层(8)和多晶硅(9)构成，所述栅氧化层(8)的侧面与N+发射区(7)和P型体区(5)接触，多晶硅(9)位于两侧的栅氧化层(8)之间，栅氧化层(8)和多晶硅(9)的上表面与金属阴极(12)接触；所述沟槽栅结构位于N型载流子存储区(4)和N-漂移区(3)中的部分由介质层(10)构成。
2.根据权利要求1所述的一种场截止型沟槽栅IGBT器件，其特征在于，所述介质层(10)位于N型载流子存储区(4)中部分的介电常数大于位于N-漂移区(3)中部分的介电常数。
3.根据权利要求1所述的一种场截止型沟槽栅IGBT器件，其特征在于，所述介质层(10)的介电常数从靠近N-漂移区(3)一端到靠近多晶硅(9)的一端逐渐增加。
4.根据权利要求1所述的一种场截止型沟槽栅IGBT器件，其特征在于，所述介质层(10)的介电常数大于50。
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