一種具有超結(jié)的rb-igbt的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于功率半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種具有超結(jié)的RB?IGBT。本發(fā)明相對于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，主要提出了在漂移區(qū)中設(shè)置超結(jié)結(jié)構(gòu)和增加集電極槽，由于超結(jié)結(jié)構(gòu)的存在，使得其縱向電場近似為矩形分布。傳統(tǒng)NPT結(jié)構(gòu)由于不存在超結(jié)結(jié)構(gòu)，其縱向電場近似為三角形分布。所以在耐壓相同的情況下，新器件所需厚度更薄，導(dǎo)通壓降更低。新器件在反向耐壓狀態(tài)下，由于集電極槽的存在，第一N型層被全耗盡，而不會(huì)在P型集電極層和第一N型層形成的PN結(jié)處提前擊穿，保證了與正向耐壓對稱的反向耐壓值。本發(fā)明的有益效果為，能夠雙向耐壓相對于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，本發(fā)明具有更高速度和更低功耗的優(yōu)點(diǎn)，需要更少的元器件構(gòu)成雙向開關(guān)。
【專利說明】
一種具有超結(jié)的RB-1GBT
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于功率半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種具有超結(jié)的RB-1GBT(ReverseBlocking-1nsulated Gate Bipolar Transistor，反向阻斷絕緣棚.雙極型晶體管)。
【背景技術(shù)】
[0002]RB-1GBT是一種具有反向阻斷能力的新型功率半導(dǎo)體器件，正反向均可耐壓。由兩個(gè)RB-1GBT反并聯(lián)即可構(gòu)成一個(gè)雙向開關(guān)，可對雙向流動(dòng)的電流進(jìn)行控制。與傳統(tǒng)由兩個(gè)普通IGBT和兩個(gè)快恢復(fù)二極管構(gòu)成的雙向開關(guān)相比，在功率相當(dāng)?shù)那闆r下，由RB-1GBT構(gòu)成的雙向開關(guān)不需要額外的快恢復(fù)二極管，通態(tài)損耗較低，并且可以節(jié)省元器件的個(gè)數(shù)。因此，RB-1GBT比較適合應(yīng)用于矩陣變換器、交流斬波器等直接AC/AC變換裝置及電流型變換器。
[0003]傳統(tǒng)的RB-1GBT使用NPT(Non-Punch-Through)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。NPT結(jié)構(gòu)的RB-1GBT并沒有采用現(xiàn)如今最為受歡迎的FS(Field Stop)層，原因是摻雜濃度較高的FS層與P型陽極形成的PN結(jié)在反向阻斷時(shí)會(huì)提前擊穿，這是RB-1GBT所不希望出現(xiàn)的。這就使NPT結(jié)構(gòu)的RB-1GBT實(shí)現(xiàn)高耐壓時(shí)，其漂移區(qū)非常的厚，導(dǎo)通壓降過大;關(guān)斷時(shí)需要抽取和復(fù)合大量的非平衡載流子，導(dǎo)致電流拖尾現(xiàn)象嚴(yán)重，關(guān)斷損耗增加。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的，就是針對上述問題，提出一種具有超結(jié)的RB-1GBT。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種具有超結(jié)的RB-1GBT，包括集電極結(jié)構(gòu)、耐壓區(qū)、發(fā)射極結(jié)構(gòu)和柵極結(jié)構(gòu)，其中耐壓區(qū)位于集電極結(jié)構(gòu)之上，發(fā)射極結(jié)構(gòu)和柵極結(jié)構(gòu)位于耐壓區(qū)之上；
[0006]所述集電極結(jié)構(gòu)包括P型集電極層I和位于P型集電極層I上表面的第一N型層2;
[0007]所述耐壓區(qū)包括N型漂移區(qū)51，所述N型漂移區(qū)51位于第一 N型層2上表面；
[0008]所述發(fā)射極結(jié)構(gòu)包括位于耐壓區(qū)上表面的第二 N型層6和位于第二 N型層6上表面的P型阱區(qū)7，所述P型阱區(qū)7上層具有相互獨(dú)立的N型發(fā)射極區(qū)8和P型體接觸區(qū)9;所述N型發(fā)射極區(qū)8和P型體接觸區(qū)9的共同引出端為發(fā)射極；
[0009]其特征在于，所述集電極結(jié)構(gòu)還包括集電極槽，所述集電極槽與P型集電極層I和第一 N型層2水平并列設(shè)置，集電極槽的側(cè)面與P型集電極層I和第一 N型層2的側(cè)面接觸，且集電極槽的結(jié)深大于或等于P型集電極層I和第一 N型層2的結(jié)深之和;所述P型集電極層I和集電極槽的共同引出端為集電極;所述集電極槽由第一導(dǎo)電材料31和第一絕緣介質(zhì)41構(gòu)成，第一導(dǎo)電材料31位于第一絕緣介質(zhì)41之中；所述耐壓區(qū)中包括P型柱52，所述P型柱52與N型漂移區(qū)51形成超結(jié)結(jié)構(gòu)或半超結(jié)結(jié)構(gòu)。
[0010]進(jìn)一步的，所述柵極結(jié)構(gòu)為溝槽柵，所述溝槽柵由第二絕緣介質(zhì)42和位于第二絕緣介質(zhì)42之中的第二導(dǎo)電材料41構(gòu)成;所述第二導(dǎo)電材料41的引出端為柵極;所述溝槽柵從表面垂直穿過P型阱區(qū)7與第二N型層6，溝槽柵的側(cè)面與第二N型層6、P型阱區(qū)7和N型發(fā)射極區(qū)8的側(cè)面接觸。
[0011]進(jìn)一步的，所述P型柱52的上表面與溝槽柵下表面連接，P型柱52的下表面與集電極槽的上表面連接;同時(shí)N型漂移區(qū)51、集電極層I和第一N型層2位于第二N型層6下方。
[0012]進(jìn)一步的，所述P型柱區(qū)52的上表面與第二N型層6下表面連接，P型柱52的下表面與集電極槽的上表面連接;同時(shí)N型柱區(qū)51、集電極層I和第一N型層2位溝槽柵下方，且溝槽柵的水平寬度小于N型柱區(qū)的水平寬度。
[0013]進(jìn)一步的，所述P型柱52的上表面與溝槽柵下表面連接，且位于P型柱位于集電極槽的上方，P型柱與集電極槽之間仍為N型漂移區(qū)；同時(shí)集電極層I和第一N型層2位于第二N型層6下方。
[0014]進(jìn)一步的，所述集電極槽位于溝槽柵的下方，所述P型柱52的上表面與第二N型層6下表面連接，且其底部位置高于集電極槽頂部位置；同時(shí)集電極層I和第一N型層2位于P型柱52下方。
[0015]進(jìn)一步的，所述柵極結(jié)構(gòu)為平面柵，所述平面柵由第二絕緣介質(zhì)42和位于第二絕緣介質(zhì)42上表面的第二導(dǎo)電材料32構(gòu)成;所述第二導(dǎo)電材料32的引出端為柵極;所述第二絕緣介質(zhì)42位于N型漂移區(qū)、第二N型層6、P型阱區(qū)7和部分N型發(fā)射極區(qū)8上表面;發(fā)射極結(jié)構(gòu)位于P型柱52上方。
[0016]進(jìn)一步的，所述P型柱52的上表面與位于發(fā)射極下方的第二N型層6的下表面連接；同時(shí)集電極層I和第一 N型層2位于平面柵下方。
[0017]進(jìn)一步的，所述P型柱52的下表面延伸至與集電極槽的上表面連接。
[0018]本發(fā)明的有益效果為，相對于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，本發(fā)明具有高速度和低功耗的優(yōu)點(diǎn)，需要更少的元器件構(gòu)成雙向開關(guān)。
【附圖說明】
[0019]圖1為傳統(tǒng)的NPT結(jié)構(gòu)RB-1GBT結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖2為實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖3為實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖4為實(shí)施例3的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖5為實(shí)施例4的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖6為實(shí)施例5的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖7為實(shí)施例6的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案:
[0027]實(shí)施例1
[0028]如圖2所述，本例為溝槽柵RB-1GBT，包括陽極結(jié)構(gòu)、耐壓區(qū)、陰極結(jié)構(gòu)和溝槽柵，其中耐壓區(qū)位于陽極結(jié)構(gòu)之上，陰極結(jié)構(gòu)和柵極結(jié)構(gòu)位于耐壓區(qū)之上；
[0029]所述陽極結(jié)構(gòu)包括P型陽極層I和位于P型陽極層I上表面的第一 N型層2;
[0030]所述耐壓區(qū)包括N型漂移區(qū)51，所述N型漂移區(qū)51位于第一 N型層2上表面；
[0031]所述陰極結(jié)構(gòu)包括位于N型漂移區(qū)51上表面的第二 N型層6和位于第二 N型層6上表面的P型阱區(qū)7，所述P型阱區(qū)7上層具有相互獨(dú)立的N型陰極區(qū)8和P型體接觸區(qū)9;所述N型陰極區(qū)8和P型體接觸區(qū)9的共同引出端為陰極；
[0032]所述溝槽柵由第二絕緣介質(zhì)42和位于第二絕緣介質(zhì)42之中的第二導(dǎo)電材料41構(gòu)成;所述第二導(dǎo)電材料41的引出端為柵極;所述溝槽柵的結(jié)深大于或等于第二N型層6與P型阱區(qū)7的結(jié)深之和，溝槽柵的側(cè)面與第二N型層6、P型阱區(qū)7和N型陰極區(qū)8的側(cè)面接觸其特征在于，所述陽極結(jié)構(gòu)還包括陽極槽，所述陽極槽與P型陽極層I和第一 N型層2并列設(shè)置，陽極槽的側(cè)面與P型陽極層I和第一 N型層2的側(cè)面接觸，且陽極槽的結(jié)深大于或等于P型陽極層I和第一N型層2的結(jié)深之和;所述P型陽極層I和陽極槽的共同引出端為陽極;所述陽極槽由第一導(dǎo)電材料31和第一絕緣介質(zhì)41構(gòu)成，第一導(dǎo)電材料31位于第一絕緣介質(zhì)41之中；
[0033]所述耐壓區(qū)中還包括P型柱52，所述P型柱52與N型漂移區(qū)51并列設(shè)置并形成超結(jié)結(jié)構(gòu);所述P型柱52的上表面與第二 N型層6的下表面連接，P型柱52的下表面與陽極槽的上表面連接。
[0034]本例的工作原理為:
[0035]新器件在正向耐壓狀態(tài)下，由于超結(jié)結(jié)構(gòu)的存在，使得其縱向電場近似為矩形分布。傳統(tǒng)NPT結(jié)構(gòu)由于不存在超結(jié)結(jié)構(gòu)，其縱向電場近似為三角形分布。所以在耐壓相同的情況下，新器件所需厚度更薄，導(dǎo)通壓降更低。新器件在反向耐壓狀態(tài)下，由于陽極槽的存在，第一 N型層2被全耗盡，而不會(huì)在P型陽極層I和第一 N型層2形成的PN結(jié)處提前擊穿，保證了與正向耐壓對稱的反向耐壓值。新器件在關(guān)斷時(shí)，由于超結(jié)結(jié)構(gòu)的存在，耗盡區(qū)不但會(huì)縱向擴(kuò)展，同時(shí)也會(huì)橫向擴(kuò)展，所以耐壓區(qū)內(nèi)存儲(chǔ)的載流子將被較快的抽取。傳統(tǒng)NPT結(jié)構(gòu)耗盡區(qū)只有縱向擴(kuò)展，耐壓區(qū)內(nèi)的載流子抽取的較慢，有很長的拖尾電流，關(guān)斷損耗較大。
[0036]實(shí)施例2
[0037]如圖3所示，本例的基本結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1相同，不同的地方是P型柱52的上表面與第二N型層6連接，并且陽極槽和溝槽柵錯(cuò)開。與實(shí)施例1相比，本例具有較小的米勒電容，開關(guān)特性較好。
[0038]實(shí)施例3
[0039]如圖4所示，本例的基本結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1相同，不同的地方是P型柱52的結(jié)深小于漂移的結(jié)深，與實(shí)施例1相比，本例具有較簡單的制作工藝。
[0040]實(shí)施例4
[0041]如圖5所示，本例的基本結(jié)構(gòu)與實(shí)施例2相同，不同的地方是P型柱52的結(jié)深小于漂移的結(jié)深，與實(shí)施例1相比，本例具有較簡單的制作工藝。
[0042]實(shí)施例5
[0043]如圖6所示，本例為平面柵結(jié)構(gòu)的RB-1GBT器件，包括陽極結(jié)構(gòu)、耐壓區(qū)、陰極結(jié)構(gòu)和平面柵，其中耐壓區(qū)位于陽極結(jié)構(gòu)之上，陰極結(jié)構(gòu)和柵極結(jié)構(gòu)位于耐壓區(qū)之上；
[0044]所述陽極結(jié)構(gòu)包括P型陽極層I和位于P型陽極層I上表面的第一 N型層2;
[0045]所述耐壓區(qū)包括N型漂移區(qū)51，所述N型漂移區(qū)51位于第一 N型層2上表面；
[0046]所述陰極結(jié)構(gòu)包括位于N型漂移區(qū)51上表面的第二 N型層6和位于第二 N型層6上表面的P型阱區(qū)7，所述P型阱區(qū)7上層具有相互獨(dú)立的N型陰極區(qū)8和P型體接觸區(qū)9;所述N型陰極區(qū)8和P型體接觸區(qū)9的共同引出端為陰極；
[0047]所述平面柵由第二絕緣介質(zhì)42和位于第二絕緣介質(zhì)42上表面的第二導(dǎo)電材料32構(gòu)成;所述第二導(dǎo)電材料的引出端為柵極;所述第二絕緣介質(zhì)42位于N型漂移區(qū)、第二N型層6、P型阱區(qū)7和部分N型陰極區(qū)8上表面；
[0048]所述耐壓區(qū)中還包括P型柱52，所述P型柱52與N型漂移區(qū)51并列設(shè)置并形成超結(jié)結(jié)構(gòu);所述P型柱52的上表面與第二 N型層6的下表面連接，P型柱52的下表面與陽極槽的上表面連接。
[0049]本例的工作原理為:
[0050]本例的工作原理與實(shí)施例1類似，都是利用超結(jié)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)較高的正反向耐壓值和較低的關(guān)斷損耗，利用陽極槽耗盡第一 N型層2，實(shí)現(xiàn)反向耐壓。
[0051 ] 實(shí)施例6
[0052]如圖7所示，本例的基本結(jié)構(gòu)與實(shí)施例5相同，不同的地方是P型柱52的結(jié)深小于漂移的結(jié)深，與實(shí)施例5相比，本例具有較簡單的制作工藝。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種具有超結(jié)的RB-1GBT，包括集電極結(jié)構(gòu)、耐壓區(qū)、發(fā)射極結(jié)構(gòu)和柵極結(jié)構(gòu)，其中耐壓區(qū)位于集電極結(jié)構(gòu)之上，發(fā)射極結(jié)構(gòu)和柵極結(jié)構(gòu)位于耐壓區(qū)之上； 所述集電極結(jié)構(gòu)包括P型集電極層(I)和位于P型集電極層(I)上表面的第一 N型層(2); 所述耐壓區(qū)包括N型漂移區(qū)(51)，所述N型漂移區(qū)(51)位于第一 N型層(2)上表面； 所述發(fā)射極結(jié)構(gòu)包括位于耐壓區(qū)上表面的第二 N型層(6)和位于第二 N型層(6)上表面的P型阱區(qū)(7)，所述P型阱區(qū)(7)上層具有相互獨(dú)立的N型發(fā)射極區(qū)(8)和P型體接觸區(qū)(9);所述N型發(fā)射極區(qū)(8)和P型體接觸區(qū)(9)的共同引出端為發(fā)射極； 其特征在于，所述集電極結(jié)構(gòu)還包括集電極槽，所述集電極槽與P型集電極層(I)和第一N型層(2)水平并列設(shè)置，集電極槽的側(cè)面與P型集電極層(I)和第一 N型層(2)的側(cè)面接觸，且集電極槽的結(jié)深大于或等于P型集電極層(I)和第一 N型層(2)的結(jié)深之和;所述P型集電極層(I)和集電極槽的共同引出端為集電極;所述集電極槽由第一導(dǎo)電材料(31)和第一絕緣介質(zhì)(41)構(gòu)成，第一導(dǎo)電材料(31)位于第一絕緣介質(zhì)(41)之中；所述耐壓區(qū)中包括P型柱(52)，所述P型柱(52)與N型漂移區(qū)(51)形成超結(jié)結(jié)構(gòu)或半超結(jié)結(jié)構(gòu)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有超結(jié)的RB-1GBT，其特征在于，所述柵極結(jié)構(gòu)為溝槽柵，所述溝槽柵由第二絕緣介質(zhì)(42)和位于第二絕緣介質(zhì)(42)之中的第二導(dǎo)電材料(41)構(gòu)成;所述第二導(dǎo)電材料(41)的引出端為柵極;所述溝槽柵從表面垂直穿過P型阱區(qū)(7)與第二N型層(6)，溝槽柵的側(cè)面與第二 N型層(6)、P型阱區(qū)(7)和N型發(fā)射極區(qū)(8)的側(cè)面接觸。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種具有超結(jié)的RB-1GBT，其特征在于，所述P型柱(52)的上表面與溝槽柵下表面連接，P型柱(52)的下表面與集電極槽的上表面連接；同時(shí)N型漂移區(qū)(51)、集電極層(I)和第一 N型層(2)位于第二 N型層(6)下方。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種具有超結(jié)的RB-1GBT，其特征在于，所述P型柱區(qū)(52)的上表面與第二N型層(6)下表面連接，P型柱(52)的下表面與集電極槽的上表面連接；同時(shí)N型柱區(qū)(51)、集電極層(I)和第一 N型層(2)位溝槽柵下方，且溝槽柵的水平寬度小于N型柱區(qū)的水平寬度。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種具有超結(jié)的RB-1GBT，其特征在于，所述P型柱(52)的上表面與溝槽柵下表面連接，且位于P型柱位于集電極槽的上方，P型柱與集電極槽之間仍為N型漂移區(qū)；同時(shí)集電極層(I)和第一N型層(2)位于第二N型層(6)下方。6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種具有超結(jié)的RB-1GBT，其特征在于，所述集電極槽位于溝槽柵的下方，所述P型柱(52)的上表面與第二 N型層(6)下表面連接，且其底部位置高于集電極槽頂部位置;同時(shí)集電極層(I)和第一N型層(2)位于P型柱(52)下方。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有超結(jié)的RB-1GBT，其特征在于，所述柵極結(jié)構(gòu)為平面柵，所述平面柵由第二絕緣介質(zhì)(42)和位于第二絕緣介質(zhì)(42)上表面的第二導(dǎo)電材料(32)構(gòu)成;所述第二導(dǎo)電材料(32)的引出端為柵極;所述第二絕緣介質(zhì)(42)位于N型漂移區(qū)、第二 N型層(6)、P型阱區(qū)(7)和部分N型發(fā)射極區(qū)(8)上表面;發(fā)射極結(jié)構(gòu)位于P型柱(52)上方。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種具有超結(jié)的RB-1GBT，其特征在于，所述P型柱(52)的上表面與位于發(fā)射極下方的第二N型層(6)的下表面連接；同時(shí)集電極層(I)和第一N型層(2)位于平面柵下方。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種具有超結(jié)的RB-1GBT，其特征在于，所述P型柱(52)的下表面延伸至與集電極槽的上表面連接。
【文檔編號】H01L29/739GK105932056SQ201610513921
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年7月1日
【發(fā)明人】羅小蓉, 黃琳華, 周坤, 鄧高強(qiáng), 張波
【申請人】電子科技大學(xué)