一种具有半封闭原胞的绝缘栅双极型晶体管器件结构制造技术

一种具有半封闭原胞的绝缘栅双极型晶体管器件结构，顶部包括有源沟槽和虚拟沟槽两种沟槽；有源沟槽和虚拟沟槽组成半封闭的结构；有源沟槽和虚拟沟槽之间有缝隙；所有沟槽都至少穿透了部分CS层到达N‑漂移层，并在部分N‑漂移层中延伸一段距离；CS层的上方是P型基区；P型基区上面还设有N+发射区和P+接触区，并通过接触窗口和发射极电极相连。

【技术实现步骤摘要】
一种具有半封闭原胞的绝缘栅双极型晶体管器件结构
本专利技术属于功率半导体器件
，涉及MOS(Metal-Oxide-Semiconductor，金属氧化物半导体)栅控双极型器件，尤其涉及绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。
技术介绍
MOS栅控双极型器件不但功率高，而且可以用小信号控制。IGBT结构设计多种多样，trench-FS（沟槽栅-场终止）结构是最常见的结果。沟槽栅结构中比较常见的是条形原胞结构。也有采用封闭原胞结构的：比如方块形原胞，六角形原胞等等。一个典型的具有封闭原胞的IGBT结构如图1所示。该结构包括：背面的金属集电极13、P型集电极12、N型场终止层11和N-漂移区10。沟槽栅结构由相互接触的多晶硅栅电极6和栅氧化层9组成。沟槽栅6形成一个封闭的方形，多晶硅6和栅电极相连。顶部包括N+发射区1和P+接触区2，它们通过接触窗口20和发射极电极相连。P型阱区7通过P+接触区2和发射极电极相连。P型阱区的下面还具有N型CS(carrierstored，载流子储存)层8。因为图1的封闭结构，P型阱区7和CS层8无法画出，其具体位置可以参考图2。图1所示的封闭原胞结构，和条形原胞相比，其好处是可以减少原胞内的电场强度，增加击穿电压。但是，这种结构的栅电容比较大。所以，有必要改进这种IGBT结构，降低栅电容。
技术实现思路
针对现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供一种半导体器件结构，其可以降低栅电容。而且其可以应用在所有的MOS栅控双极型器件中，包括但不限于，场终止IGBT(Field-StopIGBT)，逆导型IGBT(reverse-conductingIGBT)，逆阻型IGBT(reverse-blockingIGBT)和MOS栅控晶闸管(MOS-controlledthyristor)等。具体来说，本专利技术采用以下技术方案：一种具有半封闭原胞的绝缘栅双极型晶体管器件结构，具有背面和正面，所述器件从背面开始依次包括：金属集电极13、P型集电极12、N型场终止层11和N-漂移区10，在N-漂移区10上靠近正面的部分设置了N型CS层8；CS层8的上方是P型基区7；P型基区7上面还设有N+发射区1和P+接触区2，并通过接触窗口20和发射极电极相连；其特征在于：器件顶部包括有源沟槽37和虚拟沟槽38两种沟槽；有源沟槽37的沟槽结构由相互接触的有源沟槽多晶硅6和栅氧化层9组成，其中有源沟槽多晶硅6和栅电极相连；虚拟沟槽38的沟槽结构由相互接触的虚拟沟槽多晶硅3和栅氧化层9组成，其中虚拟沟槽多晶硅3和发射极电极相连；有源沟槽37和虚拟沟槽38组成半封闭的结构；有源沟槽37和虚拟沟槽38之间有缝隙40；所有沟槽都至少穿透了部分CS层8到达N-漂移层10，并在部分N-漂移层10中延伸一段距离。在以上器件中，优选地，有源沟槽37和虚拟沟槽38之间的缝隙40的宽度是可以进行调整的。更优选，有源沟槽37和虚拟沟槽38之间的缝隙40的宽度小于2微米。更进一步，有源沟槽37和虚拟沟槽38之间的缝隙40的宽度小于1微米。在以上器件结构中，有源沟槽37和虚拟沟槽38构成的所述半封闭的结构是半封闭的方形。在另一个优选实施方案中，有源沟槽37和虚拟沟槽38构成的所述半封闭的结构是半封闭的方形以外的其它半封闭的形状。所述半封闭的结构的其它形状包括半封闭的六角形、三角形或者圆形等。在以上所述的绝缘栅双极型晶体管器件结构中，所采用的半导体材料是硅、碳化硅、氮化镓。本专利技术的有益效果是：本专利技术器件的栅电容比图1结构显著降低。附图说明图1是一种具有封闭原胞的IGBT结构图；图2是本专利技术的一种具有半封闭原胞的实例器件结构图；图3是两种IGBT结构(图1和图2结构)的米勒电容对比图。在图中：1、N+发射区；2、P+接触区；3、虚拟沟槽多晶硅；6、有源沟槽多晶硅；7、P型阱区；8、N型CS层；9、栅氧化层；10、N-漂移区；11、N型场终止层；12、P型集电极；13、金属集电极；20、接触窗口；37、有源沟槽；38、虚拟沟槽。具体实施方式本专利技术采用一种新的结构来解决现有技术中存在的上述问题。参见如2，本专利技术的结构具体为：一种半导体器件，包括金属集电极、P型集电极、N型场终止层和N-漂移区，在N-漂移区中靠近正面的部分设置了N型CS层；器件顶部包括有源沟槽和虚拟沟槽两种沟槽；有源沟槽的沟槽结构由相互接触的有源沟槽多晶硅和栅氧化层组成，其中有源沟槽多晶硅和栅电极相连；虚拟沟槽的沟槽结构由相互接触的虚拟沟槽多晶硅和栅氧化层组成，其中虚拟沟槽多晶硅和发射极电极相连；有源沟槽和虚拟沟槽组成半封闭的方形；有源沟槽和虚拟沟槽之间有缝隙；所有沟槽都至少穿透了部分CS层和部分N-漂移层；CS层的上方是P型基区；P型基区上面还设有N+发射区和P+接触区，并通过接触窗口和发射极电极相连。应了解，虽然本专利技术在图2中示出了半封闭的沟槽形状为方形，但是应了解，在实际应用中，该半封闭的结构还可以是圆形、六边形、条形、三角形等任何其它形状，只要符合器件所要应用的场合即可，而本专利技术图2中示出的具体示例性的方形形状不能对本专利技术的保护范围构成限制。在有源沟槽和虚拟沟槽围成的半封闭形状中，有源沟槽和虚拟沟槽之间的缝隙宽度可以调整。作为本专利技术的进一步改进，有源沟槽和虚拟沟槽之间的缝隙宽度小于2微米。作为本专利技术的进一步改进，有源沟槽和虚拟沟槽之间的缝隙宽度小于1微米。作为本专利技术的进一步改进，有源沟槽和虚拟沟槽组成半封闭的六角形，三角形，或者圆形等其他半封闭形状。作为本专利技术的进一步改进，所采用的半导体材料是硅、碳化硅、氮化镓。下面结合附图对本专利技术作进一步详细说明。本专利技术的第一种实例如图2所示：所述器件从背面开始依次包括：金属集电极13、P型集电极12、N型场终止层11和N-漂移区10，在N-漂移区10中靠近正面的部分设置了N型CS层8；器件顶部包括有源沟槽37和虚拟沟槽38两种沟槽；有源沟槽37的沟槽结构由相互接触的有源沟槽多晶硅6和栅氧化层9组成，其中有源沟槽多晶硅6和栅电极相连；虚拟沟槽38的沟槽结构由相互接触的虚拟沟槽多晶硅3和栅氧化层9组成，其中虚拟沟槽多晶硅3和发射极电极相连；有源沟槽37和虚拟沟槽38组成半封闭的方形；有源沟槽37和虚拟沟槽38之间有缝隙40；所有沟槽都至少穿透了部分CS层8和部分N-漂移层10；CS层8的上方是P型基区7；P型基区7上面还设有N+发射区1和P+接触区2，并通过接触窗口20和发射极电极相连。以上所述的结构实例中，有源沟槽和虚拟沟槽之间的缝隙宽度是可变的，可以根据设计要求而相应变化。以上所述的结构实例中，有源沟槽和虚拟沟槽组成半封闭形状可以是六角形，三角形，或者圆形等其他半封闭形状。制作器件时，也可以用碳化硅、氮化镓等其他半导体代替硅。本专利技术的工作原理如下：在图1所示的传统IGBT结构中，所有沟槽都是有源沟槽，因此栅电容比较大。在图2所示的结构中，具有虚拟沟槽，因此栅电容减少了。为了定量的对比几种结构的性能，接下来对图1结构和本专利技术的图2结构的性能进行了三维数值模拟分析和对比。模拟的两种器件各层掺杂参数完全相同，而且都以1200VIGBT为例，两种器件的面积都是1.5cm2。图3是两种IGBT结构(图1结构和本专利技术的图2结构)的米勒电容比本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有半封闭原胞的绝缘栅双极型晶体管器件结构，具有背面和正面，所述器件从背面开始依次包括：金属集电极（13）、P型集电极（12）、N型场终止层（11）和N‑漂移区（10），在N‑漂移区（10）上靠近正面的部分设置了N型CS层（8）；CS层（8）的上方是P型基区（7）；P型基区（7）上面还设有N+发射区（1）和P+接触区（2），并通过接触窗口（20）和发射极电极相连；其特征在于：器件顶部包括有源沟槽（37）和虚拟沟槽（38）两种沟槽；有源沟槽（37）的沟槽结构由相互接触的有源沟槽多晶硅（6）和栅氧化层（9）组成，其中有源沟槽多晶硅（6）和栅电极相连；虚拟沟槽（38）的沟槽结构由相互接触的虚拟沟槽多晶硅（3）和栅氧化层（9）组成，其中虚拟沟槽多晶硅（3）和发射极电极相连；有源沟槽（37）和虚拟沟槽（38）组成半封闭的结构；有源沟槽（37）和虚拟沟槽（38）之间有缝隙（40）；所有沟槽都至少穿透了部分CS层（8）到达N‑漂移层（10），并在部分N‑漂移层（10）中延伸一段距离。

【技术特征摘要】
1.一种具有半封闭原胞的绝缘栅双极型晶体管器件结构，具有背面和正面，所述器件从背面开始依次包括：金属集电极（13）、P型集电极（12）、N型场终止层（11）和N-漂移区（10），在N-漂移区（10）上靠近正面的部分设置了N型CS层（8）；CS层（8）的上方是P型基区（7）；P型基区（7）上面还设有N+发射区（1）和P+接触区（2），并通过接触窗口（20）和发射极电极相连；其特征在于：器件顶部包括有源沟槽（37）和虚拟沟槽（38）两种沟槽；有源沟槽（37）的沟槽结构由相互接触的有源沟槽多晶硅（6）和栅氧化层（9）组成，其中有源沟槽多晶硅（6）和栅电极相连；虚拟沟槽（38）的沟槽结构由相互接触的虚拟沟槽多晶硅（3）和栅氧化层（9）组成，其中虚拟沟槽多晶硅（3）和发射极电极相连；有源沟槽（37）和虚拟沟槽（38）组成半封闭的结构；有源沟槽（37）和虚拟沟槽（38）之间有缝隙（40）；所有沟槽都至少穿透了部分CS层（8）到达N-漂移层（10），并在部分N-漂移层（10）中延伸一段距离。2.根据权利要求1所述的一种具有半封闭原胞的绝缘栅双极型晶体管器件结构，其特征在于：有源沟槽（37）和虚...

【专利技术属性】
技术研发人员：李宇柱，
申请(专利权)人：常州中明半导体技术有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32