[发明专利]绝缘栅双极晶体管器件用于提升器件性能的新型上部结构

说明书

技术领域

本发明主要关于半导体功率器件。更确切的说，本发明是关于制备绝缘栅双极晶体管(IGBT)的改良器件结构的新型结构和方法。

背景技术

用于配置和制备绝缘栅双极晶体管(IGBT)器件，以便进一步提高其性能的传统技术仍然面临许多困难和限制。在IGBT器件中，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。当器件开启时，更多的载流子注入，提高了器件的传导性，从而降低了传导损耗，但是当断开时，要将注入的载流子排空需要消耗能量，因此更多的载流子注入也会产生较高的Eoff。图1D表示V^CE，sat和Eoff之间的折衷关系。由图可知，对应较低的损耗，高级的IGBT结构曲线将靠近原点移动。

此外，IGBT的V^CE，sat(传导损耗)和IGBT的短路耐受力之间也存在折衷关系，这取决于它的饱和电流Jsat。Jsat很高，会导致器件在短路时产生很多能量损耗，这将很快地损伤IGBT器件。Jsat较低，会减少能量的损耗，使IGBT器件可以较长时间的承受短路，而不会造成永久的损伤；然而，Jsat较低也会产生较高的传导损耗V^CE，sat。

图1A表示一种传统的平面绝缘栅双极晶体管(IGBT)的剖面图。该IGBT是一个半导体功率器件，将金属氧化物半导体(MOS)栅极控制与双极电流机制相结合。金属-氧化物-半导体场效应管(MOSFET)和双极结型晶体管(BJT)的功能特点结合在一个IGBT中。设计IGBT的性能特点，使它具有比MOSFET更高的电流密度，比BJT更快、更有效的开关特性以及更好的控制。可以轻掺杂漂流区，以提升闭锁性能。由于轻掺杂的漂流区承受着来自底部P集电极区的高水平载流子注入，使它处于传导模式，因此器件仍有良好的传导性。基于这些原因，IGBT器件常用于高功率(＞10kW)，中低频(上至30kHz)器件。如图1A所示的平面IGBT器件具有一个简单的上部结构，易于制备。然而，由于上部附近的导电调制较差，而且邻近的本体区所带来的嵌位产生JFET阻抗，使得如图所示的平面栅极IGBT具有较高的V^CE，sat。图1B表示另一种具有沟槽栅极的传统的IGBT器件的剖面图。沟槽栅极IGBT的优势在于消除JFET阻抗，并且提高上部的载流子注入。可以在沟槽栅极下部形成一个累积层，以提升载流子注入。但是，由于沟槽栅极(处于栅极电势)和衬底以及下面的漂流区(处于漏极电势)之间的电容，使得如图所示的沟槽IGBT器件具有较高的Crss(Reverse transfer capacitance，反向传输电容)。IGBT器件的高Crss降低了器件的开关速度，也使开关能量损耗较高。图1C表示另一种传统的IGBT器件的剖面图。一个较重掺杂的N层沉积在通道区下面、轻掺杂的漂流区上方，以便进一步提高上部的载流子注入。然而，由于重掺杂层以及重掺杂的N-层带来更大的Crss，使这种器件的击穿电压较低。

基于上述原因，有必要研发一种新型的IGBT结构，降低开启和断开能量损耗Eon和Eoff损耗，提升工作效率。此外，带有改良结构的新型IGBT必须降低Crss，提高击穿电压，增大晶胞间距，降低Jsat，从而解决上述局限和难题。

发明内容

因此，本发明的一个方面在于，提出了一种新型改良的IGBT器件结构以及制备方法，使带有屏蔽栅极IGBT的沟槽IGBT器件具有较重掺杂的N层，从而在较低的E-on和E-off损耗下，提高注入。

更确切地说，本发明的另一方面在于，提出了一种新型改良的器件结构以及制备方法，使带有屏蔽栅极的沟槽IGBT器件具有可选的虚拟沟槽，从而降低Crss，减少E-on损耗，而且利用这种IGBT器件的Re-surf(Reduced surface field，电场缓冲或弱化表面电场)行为，提高击穿电压。

本发明的另一方面在于，提出了一种新型改良的器件结构以及制备方法，使带有屏蔽栅极的沟槽IGBT器件具有虚拟沟槽，从而增大晶胞间距(或称为晶体管单元间距)，以获得较低的J-sat。