[发明专利]具有隔离基极接触区的垂直绝缘栅极电源开关

说明书

本公开涉及具有隔离基极接触区的垂直绝缘栅极电源开关。在具有沟槽绝缘栅极的垂直功率装置中，存在npnp分层结构。所述垂直栅极以合适栅极偏压接通所述装置，以在顶部电极与底部电极之间传导电流。在实例中，植入的n+源极区形成在p‑阱内的顶部表面中。在一些栅极之间，通过蚀刻打开上覆的电介质，以暴露所述p‑阱的分布式p型接触区。所述电介质也被打开以暴露所述n+源极区的区域。所述顶部电极金属直接接触所述暴露的p型接触区及所述n+源极区，以跨蜂窝阵列提供分布式发射极到基极短接，以在存在瞬态时改进装置性能。归因于所述p型接触区不邻接所述n+源极区，在沉积所述金属电极之前，所述p型接触区与所述n+源极区隔离。

相关申请案的交叉参考

本申请案基于保罗M.摩尔(Paul M.Moore)等人在2021年7月28日申请的美国第63/226,562号临时申请案，所述申请案指派给目前受让人，且通过引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及具有在蚀刻沟槽中形成的栅极(例如，掺杂多晶硅)的垂直绝缘栅极功率装置，且特定来说涉及一种通过形成与n+源极区层(充当发射极)电隔离的分布式p型基极接触区，且接着用顶部金属电极将p型基极接触区短接到n+源极区层来在存在瞬变时改进装置性能的技术。

背景技术

本发明涉及垂直绝缘栅极功率装置(例如堆叠的npnp装置)的改进，其中在垂直npn双极晶体管的发射极与基极之间需要相对较弱的短接，以降低功率装置对瞬变的敏感度，所述瞬变否则可使装置接通。为了将本发明置于绝缘栅极功率装置的上下文中，将描述特定功率装置，接着描述改进所述装置及相关垂直功率装置的性能的技术的细节。

现有技术图1是从受让人的第8,878,237号美国专利中复制的绝缘栅极功率装置10的一小部分的横截面，所述专利通过引用的方式并入本文中。装置10可用作接通/关断电源开关。所述部分靠近装置的边缘，且展示具有形成在绝缘沟槽中的垂直栅极12的多个单元。单元的2维阵列可形成在共同p-阱14中，且所述单元并联连接。p-阱可为槽区(tub)或层，其中两个实施例在本文被称为p-阱层。

边缘单元经修饰以增加装置的坚固性。边缘单元在n+源极区18中具有开口16，其中阴极电极20将n+源极区18短接到p-阱14。这有效地将垂直npn双极晶体管的n型发射极较弱地短接到其p型基极。此短接增加对瞬变的容忍度，以防止不必要的接通，且防止热点的形成。边缘单元的配置也可用于装置的其它单元中以使整个装置的性能更均匀。可见，通过开口16暴露的p型区直接邻接单元中的n+源极区18。

本发明改进npn晶体管的发射极与基极的较弱短接。

在硅晶片的表面上蚀刻沟槽，且氧化沟槽的侧壁以形成氧化物层22。使用CVD在沟槽中沉积掺杂多晶硅以形成垂直栅极12。垂直栅极12通过氧化物层22与p-阱14绝缘。窄栅极12(掺杂多晶硅)在附图的平面外连接在一起，且经由接触多晶硅部分28的栅极电极25耦合到栅极电压。

图案化电介质层26将金属与各种区绝缘。单元边缘处的保护环29减少用于增加击穿电压的场拥挤(field crowding)。

形成npnp半导体分层结构。存在由p+衬底30、n-外延(epi)层32及p-阱14形成的双极pnp晶体管。也存在由n-epi层32、p-阱14及n+源极区18形成的双极npn晶体管。掺杂剂浓度高于n-epi层32的n型缓冲层35在装置传导时减少从p+衬底30到n-epi层32中的空穴注入。当功率装置10反向偏置时，它也减小阳极pn结的电场。底部阳极电极36与衬底30接触，且阴极电极20与n+源极区18接触。p-阱14围绕栅极结构，且n-epi层32延伸到p-阱14周围的表面。

当阳极电极36相对于阴极电极20正向偏置，但没有足够正的栅极偏压时，不存在电流流动，这是由于pnp与npn晶体管的β(增益)的乘积小于一(即，不存在再生活性)。