一种具有低EMI噪声的槽栅双极型晶体管的制作方法

本发明属于半导体技术领域，具体的说涉一种具有低emi噪声的槽栅双极型晶体管(trenchinsulatedgatebipolartransisitor，简称：tigbt)。

背景技术：

高压功率半导体器件是功率电子的重要组成部分，在诸如动力系统中的电机驱动，消费电子中变频等领域具有广泛的应用。传统绝缘栅双极型晶体管(insulatedgatebipolartransistor，简称：igbt)由于其在中高压电力电子领域中展现出优越的性能而得到广泛的应用。但是，igbt存在能耗参数(诸如开启能耗、导通能耗和关断能耗)间的折中优化。h.takahashi等人在ispsd`96proceedings上首次提出了一种新的槽栅型igbt结构—cstbt结构。该结构通过在槽栅型igbt的p型基区与n-漂移区之间添加一层浓度较高的n+载流子储存(cs)层，提升了器件的电导调制效应，进而优化了导通功耗与关断功耗的折中关系。此种产品已由日本三菱公司商业化生产，并成为第五代igbt器件的典型代表。另一方面，在实际应用中，通常采用减小栅极驱动电阻的办法来降低开启功耗。但是这一办法会增大器件开启的dv/dt和di/dt，从而产生较大的感生电动势，增大器件的电磁干扰(emi)噪声，影响器件的可靠性。

技术实现要素：

本发明所要解决的，就是针对上述问题，提出一种带横向空穴势垒层的新型cstbt(可称为hb-cstbt)，从而在不影响开启功耗的前提下大大降低器件开启过程中的emi噪声。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种具有低emi噪声的槽栅双极型晶体管，其结构如图1所示；包括集电极结构、漂移区结构、空穴势垒层结构、发射极结构和槽栅结构；所述的集电极结构包括金属化集电极1和位于金属化集电极1上表面的p集电极区2；所述漂移区结构包括n缓存层3和位于n缓存层3上表面的n漂移区层4，所述n缓存层3位于p集电极区2的上表面；所述的空穴势垒层结构由载流子存储(cs)层12、p区5和n区6组成，所述的空穴势垒层结构位于漂移区上表面，所述的p区5和n区6沿器件水平方向依次交替出现，且位于cs层12的下表面和漂移区结构的上表面；所述发射极结构包括金属化发射极7、n+发射区8、p+接触区9和p基区10，所述发射极结构位于空穴势垒层结构的上层，所述n+发射区8位于p型基区10上表面的两端，且p+接触区9位于两端的n+发射区8之间，所述金属化发射极7位于p+接触区9和n+发射区8的上表面；所述槽栅结构由栅氧化层13和多晶硅栅级11组成，所述栅氧化层13位于发射极结构的两侧，并沿器件垂直方向延伸入器件中形成沟槽，所述栅氧化层3的侧面与p型基区10、n+发射区8、cs层12和n区6接触，所述多晶硅栅11位于沟槽中；其特征在于所述的空穴势垒层结构位于漂移区结构与发射极结构之间，包括上层的cs层12和下层沿水平方向交替排列的n区6与p区5；

本发明总的技术方案，主要是将如图2所示的常规载流子储存槽栅双极型晶体管(cstbt)的结构进行改进，即将空穴势垒层结构引入器件，并放置于漂移区结构与发射极结构之间。空穴势垒层包括上层的cs层12和下层沿水平方向交替排列的n区6与p区5，各区域的长宽尺寸以及掺杂浓度可根据实际器件性能要求设计。

本发明的有益效果为，通过提出新结构槽栅双极型晶体管(hb-cstbt)，在不改变器件参数的前提下，极大降低了器件开启时的电磁噪声干扰，同时几乎不影响器件其他方面的特性。同时，空穴势垒层的为浅结，长宽比远小于超结结构和半超结结构，可以减小制备工艺，降低工艺难度和工艺成本。

附图说明

图1是本发明的hb-cstbt结构示意图；

图2是常规的cstbt结构示意图；

图3是cstbt与本发明提供的hb-cstbt的横向能带比较图；

图4是cstbt与本发明提供的hb-cstbt的电磁干扰噪声与开启功耗的折中关系比较图；

图5是cstbt与本发明提供的hb-cstbt的导通压降与关断能耗的折中关系比较图；

图6是cstbt与本发明提供的hb-cstbt的短路特性比较图；

具体实施方式

下面结合附图，详细描述本发明的技术方案：

一种具有低emi噪声的槽栅双极型晶体管，其结构如图1所示；包括集电极结构、漂移区结构、空穴势垒层结构、发射极结构和槽栅结构；所述的集电极结构包括金属化集电极1和位于金属化集电极1上表面的p集电极区2；所述漂移区结构包括n缓存层3和位于n缓存层3上表面的n漂移区层4，所述n缓存层3位于p集电极区2的上表面；所述的空穴势垒层结构由载流子存储(cs)层12、p区5和n区6组成，所述的空穴势垒层结构位于漂移区上表面，所述的p区5和n区6沿器件水平方向依次交替出现，且位于cs层12的下表面和漂移区结构的上表面；所述发射极结构包括金属化发射极7、n+发射区8、p+接触区9和p基区10，所述发射极结构位于空穴势垒层结构的上层，所述n+发射区8位于p型基区10上表面的两端，且p+接触区9位于两端的n+发射区8之间，所述金属化发射极7位于p+接触区9和n+发射区8的上表面；所述槽栅结构由栅氧化层13和多晶硅栅级11组成，所述栅氧化层13位于发射极结构的两侧，并沿器件垂直方向延伸入器件中形成沟槽，所述栅氧化层3的侧面与p型基区10、n+发射区8、cs层12和n区6接触，所述多晶硅栅11位于沟槽中；其特征在于所述的空穴势垒层结构位于漂移区结构与发射极结构之间，包括上层的cs层12和下层沿水平方向交替排列的n区6与p区5；

本发明总的技术方案，主要是将如图2所示的常规载流子储存槽栅双极型晶体管(cstbt)的结构进行改进，即将空穴势垒层结构引入器件，并放置于漂移区结构与发射极结构之间。空穴势垒层包括上层的cs层12和下层沿水平方向交替排列的n区6与p区5，各区域的长宽尺寸以及掺杂浓度可根据实际器件性能要求设计。

本发明工作原理：在所述igbt的金属化集电极1上加正电压，在金属化发射极8上加零电压，igbt工作在阻断状态。此时，给igbt的栅极加上电压，igbt从阻断状态逐渐转为开启状态。在igbt开启初期，空穴势垒层结构的p区和n区发生横向耗尽，使得横向能带发生弯曲。此时，n区能带低于p区能带，在n区形成空穴势垒。该横向空穴势垒阻挡了开启时的空穴电流往n区内跑，抑制了空穴在栅氧层底部的积累。由于空穴在栅氧层底部的积累会提升该处的电势，产生位移电流给栅电容充电，进而削弱了栅驱动对器件的控制能力，增大了emi噪声。而hb-cstbt降低了位移电流给栅极充电的效果，因此增强了栅驱动对器件的控制能力，降低了emi噪声。此外，在器件导通时，cs层的存在提供纵向空穴势垒层，将空穴存储在漂移区内以提高器件的电导调制效应，所以本发明器件依然具有低功耗的特性。

对本发明提供的hb-cstbt和常规cstbt结构进行仿真对比，进一步证实了本结构的优越性。图3给出了hb-cstbt和cstbt靠近栅极底部位置的横向能带分布对比图。可以看出，hb-cstbt通过空穴势垒层结构的横向耗尽，在栅极底部附近的区域形成空穴势垒，抑制了空穴在栅氧层底部的集中，降低了位移电流给栅电容充电的作用。而cstbt在栅底部形成的是空穴势阱，吸引空穴在栅氧层底部的积累，增大了位移电流给栅电容充电的作用。图4给出了hb-cstbt和cstbt开启能耗和电磁干扰噪声(maxmumdvka/dt)的折中关系比较图。从图5可以看出，在相同的开启能耗下(eon)，hb-cstbt的maxmumdvka/dt从14.38kv/μs降低到4.92kv/μs，实现了66％的降低量，极大抑制了igbt开启的电磁干扰噪声。图5给出了hb-cstbt和cstbt的导通压降(von)和关断能耗(eoff)折中关系曲线。有图可知，hb-cstbt拥有和cstbt几乎一致的折中关系。同时，图6给出了hb-cstbt和cstbt的短路特性对比曲线。有图可知，hb-cstbt和cstbt拥有几乎一致的短路特性，均在经受约10μs的短路冲击后进入闩锁。结果证明了hb-cstbt具有比cstbt更低的emi噪声却在几乎不影响其他方面的特性。

通过对igbt关键参数：电磁干扰噪声、能量损耗以及抗短路能力的比较，直观地展示出了本发明结构相对与cstbt结构在中高压功率半导体器件应用上的性能优势。