[发明专利]一种半导体功率器件的结构

说明书

本发明公开了一种半导体功率器件的结构，包括以下特征：有源区最少由三种不同的单元组成，其中一种单元是快速反向恢复二极管(FRD)的表面结构，第二种单元是绝缘栅双极晶体管(IGBT)的表面结构，第三种单元的表面结构含有两条沟槽，沟槽与沟槽之间的距离小于0.4μm，沟槽内壁附有栅极氧化层并填入导电材料如高掺杂的多晶硅，沟槽与沟槽之间为浓度为1e¹⁵cm^‑3至5e¹⁶cm^‑3的p型区，表面为n+区，p型区下有一浓度为1e¹⁵cm^‑3至5e¹⁶cm^‑3的n型区，沟槽与沟槽之间表面没有接触孔。

技术领域

本发明涉及一种半导体功率器件技术领域，具体的说，涉及一种沟槽式功率场效应晶体管IGBT器件的结构。

背景技术

1980年，美国RCA公司申请了第一个IGBT专利，1985年日本东芝公司做出了第一个工业用IGBT。从器件的物理结构上来说，它是非透明集电极穿通型IGBT，简称为穿通型IGBT(Punchthrough IGBT-缩写为PT-IGBT)。于1996年，Motorola公司发表了一篇文章描述有关制造非穿通IGBT的研究，侧重如何在薄硅片上制造集电极的工艺，所用的FZ n型硅片最薄只有170μm厚。翌年，Infineon公司也发表了用100μm厚的FZ n型硅片做出600V的NPT-IGBT。99年左右，工业用新一代的IGBT开始投产，这种新一代的IGBT是一种高速开关器件，它不需要用重金属或辐照来减短器件中少子寿命，主要用的技术是超薄硅片工艺加上弱集电结或称为透明集电结，Infineon公司称之为场截止IGBT，接下来几年，各主要生产IGBT的公司都相继推出类似的产品。

IGBT主要的技术和性能(即电学参数)有(1)击穿电压，(2)正向压降，(3)开关特性，(4)短路安全区(SCSOA)，(5)反向偏置安全区(RBSOA)和(6)正向偏置安全区(FBSOA)等。正向压降是与开关速度相互矛盾的，即改良了正向压降便会伤害了开关速度的性能，如增加了n^-扩展层的空穴电子对密度，正向压降会变好，但贮存了更多的电荷会使关断时间增长，从而使关断速度变差。本发明的目标是使正向压降与开关速度之间的矛盾降至最低，如降低正向压降时，把对开关速度的不良影响降至最低。

为了降低关断时间，间接地增加频率容量和减少关断时间，同时不大增加正向压降，设计者需要优化注入器件内部的电荷分布，使在正向导通时，IGBT器件内部载流子的分布如图1所示，即在发射极端载流子浓度要高，在集电极端载流子浓度要低。场截止IGBT的背面结构能提供有效机制，使在正向导通时，背面弱集电极载流子浓度较少，关断时，能有效快速地把体内靠近集电极的载流子清除。

薄硅片工艺加上背面透明集电结可以用来有效地控制器件背部电荷的浓度和分布，对靠近表面部分电荷的浓度和分布影响相对较小，要影响器件靠近表面部分电荷的浓度和分布，最有效和容易的方法是使用器件表面的单元结构，提高器件表面部分载流子的浓度可以减少正向压降，最近(2010年后)有几个新的表面单元结构被用来改善正向压降，它们有如下几个方案：

方案一：

如图2所示，它与一般常用的沟槽IGBT相比，它的沟槽底部比沟槽上部为大，底部沟槽壁之间的距离可小于0.3μm。

方案二：

如图3所示，与一般的沟槽IGBT相比，它的特别之处是在p型基区下有一n型区5，n型区下有一p型区6，这p型区6没有被连接至表面的发射电极。

方案三：

使用超精细的基本结构单元，一般的沟槽IGBT单元尺寸大于3.0μm，这种超精细的结构单元尺寸可小于1.0μm。