[發明專利]一種CSTBT器件及其制造方法

有效

• 申請號: 201710985725.4
• 申請日: 2017-10-20
• 公開（公告）號: CN107731898B
• 公開（公告）日: 2020-09-15
• 發明（設計）人: 張金平;趙倩;劉競秀;李澤宏;任敏;張波
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H01L29/06
• 分類號: H01L29/06;H01L29/423;H01L29/739;H01L27/02;H01L21/331;H01L21/28
• 代理公司: 成都點睛專利代理事務所(普通合伙) 51232
• 代理人: 葛啟函

一種CSTBT器件及其制造方法，屬于半導體功率器件領域。本發明通過在柵電極下方引入溝槽分裂電極共同形成溝槽柵結構，在溝槽分裂電極下方引入P型層，在溝槽分裂電極上方設置串聯二極管結構，解決了傳統CSTBT器件中通過提高N型電荷存儲層摻雜濃度造成器件正向導通性能與耐壓性能之間存在矛盾關系的問題；減小了飽和電流密度，改善了器件短路安全工作區；減小了器件的柵極電容，提高了開關速度降低了開關損耗，提高了器件的開關性能；改善了溝槽底部電場集中效應進而提高了器件擊穿電壓；提高了器件發射極端的載流子增強效應，改善了整個N?漂移區的載流子濃度分布，進一步優化正向導通壓降與關斷損耗的折中特性；同時，本發明器件的制造方法與現有CSTBT器件的制造工藝兼容。

技術領域

本發明屬于半導體功率器件技術領域，特別涉及一種絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)，具體涉及一種溝槽柵電荷儲存型絕緣柵雙極型晶體管(CSTBT)及其制造方法。

背景技術

絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)作為現代電力電子電路中的核心電子元器件之一，被廣泛應用于交通、通信、家用電器及航空航天等各個領域。絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)是一種絕緣型場效應管(MOSFET)和雙極結型晶體管(BJT)復合而成的新型電力電子器件，可等效為雙極結型晶體管驅動的MOSFET。IGBT混合了MOSFET結構和雙極結型晶體管的工作機理，既具有MOSFET易于驅動、輸入阻抗低、開關速度快的優點，又具有BJT通態電流密度大、導通壓降低、損耗小、穩定性好的優點，因而，IGBT的運用改善了電力電子系統的性能。從IGBT發明以來，人們一直致力于改善IGBT的性能，經過二十幾年的發展，相繼提出了六代IGBT器件結構來不斷提升器件的性能。第六代IGBT結構——溝槽柵電荷存儲型絕緣柵雙極型晶體管(CSTBT)是通過在P型基區下方引入具有較高摻雜濃度和一定厚度的N型電荷存儲層來在P型基區下方引入空穴勢壘，使得器件靠近發射極端的空穴濃度大大提升，而根據電中性要求將大大增加此處電子濃度，以此改善整個N-漂移區的載流子濃度分布，增強N-漂移區的電導調制效應，使IGBT獲得了更低的正向導通壓降以及更優的正向導通壓降與關斷損耗的折中關系。隨著N型電荷存儲層摻雜濃度越高，CSTBT電導調制效應改善越大，器件的正向導通特性也就越好。然而，隨著N型電荷存儲層摻雜濃度的不斷提高，會造成CSTBT器件擊穿電壓顯著降低。如圖1所示的傳統CSTBT器件結構中，為了有效屏蔽N型電荷存儲層的不利影響，獲得更高的器件耐壓，主要采用如下兩種方式：

(1).深的溝槽柵深度，通常使溝槽柵的深度大于N型電荷存儲層的結深；

(2).小的元胞寬度，即提高MOS結構溝道密度使溝槽柵間距盡可能小；

方式(1)實施的同時會增加柵極-發射極電容和柵極-集電極電容，而IGBT的開關過程本質上就是對柵極電容進行充/放電的過程，故此，柵極電容的增加會使得充/放電時間增長，進而造成開關速度降低。因而，深的溝槽柵深度將會降低器件開關速度、增大器件開關損耗，影響到器件導通壓降和開關損耗的折中特性；而方式(2)的實施一方面將增大器件的柵極電容，導致器件開關速度降低、開關損耗增大，影響器件導通壓降與開關損耗的折中特性，另一方面還將增加器件的飽和電流密度，使器件短路安全工作區變差。另外，溝槽柵結構中的柵氧化層是通過一次熱氧化在溝槽中形成，為了保證一定的閾值電壓，因此要求整個柵氧化層的厚度均較小，然而MOS電容大小與氧化層的厚度成反比，這就使得傳統CSTBT器件中薄的柵氧化層厚度會顯著增加器件的柵極電容，同時溝槽底部的電場集中效應將降低器件的擊穿電壓，造成器件的可靠性較差。

發明內容