[发明专利]具有高发射极栅极电容的绝缘栅双极晶体管

说明书

技术领域

本发明涉及半导体功率装置领域，具体来说涉及绝缘栅双极晶体管。

背景技术

绝缘栅双极晶体管(IGBT)是功率半导体装置，其可用作电子开关。IGBT是三端子装置，其中包括发射极、集电极和栅极。由于IGBT可将高效率与快速开/关相结合，所以它们频繁地用于诸如电动汽车、火车等的现代设备中，以便快速接通和关断电力。

IGBT的可控性通常极大地取决于IGBT中出现的电容，例如栅极-发射极电容、集电极-发射极电容和栅极-集电极电容(其又称作米勒电容)。对于高可控性，可期望具有相对米勒电容的高栅极-发射极电容。

发明内容

需要一种具有相对米勒电容的高栅极-发射极电容的绝缘栅双极晶体管。具体来说，可需要一种具有这种高栅极-发射极电容的IGBT，其可使用比较简单的制造过程来制造。

这种需要可通过本申请的独立权利要求的主题来满足。针对从属权利要求来描述本发明的实施例。

按照本发明的一个方面，提出一种绝缘栅双极晶体管(IGBT)，其中具有导电层、半导电层、绝缘层和半绝缘层的特定布置。所提出的IGBT包括半导体衬底，其中包括活性单元区（active cell region）和末端边缘区（termination edge region）。活性单元区包括多个发射极区以及设置在相邻发射极区之间的栅极区。末端边缘区包括变化横向掺杂区。栅极多晶硅层设置在半导体衬底表面处的栅极区中，并且通过第一绝缘层与半导体衬底分离。在变化横向掺杂区的半导体衬底的表面与第二SIPOS(半绝缘多晶硅)层电接触，第二SIPOS层由第二绝缘层所覆盖。

栅极区包括中心区以及横向包围中心区的周边区。横向将限定两层/区域在与半导体衬底表面平行的平面中相互之间的位置。在中心区中，栅极多晶硅层与上覆第一SIPOS层电接触，而在周边区中，栅极多晶硅层通过中间第三绝缘层与上覆第一SIPOS层电分离。第一SIPOS层19由第二绝缘层覆盖。

SIPOS(半绝缘多晶硅)实际上是掺氧多晶硅。它通常通过低压化学汽相沉积(LPCVD)过程、将具有一氧化二氮(N2O)的硅烷(SiH4)用于高阻多晶硅层的沉积、在600至700℃的温度下制作。这类过程例如在Prasad的“Structure of semi-insulating polycrystalline silicon (SIPOS)”(Master Thesis，Department of electrical and computer engineering，1986)和US 4489103中描述，通过引用结合两个文档的SIPOS层的定义。

发射极金属层覆在至少发射极区并且可选地覆在栅极区之上。在发射极区，发射极金属层与半导体表面直接接触(p基底层和n源区)直接接触，而在栅极区，发射极金属层与第二绝缘层直接接触，并且因而与半导体衬底和栅极多晶硅层绝缘。

本发明的思路可在实现IGBT的新层结构中看到，其显著增加IGBT的栅极发射极电容，其中新层结构可通过稍微修改用于制造IGBT的常规处理序列来实现。

在一些常规IGBT中，SIPOS层覆盖IGBT的大部分。SIPOS层按常规用来防止在提供有变化横向掺杂结构的末端边缘区的电气过应力。为此，第二SIPOS层与半导体末端边缘区中的半导体表面直接电接触。第一和第二SIPOS层覆盖有薄介电层，其在本文中称作第二绝缘层。虽然在常规设计中，SIPOS层还可覆在IGBT的活性单元区中包含的栅极区之上，栅极区中的SIPOS层既没有与半导体表面也没有与覆在栅极区之上的栅极多晶硅层电接触。按常规，栅极多晶硅而是通过第一绝缘层与半导体表面电分离。此外，按常规，SIPOS层通过第三绝缘层与栅极多晶硅层电分离。

虽然在常规IBGT设计中，栅极区中的SIPOS层可例如在装置处理期间用于机械保护基础层结构，但是它看来对IGBT的操作特性没有显著电效应。

但是，现在发现，通过使第一SIPOS层的部分与基础栅极多晶硅层电接触，IGBT的栅极-发射极电容能够显著增加。与栅极多晶硅层电接触，第一SIPOS设置成与栅极多晶硅层相同的电位。在这种配置中，栅极多晶硅层仅通过上覆第一SIPOS层的薄的第二绝缘层与上覆发射极金属层电分离。由于这个第二绝缘层较薄，所以栅极多晶硅层与发射极金属层之间的电容变大。这种大栅极-发射极电容对于IGBT会是有益的，并且特别是可改进IGBT的可控性。