[发明专利]一种沟槽绝缘栅双极型晶体管

说明书

技术领域

一种沟槽绝缘栅双极型晶体管，能很好应用于高温环境，属于半导体功率器件技术领域。

背景技术

绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor—IGBT)，是一种发展迅速、应用广泛的电力电子器件，它是利用MOSFET的输入阻抗高、驱动电路简单和双极型晶体管电流密度大、饱和压降低的优点而组合成的新器件。现广泛应用于电磁炉、UPS不间断电源、汽车电子点火器、变频器、马达传动系统及其它能量转换装置。

1982年绝缘栅双极型晶体管最初被提出时是平面栅穿通型的，其结构如图1所示，它是在高浓度的P+衬底2上依次外延N⁺缓冲层3、N^-基区层4后制造成的绝缘栅双极型晶体管结构。由于存在N⁺缓冲层3，电场在N⁺缓冲层3中将得到终止，从而形成一个梯形的电场分布，如图1所示，故可利用较薄的N^-基区即可得到较高的击穿电压，有利于降低导通电阻，从而降低静态功耗，但是由于P⁺衬底相对较厚，浓度很高，使得背发射结的注入效率很高，关断时电子基本不能从背发射区流出，只靠在基区的复合消失，从而其关断时间很长，增大了开关损耗。另一方面，在平面栅结构中，电流流向与表面平行的沟道时，栅极下面由P型基区8围起来的一个结型场效应管(JFET)是电流的必经之路，它成为电流通道上的一个串联电阻，而且当空穴电流流经N⁺源极下的P型基区8时，由于P型基区8横向寄生电阻R_S的存在，所以会在R_S上产生一个压降，当其值大于PN结的内建电势时，电子会从N⁺源极注入到P型基区，导致寄生晶闸管的开启。

为了克服平面栅穿通型绝缘栅双极型晶体管的以上缺点，分别发展起来非穿通型绝缘栅双极型晶体管(Non-Punch-Through IGBT—NPT-IGBT)和沟槽栅型绝缘栅双极型晶体管(Trench Gate IGBT—T-IGBT)，它们的结构分别如图2和图3所示。

非穿通型绝缘栅双极型晶体管采用了高电阻率的FZ(区熔)单晶替换昂贵的外延片，晶体完整性和均匀性得到充分满足，在硅片背面用注入和退火的方法形成发射效率较低且较薄的P区。这一般称之为“透明集电区”，采用此技术，可以使得绝缘栅双极型晶体管在关断时，N^-基区的大量过剩电子可以以扩散的方式穿透极薄的P区，而达到快速关断的效果。但是非穿通型绝缘栅双极型晶体管在采用透明集电区技术提高开关速度的同时，由于没有了N⁺层，电场将终止于N^-基区，从而形成一个三角形的电场分布，如图2所示，故为了保证耐压必须采用相对较宽的N^-基区，导致导通电阻的增大，也就增加了静态损耗。特别是在承受高电压时，在靠近发射极的N^-基区和JFET区电导调制效应将会明显减弱，导通损耗增加将更为显著。

沟槽栅型绝缘栅双极型晶体管则用槽栅结构代替平面栅，改善了器件的导通特性，降低导通电阻，增加了电流密度。在沟槽栅结构中，平面栅结构中的JFET被干法刻蚀的工艺很好地挖去了，连同包围这个区域、延伸到原来栅极下形成沟道的部分P型基区也都挖掉。于是N+源区7和留下的P型基区5就暴露在该沟槽的侧壁，通过侧壁氧化等一系列特殊加工，侧壁氧化层外侧的P型基区内形成了垂直于硅片表面的沟道。工作时电流从N-基区直接流进垂直沟道而进入源区，使得原胞密度增加，电流密度增加，闩锁效应减小。

传统的沟槽绝缘栅双极型晶体管相对于平面槽绝缘栅双极型晶体管而言，已经有很大的抗闩锁能力，但是在高温工作时，一方面由于温度升高，载流子寿命增加，PNP晶体管放大系数变大，导致流过P阱区的空穴电流变大；另一方面，温度升高使得空穴的迁移率大大降低，P体区电阻增加；这两方面原因都会导致传统沟槽绝缘栅双极型晶体管由于温度的升高，抗闩锁能力大幅度降低，安全工作区也随之减小。例如，应用于蒸汽熨斗基板温度调节器的绝缘栅双极型晶体管，需要工作到接近200摄氏度的高温，这时传统沟槽绝缘栅双极型晶体管会由于温度的升高而导致抗闩锁能力大幅下降，可靠性降低，如何寻求具有更好的高温抗闩锁能力是迫切需要解决的问题。

发明内容