[發(fā)明專利]半導(dǎo)體裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910053117.9
• 申請日: 2019-01-21
• 公開（公告）號: CN110085670B
• 公開（公告）日: 2022-05-31
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 中谷貴洋
• 申請（專利權(quán)）人: 三菱電機株式會社
• 主分類號: H01L29/739
• 分類號: H01L29/739;H01L29/06
• 代理公司: 北京天昊聯(lián)合知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11112
• 代理人: 何立波;張?zhí)焓?/td>

提供能夠通過避免導(dǎo)通電壓的大幅增加且減小通斷損耗而減小總損耗的半導(dǎo)體裝置。溝槽(TR)具有沿長度方向延伸的1對長邊(SL)和將1對長邊(SL)連接的1對短邊(SS)。溝槽(TR)在長度方向和交叉方向上周期性地配置。第1區(qū)域(12)設(shè)置在第1導(dǎo)電型的漂移層(11)之上，具有第2導(dǎo)電型，被溝槽(TR)貫穿。第2區(qū)域(13)遠(yuǎn)離漂移層(11)而設(shè)置在第1區(qū)域(12)之上，具有第1導(dǎo)電型，遠(yuǎn)離多個溝槽TR的1對長邊(SL)的端部而與1對長邊(SL)接觸。第3區(qū)域(14)設(shè)置在第1區(qū)域(12)之上，具有第2導(dǎo)電型，具有比第1區(qū)域(12)所具有的雜質(zhì)濃度高的雜質(zhì)濃度。柵極電極(21)隔著柵極絕緣膜(5)而設(shè)置于溝槽(TR)中。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及半導(dǎo)體裝置，特別是涉及具有與半導(dǎo)體襯底絕緣的柵極電極的功率半導(dǎo)體裝置。

背景技術(shù)

在全球范圍推廣的節(jié)能化運動的推動下，對電力變換裝置的低耗電化的期待非常高。在電力變換裝置中起到關(guān)鍵性作用的是功率器件。當(dāng)前，在功率器件中，絕緣柵雙極晶體管(Insulated Gate Bipolar Tr_ansi_stor：IGBT)更為廣泛地使用。特別是，溝槽型IGBT通過高密度地配置溝道，從而容易獲得低的導(dǎo)通電壓(詳細(xì)情況將在后面敘述)。因此，溝槽型IGBT適于減小消耗電力。下面，對具有溝槽柵極構(gòu)造的IGBT的結(jié)構(gòu)及其動作的一個例子進行說明。

為了獲得IGBT的結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)備具有p⁺硅襯底和在其上表面之上設(shè)置的n^－漂移層的硅晶片。在n^－漂移層的表層部形成p基極區(qū)域，另外，在p基極區(qū)域的表層部選擇性地形成n⁺發(fā)射極區(qū)域。從n⁺發(fā)射極區(qū)域的表面將p基極區(qū)域貫穿而到達(dá)至n^－漂移層的溝槽形成為條帶狀。在溝槽的內(nèi)部隔著柵極氧化膜而填充由多晶硅構(gòu)成的柵極電極。以將柵極電極的上部覆蓋的方式形成層間絕緣膜。在層間絕緣膜的上部以與n⁺發(fā)射極區(qū)域及p基極區(qū)域接觸的方式設(shè)置片狀的發(fā)射極電極。另外，在p⁺硅襯底的下表面之上設(shè)置片狀的集電極(collector)電極(electrode)。

將發(fā)射極電極的電位作為基準(zhǔn)，對集電極電極施加高的正電壓。

在柵極電極的電壓低于閾值時，IGBT處于截止?fàn)顟B(tài)。為了使IGBT為導(dǎo)通狀態(tài)，從柵極驅(qū)動電路經(jīng)由柵極電阻對柵極電極施加比閾值高的電壓。由此，在柵極電極蓄積電荷。通過該蓄積，p基極區(qū)域中的隔著柵極氧化膜而與柵極電極相對的部分的導(dǎo)電型反轉(zhuǎn)為n型。其結(jié)果，在p基極區(qū)域的一部分形成溝道區(qū)域。由此，電子電流從發(fā)射極電極通過n⁺發(fā)射極區(qū)域和p基極區(qū)域的溝道區(qū)域而注入至n^－漂移層。通過所注入的電子，p⁺硅襯底與n^－漂移層之間成為正向偏置狀態(tài)，能夠發(fā)生來自集電極電極的空穴的注入。由此，IGBT成為導(dǎo)通狀態(tài)。導(dǎo)通狀態(tài)下的發(fā)射極電極與集電極電極之間的壓降為導(dǎo)通電壓。

為了使IGBT從導(dǎo)通狀態(tài)變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài)，發(fā)射極電極與柵極電極之間的電壓設(shè)為小于或等于閾值。由此，蓄積于柵極電極的電荷經(jīng)由柵極電阻而向柵極驅(qū)動電路放電。此時，p基極區(qū)域中的已反轉(zhuǎn)為n型的區(qū)域即溝道區(qū)域恢復(fù)為p型。由此，溝道區(qū)域消失。其結(jié)果，電子向n^－漂移層的供給停止。由此，空穴的注入也停止。然后，已在n^－漂移層內(nèi)蓄積的電子及空穴分別被排出至集電極電極及發(fā)射極電極、或者它們彼此再結(jié)合，從而電流消失。即，IGBT成為截止?fàn)顟B(tài)。

如前所述，就導(dǎo)通狀態(tài)與截止?fàn)顟B(tài)之間的通斷切換而言，需要柵極電極與發(fā)射極電極之間的電容的充放電。在該電容大的情況下，用于通斷動作的充放電所需要的時間增加，其結(jié)果，IGBT的電力損耗增加。功率器件的總損耗不僅是由導(dǎo)通電壓決定的穩(wěn)態(tài)損耗，還包含導(dǎo)通狀態(tài)與截止?fàn)顟B(tài)之間的通斷損耗。因此，為了抑制總損耗，不僅要抑制穩(wěn)態(tài)損耗，還需要抑制通斷損耗，為此，減少上述電容是重要的。