TWI424564B - Insulator gate with high operational response speed - Google Patents
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Description
本發明是有關於一種雙載子電晶體，特別是指一種具高運算反應速度的絕緣閘雙載子電晶體。
絕緣閘雙載子電晶體1(Insulated gate bipolar transistor，簡稱IGBT)為組合場效電晶體(metal oxide silicon field effect transistor，簡稱MOSFET)及雙載子電晶體(bipolar junction transistor，簡稱BJT)而成的復合元件，由於絕緣閘雙載子電晶體1具備場效電晶體之單閘極與高電流，及雙載子電晶體之低飽和電壓的優點，常應用於大功率電力裝置，例如馬達驅動面板。
參閱圖1，目前的絕緣閘雙載子電晶體1包含一集極結構11、一漂移區12、一閘極結構13，及一射極結構14。
該集極結構11為以p型半導體材料所構成之平坦的基板。
該漂移區12以磊晶的方式實體接觸該集極結構11，且以n型半導體為主要構成材料。
該閘極結構13包括一實體接觸遠離該集極結構11的漂移區12頂面的介電層131，及一實體接觸該介電層131的導電層132，該介電層131為絕緣體，該導電層132與外界電連接而可接受來自外界的電能。
該射極結構14設置於該漂移區12遠離該集極結構11的頂面，並包括一與該漂移區12實體接觸的井區141、一實體接觸該井區141頂部的源極區142，及一與該源極區142及井區141實體接觸的接觸插塞143。該井區141以p型半導體材料形成，該源極區142以n型半導體材料形成。由於該接觸插塞143是以例如鎢金屬的導電材料構成，故可利用該接觸插塞143對外電連接，且該接觸插塞143與該閘極結構13的導電層132電不連接。
該集極結構11、該漂移區12，及該井區141界定一雙載子電晶體；該漂移區12、該閘極結構13、該井區141，及該源極區142界定一場效電晶體，該雙載子電晶體及該場效電晶體組合成該絕緣閘雙載子電晶體1。
當給予一預定正電壓差於該閘極結構13的導電層132與該射極結構14的接觸插塞143間，該介電層131下的井區141形成電荷通道，該場效電晶體為該雙載子電晶體提供一基極電流，進而使該絕緣閘雙載子電晶體1導通；當該閘極結構13導電層132與該射極結構14的接觸插塞143間由該預定正電壓差轉變為一負電壓差或不加電壓時，該場效電晶體不形成電荷通道，該絕緣閘雙載子電晶體1由導通轉變為關閉。
然而當該閘極結構13導電層132與該射極結構14的接觸插塞143間由該預定正電壓差轉變為一負電壓差或不加電壓時，該井區141的少數載子復合緩慢，或界面間的寄生電容釋放電荷，造成該絕緣閘雙載子電晶體1關閉時間長，引起元件關閉時集極電流曳尾(current tailing)的問題。
此外，若電流過大時，該集極結構11、該漂移區12、該井區141，及該源極區142形成寄生的閘流體(pnpn thyristor)導通，導致無法利用所給予閘極結構13的預定電壓控制元件的開啟與關閉，而造成該絕緣閘雙載子電晶體1作動失控。
因此，本發明之目的，即在提供一種可以提高元件關閉速度的具高運算反應速度的絕緣閘雙載子電晶體。
於是，本發明具高運算反應速度的絕緣閘雙載子電晶體，包含一集極結構、一漂移區、一閘極結構、一第一射極結構，及一第二射極結構。
該集極結構為第一電性，該漂移區成相反於第一電性的第二電性並實體接觸該集極結構，該閘極結構包括一導電層，及一隔離該導電層和該漂移區的介電層，該第一射極結構包括一成第一電性並實體接觸該漂移區和該閘極結構的介電層的井區、一成第二電性並位於該井區中的源極區，及一實體接觸該井區及源極區並用於對外電連接的第一接觸插塞，該第二射極結構包括一成第一電性且實體接觸該漂移區的分流區，及一實體接觸該分流區並可對外電連接的第二接觸插塞，該分流區藉該漂移區不實體接觸該第一射極結構的井區和源極區。
本發明之功效：利用該第二射極結構的分流區，減少元件在作動時誘發寄生的閘流體導通而造成元件失效的機率，且提供元件在關閉時另一電荷復合路徑，降低元件關閉所需的時間。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。
參閱圖2，本發明具高運算反應速度的絕緣閘雙載子電晶體2的一較佳實施例包含一集極結構21、一實體接觸該集極結構21的漂移區22，及實體接觸該漂移區22的一閘極結構23、一第一射極結構24，與一第二射極結構25。
該集極結構21是以具有第一電性的半導體材料為主所構成而成第一電性，在該較佳實施例中，該集極結構21是一平坦的基板。
該漂移區22以磊晶的方式形成，並實體接觸該集極結構21，且以具有第二電性的半導體材料所構成。在該較佳實施例中，該第一電性為p型半導體，該第二電性為相反於該p型半導體的n型半導體；特別地，若該第一電性為n型半導體，則該第二電性為p型半導體。
該閘極結構23包括一實體接觸該遠離集極結構21的漂移區22頂面的介電層231、一實體接觸該介電層231的導電層232。即，該導電層232與該漂移區22藉由該介電層231隔絕而電不連接。該閘極結構23還包括一設置在該導電層232上的硬遮幕層233，該硬遮幕層233保護該導電層232免於蝕刻或清潔其他元件時受破壞。
該第一射極結構24包括一實體接觸該漂移區22頂部，並利用該漂移區22而與該集極結構21隔離的井區241、一實體接觸該井區241頂面的源極區242，及一第一接觸插塞243。該井區241成第一電性，且具有一主體部245，及一實體接觸該主體部245頂面的加強部244。該主體部245與該閘極結構23的介電層231實體接觸，該加強部244的主要載子濃度大於該主體部245的主要載子濃度，該加強部244的主要載子濃度不大於該集極結構21的主要載子濃度，故該井區241整體的主要載子濃度不大於該集極結構21的主要載子濃度。該第一接觸插塞243接觸該井區241的加強部244與該源極區242，故具備導電特性而可對外電連接。
該第二射極結構25包括一實體接觸該漂移區22頂部並利用該漂移區22而與該集極結構21隔離的分流區251，及一與該分流區251實體接觸的第二接觸插塞252。該分流區251成第一電性，且該分流區251的主要載子濃度不大於該集極結構21的主要載子濃度，該第二接觸插塞252可導電而可對外電連接，且具有一實體接觸該分流區251頂面的附著膜253，及一實體接觸該附著膜253的金屬巨量體254。該附著膜253是以金屬矽化物為主要材料，可選自矽化鈦、矽化鎢、矽化鉭，及其中之一組合為材料所構成，該金屬巨量體254是以金屬為主要材料，可選自鎢、鋁、銅，及其中之一組合為材料所構成。
該基極結構26包括一實體接觸該漂移區22頂面的加速區261，及一與該加速區261實體接觸的第三接觸插塞262，該加速區261成第二電性，且該加速區261的主要載子濃度不小於該漂移區22的主要載子濃度。該第三接觸插塞262可導電並以例如鎢、鋁或銅金屬為主要材料而可對外電連接。
該第一射極結構24的第一接觸插塞243、該第二射極結構25的第二接觸插塞252，及該基極結構26的第三接觸插塞262皆與該閘極結構23的導電層232實體不接觸而電不連接。
該集極結構21、該漂移區22，及該井區241界定一第一雙載子電晶體；該集極結構21、該漂移區22，及該分流區251界定一第二雙載子電晶體；該漂移區22、該閘極結構23、該井區241，及該源極區242界定一場效電晶體，該第一、二雙載子電晶體及該場效電晶體組合成本發明具高運算反應速度的絕緣閘雙載子電晶體2。
當給予一預定正電壓差於該閘極結構23的導電層232與該第一射極結構24的第一接觸插塞243間，該介電層231下的井區241形成電荷通道，該場效電晶體導通的同時為該第一、二雙載子電晶體提供一基極電流而產生射極電流，進而使該具高運算反應速度的絕緣閘雙載子電晶體2導通，而將目前該具高運算反應速度的絕緣閘雙載子電晶體2往該射極結構的電流分流而分別自該第一、二射極結構的第一、二接觸插塞流出。當該閘極結構23導電層232與該第一射極結構24的第一接觸插塞243間由該預定正電壓差轉變為一負電壓差或不加電壓時，該場效電晶體不形成電荷通道，該具高運算反應速度的絕緣閘雙載子電晶體2由導通轉變為關閉。
因此，當本發明具高運算反應速度的絕緣閘雙載子電晶體2為導通時，由於該第二射極結構25提供另一電荷繞道導通路徑(bypass technique)，從而降低目前單從該射極結構的電流值，則該集極結構21、該漂移區22、該井區241，及該源極區242無法形成導通的寄生閘流體(pnpn thyristor)，維持本發明具高運算反應速度的絕緣閘雙載子電晶體2的正常作動。
此外，藉由調變該基極結構26的加速區261的載子濃度，可調整該第二雙載子電晶體的等效基極寬度，進而降低本發明具高運算反應速度的絕緣閘雙載子電晶體2導通時的等效導通電阻；例如，當該加速區261的載子濃度增加，該第二雙載子電晶體的基極電流增加，則對應的射極電流亦增加而較易導通元件。
當本發明具高運算反應速度的絕緣閘雙載子電晶體2從導通轉變為關閉時，少數載子除可在該第一射極結構24的井區241復合外，藉由該基極結構26的加速區261與該第二射極結構25的分流區251間形成的電場，提供少數載子另一更快速復合的路徑，提升整體電荷復合速率，且該第二接觸插塞252的附著膜253也可補捉電荷，進而有效減少元件關閉所需的時間。
綜上所述，利用該第二射極結構25的分流區251，提供元件導通時的另一電流路徑，以分散經由該第一射極結構24的電流，避免元件寄生的閘流體導通而造成元件失效；另外，再配合該基極結構26的加速區261，提供元件在關閉時另一電荷快速復合路徑，減少元件關閉時間，提升整體元件的反應速度，本發明故確實能達成本發明之目的。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
2‧‧‧具高運算反應速度的絕緣閘雙載子電晶體
21‧‧‧集極結構
22‧‧‧漂移區
23‧‧‧閘極結構
231‧‧‧介電層
232‧‧‧導電層
233‧‧‧硬遮幕層
24‧‧‧第一射極結構
241‧‧‧井區
242‧‧‧源極區
243‧‧‧第一接觸插塞
244‧‧‧加強部
245‧‧‧主體部
25‧‧‧第二射極結構
251‧‧‧分流區
252‧‧‧第二接觸插塞
253‧‧‧附著膜
254‧‧‧金屬巨量體
26‧‧‧基極結構
261‧‧‧加速區
262‧‧‧第三接觸插塞
圖1是一剖視示意圖，說明目前一絕緣閘雙載子電晶體；及
圖2是一剖視示意圖，說明本發明具高運算反應速度的絕緣閘雙載子電晶體的一較佳實施例。
2．．．具高運算反應速度的絕緣閘雙載子電晶體
21．．．集極結構
22．．．漂移區
23．．．閘極結構
231．．．介電層
232．．．導電層
233．．．硬遮幕層
24．．．第一射極結構
241．．．井區
242．．．源極區
243．．．第一接觸插塞
244．．．加強部
245．．．主體部
25．．．第二射極結構
251．．．分流區
252．．．第二接觸插塞
253．．．附著膜
254．．．金屬巨量體
26．．．基極結構
261．．．加速區
262．．．第三接觸插塞
Claims (9)
- 一種具高運算反應速度的絕緣閘雙載子電晶體，包含：一集極結構，成第一電性；一漂移區，成相反於第一電性的第二電性並實體接觸該集極結構；一閘極結構，包括一導電層，及一隔離該導電層和該漂移區的介電層；一第一射極結構，包括一成第一電性並實體接觸該漂移區和該閘極結構的介電層的井區、一成第二電性並位於該井區中的源極區，及一實體接觸該井區及源極區並用於對外電連接的第一接觸插塞；一第二射極結構，包括一成第一電性且實體接觸該漂移區的分流區，及一實體接觸該分流區並可對外電連接的第二接觸插塞，該分流區藉該漂移區不實體接觸該第一射極結構的井區和源極區；及一基極結構，包括一成第二電性並實體接觸該漂移區的加速區，該加速區的主要載子濃度大於該漂移區的主要載子濃度。
- 根據申請專利範圍第1項所述之具高運算反應速度的絕緣閘雙載子電晶體，其中，該基極結構還包括一實體接觸該加速區並用於對外電連接的第三接觸插塞。
- 根據申請專利範圍第2項所述之具高運算反應速度的絕緣閘雙載子電晶體，其中，該第二接觸插塞具有一實體接觸該分流區的附著膜，及一設置於該附著膜上的金屬 巨量體。
- 根據申請專利範圍第3項所述之具高運算反應速度的絕緣閘雙載子電晶體，其中，該分流區的主要載子濃度不大於該集極結構的主要載子濃度。
- 根據申請專利範圍第4項所述之具高運算反應速度的絕緣閘雙載子電晶體，其中，該井區的主要載子濃度不大於該集極結構的主要載子濃度。
- 根據申請專利範圍第5項所述之具高運算反應速度的絕緣閘雙載子電晶體，其中，該第一射極結構的井區具有一成第一電性且實體接觸該第一接觸插塞與的加強部。
- 根據申請專利範圍第6項所述之具高運算反應速度的絕緣閘雙載子電晶體，其中，該第一射極結構的源極區之主要載子濃度不小於該漂移區的主要載子濃度。
- 根據申請專利範圍第7項所述之具高運算反應速度的絕緣閘雙載子電晶體，其中，該集極結構、該井區，與該分流區為p型，該源極區與該加速區為n型。
- 根據申請專利範圍第7項所述之具高運算反應速度的絕緣閘雙載子電晶體，其中，該集極結構、該井區，與該分流區為n型，該源極區與該加速區為p型。
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