一种注入增强型绝缘栅双极型晶体管的制作方法
【专利摘要】本发明涉及功率半导体器件领域，主要是一种注入增强型绝缘栅双极型晶体管，包括p型集电极，所述p型集电极上设置有载流子扩散层，在所述载流子扩散层上纵向设置有多根沟槽，所述载流子扩散层上横向设置有多排p型混合区，每排p型混合区包括多个独立的p型活性区和p型非活性区，各区块之间被所述沟槽隔开；本申请的双极型晶体管中设置有条纹状周期分离性元胞结构，发射极对应形成分离状，使得空穴在发射极未形成覆盖的区域发生积累效应，从而提高沟槽附近区域的载流子浓度，进一步降低导通压降。
【专利说明】一种注入增强型绝缘栅双极型晶体管
【技术领域】
[0001]本发明涉及功率半导体器件领域，主要是一种注入增强型绝缘栅双极型晶体管。
【背景技术】
[0002]绝缘栅双极型晶体管广泛应用于电力电子行业的核心控制领域，沟槽栅是该类产品的核心技术之一，其主要目的可以实现更大的电流密度和更小的导通压降，从而减小器件尺寸并降低功耗。传统的绝缘栅双极型晶体管在制造正面结构时(沟槽栅一面)，通常采用元胞区全覆盖的方式，该方式将导致器件在工作时空穴迅速溢出发射极，降低沟槽附近的区域载流子浓度较低，使得导通压降的降低受到限制。
[0003]现有技术中对双极型晶体管结构也进行了改进，如专利号为CN200920192176.6，申请日为2009-08-31，名称为“绝缘栅双极型晶体管”的实用新型专利，其技术方案为:本实用新型绝缘栅双极型晶体管，其包括在N-衬底表面进行低浓度的N-离子注入形成的衬底，形成在衬底表面的栅极氧化层，淀积在栅极氧化层上的多晶硅栅极，形成在栅极氧化层与N-衬底之间的p+阱区及位于p+阱区与栅极氧化层之间的N+阱区，位于N-衬底下方的背面注入区，位于注入区下方的集电极及位于栅极氧化层上方的发射极，在栅极氧化层下方的N-型衬底上增加了一个浓P型阱区；
再如专利申请号为CN201210333321.4，申请日为2012-09-11，名称为“一种集电极终端具有介质层的绝缘栅双极型晶体管”的发明专利，其技术方案为:一种集电极终端具有介质层的绝缘栅双极型晶体管，属于功率半导体器件和功率集成电路【技术领域】。本发明在传统的绝缘栅双极型晶体管结构的基础上，在器件终端集电极区域引入一层连续或不连续的介质层。
[0004]上述专利中，CN200920192176.6的栅极为平面型，CN201210333321.4的创新在于背面，即在集电极的终端对应位置引入一层介质层，而正面结构(沟槽栅一面)仍然为传统结构，所以仍然存在导通过程中的载流子浓度较低的问题。
[0005]
【发明内容】
为解决现有的双极型晶体管的导通压降的降低受到限制，现在提出一种条纹状周期分离性元胞结构，发射极对应形成分离状，使得空穴在发射极未形成覆盖的区域发生积累效应，从而提高沟槽附近区域的载流子浓度，进一步降低导通压降的一种注入增强型绝缘栅双极型晶体管。
[0006]一种注入增强型绝缘栅双极型晶体管，其特征在于:包括P型集电极，所述P型集电极上设置有载流子扩散层，在所述载流子扩散层上纵向设置有多根沟槽，所述载流子扩散层上横向设置有多排P型混合区，每排P型混合区包括多个独立的P型活性区和P型非活性区，各区块之间被所述沟槽隔开；所述每排P型混合区上的P型活性区和P型非活性区间隔设置，并且相邻排上同一列上的P型活性区和P型非活性区间隔设置，所述每个P型活性区上设置有η型发射极，所述η型发射极呈H型。
[0007]所述P型集电极和载流子扩散层之间设置有场截至层。
[0008]所述场截止层为重掺η型层。
[0009]所述载流子扩散层为轻掺η型层；所述η型发射极为重掺η型层。
[0010]所述每排P型混合区的横向宽度为2um-20um,纵向宽度为2um_40um深度为2um-8um。
[0011]所述沟槽长度方向与P型混合区的长度方向垂直。
[0012]所述沟槽包括有呈U型的薄层绝缘层，所述薄层绝缘层内为η型填充多晶硅。
[0013]所述薄层绝缘层包括氧化硅和氮化硅。
[0014]所述η型填充多晶硅内掺杂有磷或砷。
[0015]所述沟槽的宽度为0.5um-2um,深度为2um-8um,相邻沟槽之间的间距为2um_8um。
[0016]所述H型的η型发射极两侧边依靠有所述薄层绝缘层，所述两侧边的宽度分别为
0.5um-3um,所述H型两侧边之间的宽度为0.5um-8um,所述H型的深度为0.lum-lum。
[0017]所述P型活性区的掺杂杂质为硼，深度为2um-8um。
[0018]所述P型非活性区的掺杂杂质为硼，深度为2um-8um。
[0019]所述P型集电极的掺杂杂质为硼，深度为0.lum-2um。
[0020]所述场截至层掺杂杂质包括磷、硒、质子、硫、砷或者缺陷掺杂，深度为2um-20um。
[0021]所述轻掺η型区掺杂为磷或砷，采用气掺或中照硅片。
[0022]所述P型非活性区或/和P型活性区内设置有P型发射极。
[0023]所述P型发射极为重掺P型层。
[0024]本申请的优点在于:
1、本申请的双极型晶体管中设置有条纹状周期分离性元胞结构，发射极对应形成分离状，使得空穴在发射极未形成覆盖的区域发生积累效应，从而提高沟槽附近区域的载流子浓度，进一步降低导通压降。
[0025]2、本申请在沟槽栅一面，设置为为元胞区非全覆盖结构，并且本申请的栅极为沟槽型，与对比文件和现有技术的结构完全不同。
[0026]3、由于P型非活性区的存在，空穴将在P型非活性区下产生积累效应，从而提高发射极附近的载流子浓度，增强该区域的电导调制效应，减小导通电阻，从而降低导通压降。
[0027]4、混合的P型活性区和P型非活性区使得发射极附近的载流子积累更为均匀。
[0028]5、本申请的“H”型发射极结构可以避免因光刻精度而导致的位置偏离，使得两侧的η型发射极连在一起。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]图1为本申请基本结构图。
[0030]图2为图1中B-B’所在横截面图。
[0031]图3为相较图2增加了 P型发射极。
[0032]图4在P型活性区及P型非活性区中均增加P型发射极。
[0033]图5为图1中A-A’所在横截面图。
[0034]图6为取消P型非活性区时的Α-Α’所在横截面图。
[0035]附图中:P型集电极101，场截至层102，载流子扩散层103，ρ型活性区1041，ρ型非活性区1042，η型发射极105，ρ型发射极106，薄层绝缘层201，沟槽202。
【具体实施方式】
[0036]实施例1
一种注入增强型绝缘栅双极型晶体管包括P型集电极101，所述ρ型集电极101上设置有载流子扩散层103，在所述载流子扩散层103上纵向设置有多根沟槽202，所述载流子扩散层103上横向设置有多排ρ型混合区，每排P型混合区包括多个独立的P型活性区1041和P型非活性区1042，各区块之间被所述沟槽202隔开；所述每排ρ型混合区上的ρ型活性区1041和ρ型非活性区1042间隔设置，并且相邻排上同一列上的ρ型活性区1041和ρ型非活性区1042间隔设置，所述每个ρ型活性区1041上设置有η型发射极105，所述η型发射极105呈H型。
[0037]本申请的双极型晶体管中设置有条纹状周期分离性元胞结构，发射极对应形成分离状，使得空穴在发射极未形成覆盖的区域发生积累效应，从而提高沟槽202附近区域的载流子浓度，进一步降低导通压降。本申请在沟槽202栅一面，设置为为元胞区非全覆盖结构，并且本申请的栅极为沟槽202型，与对比文件和现有技术的结构完全不同。由于P型非活性区1042的存在，空穴将在ρ型非活性区1042下产生积累效应，从而提高发射极附近的载流子浓度，增强该区域的电导调制效应，减小导通电阻，从而降低导通压降。混合的P型活性区1041和ρ型非活性区1042使得发射极附近的载流子积累更为均匀。本申请的“H”型发射极结构可以避免因光刻精度而导致的位置偏离，使得两侧的η型发射极105连在一起。
[0038]实施例2
一种注入增强型绝缘栅双极型晶体管包括P型集电极101，所述P型集电极101上设置有载流子扩散层103，在所述载流子扩散层103上纵向设置有多根沟槽202，所述载流子扩散层103上横向设置有多排ρ型混合区，每排P型混合区包括多个独立的P型活性区1041和P型非活性区1042，各区块之间被所述沟槽202隔开；所述每排ρ型混合区上的ρ型活性区1041和ρ型非活性区1042间隔设置，并且相邻排上同一列上的ρ型活性区1041和ρ型非活性区1042间隔设置，所述每个ρ型活性区1041上设置有η型发射极105，所述η型发射极105呈H型。
[0039]ρ型集电极101和载流子扩散层103之间设置有场截至层102。场截止层为重掺η型层。所述载流子扩散层103为轻掺η型层；所述η型发射极105为重掺η型层。每排ρ型混合区的横向宽度为2um-20um,纵向宽度为2um_40um深度为2um_8um。
[0040]沟槽202长度方向与P型混合区的长度方向垂直。沟槽202包括有呈U型的薄层绝缘层201，所述薄层绝缘层201内为η型填充多晶硅。
[0041]薄层绝缘层201包括氧化硅和氮化硅。η型填充多晶硅内掺杂有磷和砷。
[0042]沟槽202的宽度为0.5um-2um,深度为2um_8um，相邻沟槽202之间的间距为2um-8um。H型的η型发射极105两侧边依靠有所述薄层绝缘层201，所述两侧边的宽度分别为0.5um-3um,所述H型两侧边之间的宽度为0.5um-8um,所述H型的深度为0.lum-lum。P型活性区1041的掺杂杂质为硼，深度为2um-8um。ρ型非活性区1042的掺杂杂质为硼，深度为2um-8um。ρ型集电极101的掺杂杂质为硼,深度为0.lum_2um。
[0043]场截至层102掺杂杂质包括磷、硒、质子、硫、砷或者缺陷掺杂，深度为2um_20um。轻掺η型区掺杂为磷或砷，采用气掺或中照硅片。P型非活性区1042或/和ρ型活性区1041内设置有ρ型发射极106。ρ型发射极106为重掺ρ型层。
[0044]本申请的双极型晶体管中设置有条纹状周期分离性元胞结构，发射极对应形成分离状，使得空穴在发射极未形成覆盖的区域发生积累效应，从而提高沟槽202附近区域的载流子浓度，进一步降低导通压降。本申请在沟槽202栅一面，设置为为元胞区非全覆盖结构，并且本申请的栅极为沟槽202型，与对比文件和现有技术的结构完全不同。由于P型非活性区1042的存在，空穴将在ρ型非活性区1042下产生积累效应，从而提高发射极附近的载流子浓度，增强该区域的电导调制效应，减小导通电阻，从而降低导通压降。混合的P型活性区1041和ρ型非活性区1042使得发射极附近的载流子积累更为均匀。本申请的“H”型发射极结构可以避免因光刻精度而导致的位置偏离，使得两侧的η型发射极105连在一起。
[0045]实施例3
一种注入增强型绝缘栅双极型晶体管包括P型集电极101，所述P型集电极101上设置有载流子扩散层103，在所述载流子扩散层103上纵向设置有多根沟槽202，所述载流子扩散层103上横向设置有多排ρ型混合区，每排P型混合区包括多个独立的P型活性区1041和P型非活性区1042，各区块之间被所述沟槽202隔开；所述每排ρ型混合区上的ρ型活性区1041和ρ型非活性区1042间隔设置，并且相邻排上同一列上的ρ型活性区1041和ρ型非活性区1042间隔设置，所述每个ρ型活性区1041上设置有η型发射极105，所述η型发射极105呈H型。
[0046]ρ型集电极101和载流子扩散层103之间设置有场截至层102。场截止层为重掺η型层。每排P型混合区的横向宽度为20um,纵向宽度为2um深度为8um。
[0047]沟槽202长度方向与ρ型混合区的长度方向垂直。沟槽202包括有呈U型的薄层绝缘层201，所述薄层绝缘层201内为η型填充多晶硅。
[0048]薄层绝缘层201包括氧化硅和氮化硅。η型填充多晶硅内掺杂有磷和砷。
[0049]沟槽202的宽度为0.5um，深度为8um，相邻沟槽202之间的间距为2um。H型的η型发射极105两侧边依靠有所述薄层绝缘层201，所述两侧边的宽度分别为3um，所述H型两侧边之间的宽度为0.5um，所述H型的深度为lum。ρ型活性区1041的掺杂杂质为硼，深度为2um。ρ型非活性区1042的掺杂杂质为硼，深度为8um。ρ型集电极101的掺杂杂质为硼，深度为0.lum。
[0050]场截至层102掺杂杂质包括磷、硒、质子、硫、砷或者缺陷掺杂，深度为20um。轻掺η型区掺杂为磷或砷，采用气掺或中照硅片。P型非活性区1042或/和ρ型活性区1041内设置有P型发射极106。ρ型发射极106为重掺ρ型层。
[0051]实施例4
一种注入增强型绝缘栅双极型晶体管包括P型集电极101，所述P型集电极101上设置有载流子扩散层103，在所述载流子扩散层103上纵向设置有多根沟槽202，所述载流子扩散层103上横向设置有多排ρ型混合区，每排P型混合区包括多个独立的P型活性区1041和P型非活性区1042，各区块之间被所述沟槽202隔开；所述每排ρ型混合区上的ρ型活性区1041和ρ型非活性区1042间隔设置，并且相邻排上同一列上的ρ型活性区1041和ρ型非活性区1042间隔设置，所述每个ρ型活性区1041上设置有η型发射极105，所述η型发射极105呈H型。
[0052]ρ型集电极101和载流子扩散层103之间设置有场截至层102。场截止层为重掺η型层。所述载流子扩散层103为轻掺η型层；所述η型发射极105为重掺η型层。每排ρ型混合区的横向宽度为2um,纵向宽度为40um深度为2um。
[0053]沟槽202长度方向与ρ型混合区的长度方向垂直。沟槽202包括有呈U型的薄层绝缘层201，所述薄层绝缘层201内为η型填充多晶硅。
[0054]薄层绝缘层201包括氧化硅和氮化硅。η型填充多晶硅内掺杂有磷和砷。
[0055]沟槽202的宽度为2um，深度为2um，相邻沟槽202之间的间距为8um。H型的η型发射极105两侧边依靠有所述薄层绝缘层201，所述两侧边的宽度分别为0.5um，所述H型两侧边之间的宽度为8um，所述H型的深度为0.lum。ρ型活性区1041的掺杂杂质为硼，深度为8um。ρ型非活性区1042的掺杂杂质为硼，深度为2um。ρ型集电极101的掺杂杂质为硼，深度为2um。
[0056]场截至层102掺杂杂质包括磷、硒、质子、硫、砷或者缺陷掺杂，深度为2um。轻掺η型区掺杂为磷或砷，采用气掺或中照硅片。P型非活性区1042或/和ρ型活性区1041内设置有P型发射极106。ρ型发射极106为重掺ρ型层。
[0057]实施例5
一种注入增强型绝缘栅双极型晶体管包括P型集电极101，所述P型集电极101上设置有载流子扩散层103，在所述载流子扩散层103上纵向设置有多根沟槽202，所述载流子扩散层103上横向设置有多排ρ型混合区，每排P型混合区包括多个独立的P型活性区1041和P型非活性区1042，各区块之间被所述沟槽202隔开；所述每排ρ型混合区上的ρ型活性区1041和ρ型非活性区1042间隔设置，并且相邻排上同一列上的ρ型活性区1041和ρ型非活性区1042间隔设置，所述每个ρ型活性区1041上设置有η型发射极105，所述η型发射极105呈H型。
[0058]ρ型集电极101和载流子扩散层103之间设置有场截至层102。场截止层为重掺η型层。所述载流子扩散层103为轻掺η型层；所述η型发射极105为重掺η型层。每排ρ型混合区的横向宽度为1um,纵向宽度为2Ium深度为4um。
[0059]沟槽202长度方向与ρ型混合区的长度方向垂直。沟槽202包括有呈U型的薄层绝缘层201，所述薄层绝缘层201内为η型填充多晶硅。
[0060]薄层绝缘层201包括氧化硅和氮化硅。η型填充多晶硅内掺杂有磷和砷。
[0061]沟槽202的宽度为lum，深度为3um，相邻沟槽202之间的间距为5um。H型的η型发射极105两侧边依靠有所述薄层绝缘层201，所述两侧边的宽度分别为1.2um，所述H型两侧边之间的宽度为3um，所述H型的深度为0.5um。ρ型活性区1041的掺杂杂质为硼，深度为4um。ρ型非活性区1042的掺杂杂质为硼，深度为5um。ρ型集电极101的掺杂杂质为硼，深度为1.lum。
[0062]场截至层102掺杂杂质包括磷、硒、质子、硫、砷或者缺陷掺杂，深度为12um。轻掺η型区掺杂为磷或砷，采用气掺或中照硅片。P型非活性区1042或/和ρ型活性区1041内设置有P型发射极106。ρ型发射极106为重掺ρ型层。
[0063]值得注意的是，本专利所公开的结构不仅适用于绝缘栅双极型晶体管，同样适用于MOSFET等其他沟道型功率半导体器件。专利中所公开的参数及方法仅供参考，保护内容不仅限于文中所述参数，该领域内技术人员经适当调整后即可应用。
【权利要求】
1.一种注入增强型绝缘栅双极型晶体管，其特征在于:包括P型集电极(101)，所述P型集电极(101)上设置有载流子扩散层(103)，在所述载流子扩散层(103)上纵向设置有多根沟槽(202)，所述载流子扩散层(103)上横向设置有多排P型混合区，每排P型混合区包括多个独立的P型活性区(1041)和P型非活性区(1042)，各区块之间被所述沟槽(202)隔开；所述每排P型混合区上的P型活性区(1041)和P型非活性区(1042)间隔设置，并且相邻排上同一列上的P型活性区(1041)和P型非活性区(1042)间隔设置，所述每个P型活性区(1041)上设置有η型发射极(105 )，所述η型发射极(105 )呈H型。
2.根据权利要求1所述的一种注入增强型绝缘栅双极型晶体管，其特征在于:所述P型集电极(101)和载流子扩散层(103)之间设置有场截至层(102)，所述场截止层为重掺η型层；所述载流子扩散层(103)为轻掺η型层；所述η型发射极(105)为重掺η型层。
3.根据权利要求1或2所述的一种注入增强型绝缘栅双极型晶体管，其特征在于:所述每排P型混合区的横向宽度为2um-20um,纵向宽度为2um_40um深度为2um_8um。
4.根据权利要求3所述的一种注入增强型绝缘栅双极型晶体管，其特征在于:所述沟槽(202)包括有呈U型的薄层绝缘层(201)，所述薄层绝缘层(201)内为η型填充多晶硅；所述沟槽(202)长度方向与P型混合区的长度方向垂直。
5.根据权利要求4所述的一种注入增强型绝缘栅双极型晶体管，其特征在于:所述薄层绝缘层(201)包括氧化硅和氮化硅。
6.根据权利要求5所述的一种注入增强型绝缘栅双极型晶体管，其特征在于:所述η型填充多晶硅内掺杂有磷和砷。
7.根据权利要求6所述的一种注入增强型绝缘栅双极型晶体管，其特征在于:所述沟槽(202)的宽度为0.5um-2um，深度为2um_8um，相邻沟槽(202)之间的间距为2um_8um ;所述H型的η型发射极(105)两侧边依靠有所述薄层绝缘层(201 )，所述两侧边的宽度分别为0.5um-3um,所述H型两侧边之间的宽度为0.5um-8um,所述H型的深度为0.lum-lum。
8.根据权利要求7所述的一种注入增强型绝缘栅双极型晶体管，其特征在于:所述P型活性区(1041)的掺杂杂质为硼，深度为2um-8um ;所述P型非活性区(1042)的掺杂杂质为硼，深度为2um-8um ;所述P型集电极(101)的掺杂杂质为硼，深度为0.lum-2um ;所述场截至层(102)掺杂杂质包括磷、硒、质子、硫、砷或者缺陷掺杂，深度为2um-20um。
9.根据权利要求2所述的一种注入增强型绝缘栅双极型晶体管，其特征在于:所述轻掺η型区掺杂为磷或砷，采用气掺或中照硅片。
10.根据权利要求9所述的一种注入增强型绝缘栅双极型晶体管，其特征在于:所述P型非活性区(1042)或/和P型活性区(1041)内设置有P型发射极(106)，所述ρ型发射极(106)为重掺ρ型层。
【文档编号】H01L29/06GK104332496SQ201410614629
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年11月5日 优先权日:2014年11月5日
【发明者】胡强, 王思亮, 张世勇 申请人:中国东方电气集团有限公司