[发明专利]具有优化嵌入原胞结构的CSTBT器件

说明书

技术领域

本发明属于功率半导体器件技术领域，涉及绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，尤其涉及载流子储存沟槽双极型晶体管(CSTBT)。

背景技术

作为一种大功率半导体器件，IGBT不但可以耐受高压和提供大电流，而且其栅极的控制也非常方便。自问世以来，IGBT技术不断推陈出新，经历了PT(穿通)结构，NPT(非穿通)结构和FS(场终止)结构等几次升级换代，芯片性能大大提高。栅结构也从Planar(平面型)升级到了Trench(沟槽型)结构。

文章(“Carrier Stored Trench-Gate Bipolar Transistor(CSTBT)-A Novel Power Device for High Voltage Application”，H.Takahashi,et al.，The8th International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs1996，pp349-352)首次公开了CSTBT结构。其主要特征为，在P型基区下面引入了一层高浓度的N型CS层(carrier stored region)，增强了载流子密度，降低了正向饱和压降。

专利US6891224进一步公开了CSTBT的CS层的设计思路，指出CS层可以采用比较高的掺杂浓度，从而进一步提高载流子浓度(carrier density)，降低正向饱和压降(Vcesat)。

文章(“Characteristics of a1200V CSTBT Optimized for Industrial Applications”，Y.Tomomatsu,et al.，Industry Applications Conference,2001，vol.2，pp1060–1065)，以及专利US6953968和US8507945进一步公开了CSTBT的嵌入原胞(Plugged Cell)结构，加入嵌入原胞可以起到减少米勒电容(即集电极-发射极电容，Cce)和抑制短路电流振荡等作用。

图1是传统的CSTBT结构图。包括背面的金属集电极(Collector)13，P型集电极12，N型场终止(FS)层11和N-漂移区10。器件顶部分为有源原胞(Active Cell)和嵌入原胞(Plugged Cell)两种区域。其中Active Cell区域的Trench结构由由相互接触的多晶硅6和栅氧化层9组成；多晶硅6和器件的栅电极(Gate)相连。Plugged Cell区域的Trench结构由多个多晶硅3和栅氧化层9组成；多晶硅3和金属发射极5都和发射极电极(Emitter)相连接。Trench之间还包括P型基区(p-body)7和CS层8。Plugged Cell区域的P型基区7和金属发射极。5之间被介质层4隔离，不和任何电极相连接，因此处于悬空(floating)电位。Active Cell区域的P型基区7上面还有N+发射区1和P+接触区2；N+发射区1和P+接触区2通过介质层4中的窗口和金属发射极5相连接。

为了仔细的研究载流子分布特性，对图1结构进行了二维数值模拟分析。模拟实例中所采用的是1200V CSTBT结构，采用的P型基区、CS层，N-漂移区和FS层等各层的掺杂浓度在图2中也标注出来。图2显示的是图1器件结构在室温正向导通状态(Tj＝25℃，Vge＝15V，Vce＝1.2V，额定电流密度150Acm^-2)，沿着AA’单元连线的纵向载流子分布曲线。可以看出，虽然CS层的峰值掺杂浓度(doping concentration)已经非常高(达到了8x10¹⁶cm^-3)；但是在CS层的峰值之后，载流子的浓度突然下降，形成了一个“肩部”(shoulder)区域。这个“肩部”区域的载流子浓度只有2x10¹⁶cm^-3，远远低于CS层的峰值，拉低了CS层和整个N-漂移区10中的载流子浓度。因此有必要提高“肩部”载流子浓度，以提高整个N-漂移区10中的载流子浓度，进一步降低正向饱和压降。

发明内容

针对现有技术中，载流子储存沟槽双极型晶体管(CSTBT)存在的上述问题，本发明提供一种具有优化嵌入原胞结构的CSTBT器件，在保持同样的CS层掺杂浓度条件下，可以进一步提高载流子浓度，显著的降低饱和压降；新结构器件还可以显著的降低短路电流的峰值和稳定值。同时完全不影响器件的米勒电容和耐压性能。

本发明的技术方案如下：