[發明專利]絕緣柵雙極晶體管

有效

• 申請號: 201280033829.0
• 申請日: 2012-07-06
• 公開（公告）號: CN103650148A
• 公開（公告）日: 2014-03-19
• 發明（設計）人: M.安登納;M.拉希莫;C.科瓦斯塞;A.科普塔
• 申請（專利權）人: ABB技術有限公司
• 主分類號: H01L29/739
• 分類號: H01L29/739;H01L29/10
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 徐予紅;劉春元

技術領域

本發明涉及功率半導體器件領域。它涉及如權利要求1的導言所述的絕緣柵雙極。?

背景技術

圖1示出具有平面柵電極的現有技術IGBT?120。IGBT?120是一種具有四層結構的器件，該層設置在發射極側11上的發射極電極（emitter?electrode）2與集電極側15(其與發射極側11相對設置)上的集電極電極（collector?electrode）25之間。(n-)摻雜漂移層8設置在發射極側11與集電極側15之間。p摻雜基極層4設置在漂移層8與發射極電極2之間，該基極層4與發射極電極2直接電接觸。n-摻雜源區7設置在發射極側11(其嵌入平面基極層4)上，并且接觸發射極電極2。?

平面柵電極31設置在發射極側11之上。平面柵電極31通過第一絕緣層34與基極層4、第一源區7和漂移層8電絕緣。存在第三絕緣層38，其設置在平面柵電極31與發射極電極2之間。在集電極側，集電極層9設置在漂移層8與集電極電極25之間。?

這種平面MOS單元設計在應用于BiMOS類型開關概念時呈現許多缺點。該裝置因多種效應而具有高通態損耗。平面設計提供橫向MOS溝道，該橫向MOS溝道其遭受單元附近的載流子擴張(又稱作JFET效應)。因此，平面單元呈現低載流子增強。此外，由于橫向溝道設計，平面設計還因MOS溝道的橫向電子擴張而遭受空穴排流效應(hole?drain?effect）（PNP效應)。單元之間的區域提供PiN二極管部分的強電荷增強。但是，這種PiN效應在具有低單元封裝密度(區域中的低數量的單元)的高電壓裝置中只能呈現正面影響。為了實現降低的溝道電阻，以較小單元封裝密度來制作平面裝置，并且這只能采用窄間距(兩個單元之間的距離)來補償，由此降低PiN效應。?

高損耗通過引入n摻雜增強層(其圍繞平面基極層)來降低。?

與阻塞能力有關，平面設計因單元中以及單元之間的低峰值場而提供良好阻塞能力。?

平面設計能夠具有柵電極下面的大MOS積聚區以及大關聯電容。然而，裝置因在單元之間施加場氧化物類型層以用于密勒電容降低而呈現良好可控性。因此，對于平面設計能夠實現良好可控性和低開關損耗。?

此外，對于所需短路電流能夠易于調整平面設計中的單元密度。?

考慮上述所有效應，因此，現有技術平面單元對場氧化物層應用極窄單元和寬間距。?

作為對平面設計的代替，引入了如圖2所示具有溝槽MOS單元設計的現有技術IGBT?130，其中溝槽柵電極3通過第一絕緣層34與基極層4、第一源區7和漂移層8電絕緣。溝槽柵電極3設置在相同平面上且橫向于基極層4，并且比基極層4更深地延伸到漂移層8中。?

通過這類溝槽柵電極設計，通態損耗較低，因為溝槽設計提供垂直MOS溝道，這提供沿垂直方向的電子的增強注入，并且沒有遭受單元附近的電荷擴張(所謂的JFET效應)的缺陷。因此，溝槽單元對于較低損耗呈現極大改進的載流子增強。由于垂直溝道設計，溝槽還因MOS溝道的改進電子擴張而提供較小空穴排流效應(PNP效應)。在溝槽底部，存在積聚層，積聚層為PIN二極管部分提供強電荷增強。因此，寬和/或深溝槽呈現最佳性能。溝槽設計對于降低溝道電阻提供大單元封裝密度。但是，溝槽設計因高峰值電場而在溝槽的底角附近遭受較低阻塞能力。溝槽設計具有大MOS積聚區和關聯電容，其中難以在溝槽中施加場氧化物類型層以用于密勒電容降低。因此，該裝置引起不良可控性和高開關損耗。此外，溝槽設計中的高單元密度將引起高短路電流。?

為了降低上述效應，已經使溝槽柵電極較寬和較深，而必須使單元較窄，使得降低損耗，并且能夠使短路電流保持較低。但是，這類溝槽難以加工，并且仍然將遭受不良可控性。?

在圖3所示的另一現有技術概念中，應用了具有插入（pitched）溝槽柵電極300設計的IGBT?140，其中MOS區域插在單元之間。兩個溝槽柵電極3通過層(其由與溝槽柵電極相同的材料所制成)來連接，由此形成下面的區域，其中設置基極層的一部分，但是在這個MOS區域中沒有源區或者基極層與發射極電極的接觸是可用的。但是，這類裝置因開關期間從插入區域的緩慢場擴張而引起不良阻塞性質和高開關損耗(圖3)。?