[發(fā)明專利]一種溝槽柵電荷儲存型絕緣柵雙極型晶體管及其制造方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710986479.4
• 申請日: 2017-10-20
• 公開（公告）號: CN107799582B
• 公開（公告）日: 2021-03-16
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張金平;趙倩;劉競秀;李澤宏;任敏;張波
• 申請（專利權(quán)）人: 電子科技大學(xué)
• 主分類號: H01L29/06
• 分類號: H01L29/06;H01L29/423;H01L29/739;H01L21/331
• 代理公司: 成都點睛專利代理事務(wù)所(普通合伙) 51232
• 代理人: 葛啟函

一種溝槽柵電荷儲存型絕緣柵雙極型晶體管及其制造方法，屬于半導(dǎo)體功率器件領(lǐng)域。本發(fā)明克服了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中N型電荷存儲層的不利影響，獲得更加優(yōu)異的耐壓性能，相比傳統(tǒng)方式而言，解決了采用加深溝槽柵深度和減小元胞寬度致使器件的開關(guān)性能、導(dǎo)通壓降和開關(guān)損耗折中特性以及可靠性受損的問題。本發(fā)明通過在P型體區(qū)上引入串聯(lián)二極管結(jié)構(gòu)，使得MOSFET的溝道電壓拑位在很小的值，從而減小了器件飽和電流密度，改善了器件的短路安全工作區(qū)；通過在溝槽柵結(jié)構(gòu)中引入分裂電極和分裂電極介質(zhì)層，在保證了器件閾值電壓和開關(guān)速度的同時提高了器件開關(guān)性能；浮空P型體區(qū)改善了器件正向?qū)▔航蹬c開關(guān)損耗的折中特性。另外，本發(fā)明提出CSTBT器件的制作工藝與傳統(tǒng)制作工藝兼容。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于半導(dǎo)體功率器件技術(shù)領(lǐng)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)。

背景技術(shù)

絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)作為現(xiàn)代電力電子電路中的核心電子元器件之一，被廣泛應(yīng)用于交通、通信、家用電器及航空航天等各個領(lǐng)域。絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)是一種絕緣型場效應(yīng)管(MOSFET)和雙極結(jié)型晶體管(BJT)復(fù)合而成的新型電力電子器件，可等效為雙極結(jié)型晶體管驅(qū)動的MOSFET。IGBT混合了MOSFET結(jié)構(gòu)和雙極結(jié)型晶體管的工作機理，既具有MOSFET易于驅(qū)動、輸入阻抗低、開關(guān)速度快的優(yōu)點，又具有BJT通態(tài)電流密度大、導(dǎo)通壓降低、損耗小、穩(wěn)定性好的優(yōu)點，因而，IGBT的運用改善了電力電子系統(tǒng)的性能。從IGBT發(fā)明以來，人們一直致力于改善IGBT的性能，經(jīng)過二十幾年的發(fā)展，相繼提出了七代IGBT器件結(jié)構(gòu)來不斷提升器件的性能。第七代IGBT結(jié)構(gòu)——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(qū)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(qū)下方引入空穴勢壘，使得器件靠近發(fā)射極端的空穴濃度大大提升，而根據(jù)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(qū)的載流子濃度分布，增強N-漂移區(qū)的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，使IGBT獲得了更低的正向?qū)▔航狄约案鼉?yōu)的正向?qū)▔航蹬c關(guān)斷損耗的折中關(guān)系。隨著N型電荷存儲層摻雜濃度越高，CSTBT電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)改善越大，器件的正向?qū)ㄌ匦砸簿驮胶谩Ｈ欢?，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(tǒng)CSTBT器件結(jié)構(gòu)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(jié)深；

(2).小的元胞寬度，即提高MOS結(jié)構(gòu)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?xùn)艠O-發(fā)射極電容和柵極-集電極電容，而IGBT的開關(guān)過程本質(zhì)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(guān)速度降低。因而，深的溝槽柵深度將會降低器件開關(guān)速度、增大器件開關(guān)損耗，影響到器件導(dǎo)通壓降和開關(guān)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(dǎo)致器件開關(guān)速度降低、開關(guān)損耗增大，影響器件導(dǎo)通壓降與開關(guān)損耗的折中特性，另一方面大的溝道密度還將增加器件的飽和電流密度，使器件短路安全工作區(qū)變差。另外，溝槽柵結(jié)構(gòu)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(tǒng)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(yīng)將降低器件的擊穿電壓，造成器件的可靠性較差。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于：提供一種綜合性能優(yōu)異的溝槽柵電荷儲存型絕緣柵雙極型晶體管及其制造方法，通過合理優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)，減小了器件的飽和電流密度，改善了器件短路安全工作區(qū)；改善了溝槽底部電場集中效應(yīng)，提高了器件擊穿電壓；減小了器件的柵極電容，提高器件了開關(guān)速度，降低了開關(guān)損耗；避免了開啟動態(tài)過程中的電流、電壓振蕩和EMI問題，提高了器件的可靠性；進一步提高了器件發(fā)射極端的載流子增強效應(yīng)，改善了整個N-漂移區(qū)的載流子濃度分布以及正向?qū)▔航蹬c開關(guān)損耗的折中。并且制造方法與現(xiàn)有CSTBT器件的制造工藝兼容。