[發明專利]一種功率半導體器件及其制備方法

有效

• 申請號: 202210440811.8
• 申請日: 2022-04-26
• 公開（公告）號: CN114551589B
• 公開（公告）日: 2022-09-09
• 發明（設計）人: 劉永;馮浩;單建安
• 申請（專利權）人: 安建科技（深圳）有限公司
• 主分類號: H01L29/739
• 分類號: H01L29/739;H01L29/06;H01L21/331
• 代理公司: 深圳市千納專利代理有限公司 44218
• 代理人: 袁燕清

一種功率半導體器件及其制備方法，本發明屬于功率半導體器件領域，本發明通過引入了對漂移區內電子抽取的穿通型三極管結構降低正面空穴的注入效率，將發射極空穴電流轉化為電子漂移電流，不會使導通壓降顯著增大；另外通過改變正面溝槽的密度和形貌，實現對穿通型面積和位置的調整，進而改變對電子抽取、正面空穴注入效率，增加了器件設計靈活性和設計維度。

技術領域

本發明屬于功率半導體器件領域，涉及絕緣柵雙極型晶體管（IGBT），特別是逆導型絕緣柵雙極型晶體管（RC-IGBT）器件以及其制備方法。

背景技術

逆導型絕緣柵雙極型晶體管（RC-IGBT）器件，由于在同一個元胞中集成了絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）和續流二極管（FWD），相比于分立IGBT和FWD通過鍵合線封裝集成為單個器件來說，能帶來器件的功率密度提升、寄生電感降低和芯片面積利用率增加等優勢，在功率模塊中得到更多的應用。RC-IGBT憑借上述高集成度的優勢，已在軟開關電路特別是感應加熱應用中普及，但由于受到開關頻率和開關損耗等限制，使其無法進一步在硬開關應用領域大規模推廣。其中FWD反向恢復損耗過大是RC-IGBT亟待解決的功耗問題之一。

RC-IGBT元胞從背面結構上，可以將重摻雜P⁺集電區部分視為IGBT元胞，將重摻雜N⁺集電區部分視為FWD元胞，如圖1所示。由于RC-IGBT元胞背面局部摻雜的差異，導致其在IGBT模式正向導通時存在折回現象（snap back）,會使得器件工作時電流易出現局部聚集，降低應用時的可靠性。現有技術普遍采用多個IGBT元胞并聯一個FWD元胞的結構來消除折回現象，而正面結構則均采用IGBT的金屬-氧化物-半導體結構（也稱MOS結構）。IGBT正面結構中的P區為保證耐壓與抑制閂鎖效應，通常采用高摻雜P型區域，該高摻雜P型區域作為FWD元胞續流導通時的陽極，空穴注入效率過高，導致FWD元胞反向恢復時產生的反向恢復損耗過大，限制了器件整體開關功耗的降低。

為降低FWD元胞反向恢復損耗，現有技術中有采用正面局部區域壽命控制的方案。具體做法是：在正面PN結附近，采用H⁺或He²⁺粒子注入的方式，在局部區域引入缺陷，增強載流子復合過程。FWD元胞正向導通時，可減小空穴的注入效率，進而降低反向恢復前漂移區內載流子數量，實現載流子分布正面低、背面高的分布；這種載流子分布，在FWD元胞反向恢復時能夠實現又軟又快的特性，可以減小反向恢復時間和反向恢復電荷，使得RC-IGBT的反向恢復損耗降低。但上述技術方案存在高溫漏電大、IGBT模式下導通損耗增大等問題。

現有技術另一種方案是將RC-IGBT的IGBT元胞和FWD元胞正面結構獨立設計，主要特點是可單獨優化FWD元胞正面空穴注入效率，同時將對IGBT元胞正面空穴注入效率的影響降低。具體做法是采用現有分立FWD器件正面結構，如SPEED（Self-adjusting P EmitterEfficiency Diode）結構。該技術方案原理是在正面P區內引入金屬-P型半導體形成的肖特基結，增加正面空穴注入的勢壘，不改變電子輸運到正面發射極的過程。該技術方案可通過改變正面P型區摻雜濃度和發射極金屬功函數，改變肖特基勢壘高度，以調整空穴注入效率；但該技術中的參數設計受制于RC-IGBT工藝過程，對反向恢復功耗的降低幅度有限制。業界還提出通過IGBT元胞柵極控制的方法，在FWD元胞反向恢復之前將IGBT元胞柵極開啟，通過將正面電子電流導出的方式，降低反向恢復時載流子數量；但該方案使得柵驅動控制復雜，同時需要額外器件進行換向檢測，不利于控制系統可靠性和成本。

根據上述現有RC-IGBT反向恢復損耗降低技術所存在的問題，需要提供創新的器件結構，在實現降低RC-IGBT反向恢復損耗基礎上，控制泄漏電流、保證IGBT元胞性能不退化，以滿足整個RC-IGBT器件在惡劣應用環境下高可靠性的要求。

發明內容