[实用新型]绝缘栅双极型晶体管

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种半导体器件，更具体地，涉及一种绝缘栅双极型晶体管。

背景技术

绝缘栅双极型晶体管（IGBT：Insulated Gate Bipolar Transistor）是由金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET：Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）和双极型晶体管（BJT：Bipolar Junction Transistor）复合而成的半导体器件，其兼具这两种器件的优点，既具有MOSFET的驱动功率小和开关速度快的优点，又具有BJT的饱和压降低且电流承载容量大的优点。因此，近年来IGBT已经广泛应用于诸如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等需要进行电力转换的领域。

图1示出了现有的IGBT的一个实例。如图1所示，IGBT100被示出为具有沟槽栅场终止型结构，其包括顺次层叠的p型集电区11、n型场终止区12、n-型漂移区13、p型基区14以及n+型源区15，以及形成在n-型漂移区13、p型基区14以及n+型源区15中的栅极16和栅氧化层17。

进一步地，在图1所示的IGBT100中，栅极16包括具有均匀截面宽度的上部栅极161以及截面宽度大于上部栅极161的截面宽度的下部栅极162。这种结构可被称为局部窄台（PNM：Partially Narrow Mesa）结构。在Masakiyo Sumitomo等人发表于2012年第24届国际功率半导体器件与功率集成电路会议（ISPSD：International Symposium on Power Semiconductor Devices and IC）的论文“Low Loss IGBT with Partially Narrow Mesa Structure(PNM-IGBT)”以及美国专利第US7800187B2号中记载了具有类似结构的IGBT。通过形成如图1中虚线框所示的局部窄台结构（两个相邻沟槽栅之间的基区被窄化），能够在确保不减小金属-半导体接触面积的情况下减小台面宽度（两个相邻沟槽栅之间的基区的宽度），从而IGBT100的饱和电压显著降低，并且通态电压和关断损耗之间也能获得良好权衡。

然而，在图1所示的IGBT100中，台面区域变窄使得该区域中的电流密度增加。在IGBT100关断过渡期间，该区域中的大部分或者几乎所有的电流由空穴运载，高空穴电流密度要流向下一个P接触区，导致电流在流过p型基区14的位于n+型源区15之下的部分时产生横向电压降（lateral voltage drop）。该电压降使得IGBT100的寄生晶闸管（具有由p型集电区11、n型场终止区12/n-型漂移区13、p型基区14以及n+型源区15构成的PNPN结构）中的NPN管被导通，这特别是在过电流截止（over-current-turn-off）时更容易发生。结果，IGBT100发生闩锁（Latch up）效应，其中的等效MOSFET的控制能力降低甚至无效，IGBT100最终将因过热而损坏。

对于局部窄台结构的IGBT可能出现如上所述的闩锁现象，不仅如此，对于通常的IGBT也可能出现闩锁现象。

第二个问题是：在PNM-IGBT中，通常实现了沟槽的高密度。因此，PNM-IGBT每个区域都具有大的沟道宽度和高的沟道导电率。这意味着在短路操作时，极高的电流密度流过器件，并伴随有高的集电极-发射极电压。这将导致器件在几个微秒内损坏。

第三个问题是：台面结构的末端将会有拐角（corner）或者沟槽（trench）的以某种方式弄圆的结构。由于几何原因（如果栅极围绕该拐角将会更明显（effective），由于沟道区域不同的掺杂等级（在氧化期间硼分离到栅极氧化物中，或在不同的晶面（crystallographic plane）平面中高温退火是不同的），或者由于栅极氧化物不同的性能，例如厚度或界面电荷（这些也取决于各个晶面），在该区域（台面末端区域），MOS沟道阈值电压将不同于（通常低于）台面的长侧处的电压。这会导致在台面末端更高的电流密度或者甚至长期退化和阈值电压的不稳定。

PNM-IGBT在US6521538B2以及US7800187B2中进行了描述。然而，现有技术中还没有提出对于上述技术问题的解决方案。在US7800187B2中所示的结构具有以下缺陷：与n+区的接触以及间隔的P体区占用很大区域，这抵消了PNM-IGBT的基本思想，PNM-IGBT的基本思想是实现非常窄的台面区域，从而在导通状态下在n基体区域中实现高载流子浓度。

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