[发明专利]一种具有P型浮空层的载流子存储槽栅IGBT

说明书

技术领域

一种具有P型浮空层的载流子存储槽栅IGBT结构，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，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。

IGBT最初于1982年提出，为穿通型结构，如图1所示，它是在高浓度的P⁺衬底2上依次外延生长N型缓冲层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型缓冲层3，电场在N型缓冲层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，在制造时往往需要增加寿命控制。同时，在制造大于600V的高压穿通型IGBT时，所需外延层厚度的增加，使得制造成本大大增加。其后，发展了非穿通型绝缘栅双极型晶体管，其结构如图2所示，它是在单晶N^-衬底上制造的，在表面结构完成以后通过离子注入形成薄且较轻掺杂的背P⁺区22(通常称为透明集电极)，降低了背发射区注入效率，明显改善了关态延迟，并且导通压降呈正温度系数，功耗和电流拖尾随温度的变化小，因不用外延片和不用寿命控制技术而成本较低。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型缓冲层，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，导通损耗增加将更为显著。所以，只通过降低背发射区注入效率来优化正向导通压降和关断损耗的矛盾关系，其作用是很有限的，文献K.Sheng，F.Udrea，G.A.J.Amaratunga，“Optimum carrier distribution of the IGBT”(绝缘栅双极型晶体管载流子浓度分布的优化)，Solid-State Electronics 44，1573-1583，2000指出，要实现正向导通压降和关断损耗之间较好的优化，这和载流子在N^-基区的分布密切相关，增大发射极一侧载流子的浓度，降低集电极一侧载流子的浓度有利于实现它们之间更好的优化。

沟槽栅型绝缘栅双极型晶体管，如图3所示，是绝缘栅双极型晶体管的另一个发展方向，它采用沟槽栅结构代替平面栅，改善了器件的导通特性，降低了导通电阻。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9和留下的P型基区8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8内形成了垂直于硅片表面的沟道。工作时电流从N^-基区4直接流进垂直沟道而进入N⁺源区9，使得元胞密度增加，电流密度增加，闩锁效应减小。但是沟槽栅型绝缘栅双极型晶体管在高温工作时，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型基区8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型基区8的电阻增加；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，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。另外，沟槽栅型绝缘栅双极型晶体管的饱和电流密度增加，也使得短路安全工作区(SCSOA)减小。