半導(dǎo)體器件的集電極結(jié)構(gòu)及ti-igbt的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說(shuō)，涉及一種半導(dǎo)體器件的集電極結(jié)構(gòu)及T1-1GBT0
【背景技術(shù)】
[0002]T1-1GBT (Triple Mode Integrate-1nsulated Gate Bipolar Transistor,三模式集成絕緣柵型雙極晶體管)是一種將傳統(tǒng)的VDMOS (Vertical Double Diffused MetalOxide Semiconductor Field Effect Transistor,垂直雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)、IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor,絕緣柵型雙極晶體管)和 FRD (FastRecovery D1de,快恢復(fù)二極管)三種器件的結(jié)構(gòu)和功能集成為一體的半導(dǎo)體器件。
[0003]以N溝道T1-1GBT為例，T1-1GBT的結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括:相對(duì)的MOS (MetalOxide Semiconductor,金屬氧化物半導(dǎo)體)結(jié)構(gòu)11與集電極結(jié)構(gòu)13,及位于MOS結(jié)構(gòu)11與集電極結(jié)構(gòu)13之間的N— (N型輕摻雜)漂移區(qū)12。其中，MOS結(jié)構(gòu)11包括:位于漂移區(qū)12表面內(nèi)的P_ (P型輕摻雜)阱區(qū)111和P+ (P型重?fù)诫s)深阱區(qū)112 ;位于阱區(qū)111表面內(nèi)的N+(N型重?fù)诫s)發(fā)射區(qū)113 ;位于阱區(qū)111和發(fā)射區(qū)113上的柵氧化層114 ;位于柵氧化層114上的柵極G ;位于深阱區(qū)112和部分發(fā)射區(qū)113上的發(fā)射極E。集電極結(jié)構(gòu)13包括:位于漂移區(qū)12背離MOS結(jié)構(gòu)11的一側(cè)的N+緩沖層131 ;位于緩沖層131上的P+集電區(qū)132和N+短路區(qū)133 ;覆蓋在集電區(qū)132和短路區(qū)133上的集電極C。
[0004]從上述結(jié)構(gòu)可知，T1-1GBT的MOS結(jié)構(gòu)11與傳統(tǒng)的VDM0S、IGBT等器件的MOS結(jié)構(gòu)相似，集電極結(jié)構(gòu)13則綜合了 VDMOS和IGBT集電極結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，既有N型區(qū)域，又有P型區(qū)域，因此，T1-1GBT具有VDMOS和IGBT各自的優(yōu)點(diǎn)，既有較快的關(guān)斷速度，又有較低的導(dǎo)通壓降。并且，T1-1GBT可以雙向?qū)娏鳎梢栽诤芏嗟膽?yīng)用場(chǎng)合中不必反向并聯(lián)FRD，即T1-1GBT集成有FRD的功能。
[0005]T1-1GBT雖然相對(duì)于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體器件具有性能和成本上的諸多優(yōu)勢(shì)，但是也存在一些缺點(diǎn)，最主要的就是回跳現(xiàn)象?；靥F(xiàn)象是指在T1-1GBT導(dǎo)通初期，電流密度很小，集電極與發(fā)射極之間的電壓很大，但當(dāng)Vra大于一個(gè)特定值Vp時(shí)，Vce會(huì)陡降，電流密度則陡增。當(dāng)多個(gè)T1-1GBT芯片并聯(lián)工作時(shí)，回跳現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致這些芯片無(wú)法均流，電流會(huì)集中在首先發(fā)生回跳的芯片上，從而會(huì)將芯片逐個(gè)燒毀。因此，T1-1GBT在設(shè)計(jì)時(shí)要極力避免回跳現(xiàn)象，否則器件無(wú)法正常工作。
[0006]傳統(tǒng)T1-1GBT通過(guò)增加集電區(qū)132的寬度來(lái)消除回跳現(xiàn)象。但是，這種方法會(huì)導(dǎo)致器件工作時(shí)內(nèi)部電流分布均勻性較差，從而導(dǎo)致器件的抗短路能力和功率循環(huán)能力較差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明提供了一種半導(dǎo)體器件的集電極結(jié)構(gòu)及T1-1GBT，以在不影響半導(dǎo)體器件的抗短路能力和功率循環(huán)能力的基礎(chǔ)上，減輕器件的回跳現(xiàn)象。
[0008]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下技術(shù)方案:
[0009]一種半導(dǎo)體器件的集電極結(jié)構(gòu)，所述集電極結(jié)構(gòu)形成于所述半導(dǎo)體器件的漂移區(qū)的一側(cè)，包括:與所述漂移區(qū)的摻雜類(lèi)型相反的集電區(qū)；與所述漂移區(qū)的摻雜類(lèi)型相同的短路區(qū)，所述短路區(qū)與集電區(qū)相互隔離；形成于所述集電區(qū)與所述短路區(qū)背離所述漂移區(qū)一側(cè)的集電極；覆蓋所述集電區(qū)與短路區(qū)之間的集電極的絕緣體，所述絕緣體背離所述漂移區(qū)一側(cè)的表面與所述集電區(qū)和短路區(qū)之間的集電極相接觸，所述絕緣體朝向所述漂移區(qū)一側(cè)的表面與所述漂移區(qū)相接觸，且所述絕緣體與所述集電區(qū)和短路區(qū)均相接觸；與所述漂移區(qū)的摻雜類(lèi)型相反的浮空區(qū)，所述浮空區(qū)的結(jié)深大于所述短路區(qū)的結(jié)深，所述浮空區(qū)覆蓋所述短路區(qū)靠近所述集電區(qū)一端的表面，不覆蓋所述短路區(qū)遠(yuǎn)離所述集電區(qū)一端的表面，且所述浮空區(qū)與所述絕緣體和漂移區(qū)均相接觸。
[0010]優(yōu)選的，所述絕緣體位于所述集電區(qū)和短路區(qū)背離所述漂移區(qū)的一側(cè)；所述浮空區(qū)包括:位于所述集電區(qū)與短路區(qū)之間的部分和位于所述短路區(qū)朝向所述漂移區(qū)一側(cè)的部分。
[0011]優(yōu)選的，所述絕緣體填充于所述集電區(qū)和短路區(qū)之間的間隔區(qū)域，且所述絕緣體的厚度大于或等于所述集電區(qū)和短路區(qū)的厚度；所述浮空區(qū)位于所述短路區(qū)朝向所述漂移區(qū)的一側(cè)。
[0012]優(yōu)選的，所述半導(dǎo)體器件的集電極結(jié)構(gòu)還包括:形成于所述漂移區(qū)表面內(nèi)的緩沖層，所述緩沖層的摻雜類(lèi)型與所述漂移區(qū)的摻雜類(lèi)型相同。
[0013]優(yōu)選的，所述緩沖層覆蓋所述集電區(qū)朝向所述漂移區(qū)一側(cè)的表面。
[0014]優(yōu)選的，當(dāng)所述絕緣體填充于所述集電區(qū)和短路區(qū)之間的間隔區(qū)域時(shí)，所述絕緣體的厚度大于或等于所述集電區(qū)與所述緩沖層的厚度之和。
[0015]優(yōu)選的，所述緩沖層包括:第一緩沖層和第二緩沖層，所述第一緩沖層覆蓋所述集電區(qū)朝向所述漂移區(qū)一側(cè)的表面，所述第二緩沖層覆蓋所述短路區(qū)朝向所述漂移區(qū)一側(cè)的表面，且所述第一緩沖層與第二緩沖層相互隔離。
[0016]優(yōu)選的，當(dāng)所述絕緣體填充于所述集電區(qū)和短路區(qū)之間的間隔區(qū)域時(shí)，所述絕緣體的厚度大于或等于所述集電區(qū)與第一緩沖層的厚度之和，且大于或等于所述短路區(qū)與第二緩沖層的厚度之和，所述第二緩沖層的結(jié)深小于所述浮空區(qū)的結(jié)深。
[0017]優(yōu)選的,所述絕緣體的材料為Si02、Si3N4或S1N。
[0018]本發(fā)明還提供了一種T1-1GBT，包括以上任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體器件的集電極結(jié)構(gòu)。
[0019]優(yōu)選的，所述T1-1GBT包括:位于所述漂移區(qū)背離所述集電極結(jié)構(gòu)一側(cè)的MOS結(jié)構(gòu)。
[0020]優(yōu)選的，所述T1-1GBT為N溝道T1-1GBT或P溝道T1-1GBT。
[0021]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所提供的技術(shù)方案至少具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0022]本發(fā)明所提供的半導(dǎo)體器件的背面結(jié)構(gòu)及T1-1GBT中，背面結(jié)構(gòu)包括:集電區(qū)、短路區(qū)、集電極、絕緣體和浮空區(qū)，通過(guò)將集電區(qū)與短路區(qū)相互隔離，將絕緣體設(shè)置于二者相互隔離的區(qū)域處，使絕緣體隔絕集電極與集電區(qū)和短路區(qū)之間的半導(dǎo)體，并將與漂移區(qū)摻雜類(lèi)型相反的浮空區(qū)設(shè)置在短路區(qū)靠近集電區(qū)一端的上方，使浮空區(qū)在短路區(qū)遠(yuǎn)離集電區(qū)的一端的上方斷開(kāi)，以為電子電流匯集于短路區(qū)留下通路，從而使得從集電區(qū)上方傳輸至短路區(qū)的電子電流的傳導(dǎo)路徑為集電極上方一浮空區(qū)上方，最終匯集于短路區(qū)，電子電流在傳導(dǎo)過(guò)程中所經(jīng)過(guò)的區(qū)域絕大部分為輕摻雜的漂移區(qū)。由于漂移區(qū)的電阻較大，因此保證了本發(fā)明所提供的集電極結(jié)構(gòu)從集電區(qū)上方傳輸至短路區(qū)的電子電流具有較大的傳導(dǎo)電阻，有效抑制了回跳現(xiàn)象的產(chǎn)生。且本發(fā)明所提供的T1-1GBT，其集電極結(jié)構(gòu)中相互隔離的集電區(qū)與短路區(qū)及絕緣體和浮空區(qū)的設(shè)置決定了集電極結(jié)構(gòu)的尺寸能夠得到大幅縮減，使集電極結(jié)構(gòu)與MOS結(jié)構(gòu)的尺寸差距大大減小，從而提高了使器件工作過(guò)程中電流分布的均勻性，實(shí)現(xiàn)了在不影響器件的抗短路能力和功率循環(huán)能力的基礎(chǔ)上消除器件回跳現(xiàn)象的目的。
【附圖說(shuō)明】
[0023]為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0024]圖1為現(xiàn)有技術(shù)中T1-1GBT單個(gè)元胞的結(jié)構(gòu)圖；
[0025]圖2為半導(dǎo)體器件產(chǎn)生回跳現(xiàn)象的原理圖；
[0026]圖3為半導(dǎo)體器件產(chǎn)生回跳現(xiàn)象的1-V曲線(xiàn)圖；
[0027]圖4為現(xiàn)有技術(shù)中T1-1GBT多個(gè)元胞的結(jié)構(gòu)圖；
[0028]圖5為本發(fā)明實(shí)施例一所提供的半導(dǎo)體器件的背面結(jié)構(gòu)及T1-1GBT的結(jié)構(gòu)圖；
[0029]圖6為本發(fā)明實(shí)施例二所提供的半導(dǎo)體器件的背面結(jié)構(gòu)及T1-1GBT的結(jié)構(gòu)圖；
[0030]圖7為本發(fā)明實(shí)施例三所提供的半導(dǎo)體器件的背面結(jié)構(gòu)及T1-1GBT的結(jié)構(gòu)圖；
[0031]圖8為本發(fā)明實(shí)施例四所提供的半導(dǎo)體器件的背面結(jié)構(gòu)及T1-1GBT的結(jié)構(gòu)圖；
[0032]圖9為本發(fā)明實(shí)施例五所提供的半導(dǎo)體器件的背面結(jié)構(gòu)及T1-1GBT的結(jié)構(gòu)圖；
[0033]圖10為本發(fā)明實(shí)施例六所提供的半導(dǎo)體器件的背面結(jié)構(gòu)及T1-1GBT的結(jié)構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034]正如【背景技術(shù)】所述，現(xiàn)有技術(shù)中通過(guò)增加集電區(qū)132的寬度來(lái)減輕回跳現(xiàn)象，導(dǎo)致器件工作時(shí)電流分布均勻性很差，最終導(dǎo)致器件的抗短路能力和功率循環(huán)能力較差。
[0035]現(xiàn)有技術(shù)中之所以通過(guò)增加集電區(qū)132的寬度來(lái)減輕回跳現(xiàn)象，是由于回跳現(xiàn)象的產(chǎn)生原理。如圖2所示，在器件導(dǎo)通初期，器件是單極導(dǎo)通的，其工作在VDMOS模式。電子e從溝道注入N_漂移區(qū)12，幾乎垂直流向集電極，當(dāng)流入到N+緩沖層131附近后，電子匯集到N+短路區(qū)133后流出器件。在集電區(qū)132上方，電子是橫向傳輸?shù)蕉搪穮^(qū)133的，這樣引起從集電區(qū)132邊緣到集電區(qū)132中央電勢(shì)逐漸下降，該電勢(shì)與集電區(qū)132的電勢(shì)決定了集電結(jié)是否開(kāi)啟。起初電子電流密度很小，如圖2中的(A)所示，所產(chǎn)生的壓降不足以使集電結(jié)開(kāi)啟，集電結(jié)兩側(cè)電勢(shì)處處小于其內(nèi)建電勢(shì)(即Vmg〈Vmf〈Vme〈Vmd〈VmcXVmb〈Vma〈0.7V)，此時(shí)沒(méi)有空穴注入，也即沒(méi)有發(fā)生電導(dǎo)調(diào)制，故導(dǎo)通壓降很大。隨著集電極與發(fā)射極之間的電壓Vr