一种双向IGBT及其制造方法技术

一种双向IGBT及其制造方法，属于功率半导体器件技术领域。本发明专利技术通过在传统沟槽栅结构内引入与表面金属等电位的分裂电极以及位于分裂电极周侧的厚介质层，并在分裂沟槽栅结构的一侧引入浮空P型体区，在不影响IGBT器件阈值电压和开通的情况下，实现了IGBT结构对称的正、反向导通与关断特性；改善了密勒效应带来的不利影响，减小了驱动功耗；避免了器件开启动态过程中的电流、电压振荡和EMI问题；改善了器件的短路安全工作区；减小了栅极电容，提高了器件的开关速度，降低了器件的开关损耗；改善了沟槽底部电场的集中，提高了器件的击穿电压；提高了发射极端的载流子增强效应，改善整个N型漂移区的载流子浓度分布，改善了正向导通压降与关断损耗之间的折中。

A bidirectional IGBT and its manufacturing method

A bidirectional IGBT and its manufacturing method belong to the field of power semiconductor device technology. By introducing the split electrode and the metal surface potential in conventional trench gate structure and thick dielectric layer located in split electrode circumferential side of the floating body region and the introduction of P type split on one side of the trench gate structure, without affecting the threshold voltage of the IGBT device and the opening of the case, the symmetrical structure is IGBT reverse turn-on and turn off characteristics; improve the adverse effect brought by the Miller effect, reducing the drive power; avoid opening device in the dynamic process of the current and the voltage oscillation and EMI problem; improve the short circuit safe operating area of the device; reduced gate capacitance, improves the switching speed, reduce switch loss of the device; improve the concentration of electric field at the bottom of the trench, increase the breakdown voltage of the device; improve the emission enhancement effect of extreme carrier carrier, improve the N type drift region The distribution of the sub concentration improves the tradeoff between the forward pressure drop and the off loss.

【技术实现步骤摘要】
一种双向IGBT及其制造方法
本专利技术属于功率半导体器件
，涉及绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，具体涉及一种双向IGBT及其制造方法。
技术介绍
绝缘栅双极型晶体管(IGBT)绝缘型场效应管(MOSFET)和双极结型晶体管(BJT)复合而成的新型电力电子器件，可等效为双极结型晶体管驱动的MOSFET。IGBT混合了MOSFET结构和双极结型晶体管的工作机理，既具有MOSFET易于驱动、输入阻抗低、开关速度快的优点，又具有BJT通态电流密度大、导通压降低、损耗小、稳定性好的优点，故而，相较晶闸管等电流控制型器件而言，在可控性、安全工作区、开关损耗和驱动电路的简化方面具有明显优势，使其在应用中对电力电子系统的性能有明显的改进。目前，IGBT已成为现代电力电子电路中的核心电子元器件之一，广泛应用于交通、通信、家用电器及航空航天等各个领域。电能变换是很多电力电子应用的一个基本步骤，是电力装置的基本功能之一，根据负载要求的不同，电力装置可以完成交流到直流(AC-DC)，直流到交流(DC-AC)，直流到直流(DC-DC)和交流到交流(AC-AC)的变换。AC-AC的变换可以采用间接变换即AC-DC-AC方式，也可以采用直接变换即AC-AC的方式。在传统的AC-DC-AC间接变换系统中，需要有大容值的连接电容(电压型变换)或大感值的连接电感(电流型变换)将两部分相对独立的变换系统相连，这类系统体积大，成本高。此外，电容和电感的使用寿命远低于功率器件，这严重影响了系统的可靠性及使用年限。AC-AC直接转换系统避免了传统AC-DC-AC系统中连接电容或电感的使用，但要求功率开关具有双向开关能力。因而，双向开关的开发一直是交流电力变换装置的研究热点，早期的双向开关采用配备了外部强制换流电路的晶闸管。目前双向开关采用得最为广泛的半导体器件是IGBT，由于传统IGBT只具有单向导通和单向阻断的功能，具有双向导通双向阻断功能的IGBT双向开关主要的构成方式有：二极管桥式、共集电极式和共发射极式。后来逆阻型IGBT(RB-IGBT)出现，此类器件具有较大的承受反向电压的能力，使得双向开关可以简化成简单的反并联结构，省去了两个快恢复二极管。但是，以上开关方案都属于组合式开关，需要大量功率芯片，增加了系统成本，此外系统内部各芯片间需要大量连线、较复杂的组合方式增强了系统内部的寄生效应，影响系统可靠性。在此背景下，为了解决上述问题并实现产品的集成化，业界通过使用键合技术或者双面光刻的方法进行双向IGBT芯片的研制。随着硅-硅键合技术的发展，近几年人们提出了将两个相同的沟槽MOS结构背对背键合在一起成功地在单一芯片中实现了如图1所示具有双向导通及双向阻断功能的双向IGBT(Bi-directionalIGBT)，双向IGBT的产生极大地缩减了装置的成本，减小了电路的杂散参数。相比于传统单向IGBT，通过控制正、背面栅电压，该双向IGBT可实现对称的正、反向IGBT导通与关断特性。此外，该结构在P型基区5和N-漂移区9之间以及P型基区25和N-漂移区9之间对称的采用了一层比N-漂移区9掺杂浓度高的正面N型层6和背面N型层26，一方面较于NPT型双向IGBT结构减薄了N-漂移区厚度，降低了漂移区电阻，进而减小了正向导通压降并提高了开关速度，另一方面在任一方向工作时该双向IGBT均为具有载流子存贮层和电场阻止层的IGBT结构，显著提高了器件的性能。对于图1所示的结构，在正向或反向IGBT工作时，正面N型层6和背面N型层26作为载流子存贮层，使得IGBT器件靠近发射极端的载流子浓度分布得到了极大的改善，提高了N型漂移区的电导调制，改善了整个N型漂移区的载流子浓度分布，使IGBT获得了低的正向导通压降和改善的正向导通压降和关断损耗的折中。然而，对于这一双向IGBT结构而言，由于正面N型层6和背面N型层26的存在，在正向或反向IGBT工作时会显著降低器件的击穿电压。为了有效屏蔽N型电荷存储层的不利影响，获得更高的器件耐压，主要采用如下两种方式：(1).深的沟槽栅深度，通常使沟槽栅的深度大于N型电荷存储层的结深；(2).小的元胞宽度，即提高MOS结构沟道密度使沟槽栅间距尽可能小；方式(1)实施的同时会增加栅极-发射极电容和栅极-集电极电容，而IGBT的开关过程本质上就是对栅极电容进行充/放电的过程，故此，栅极电容的增加会使得充/放电时间增长，进而造成开关速度降低。因而，深的沟槽栅深度将会降低器件开关速度、增大器件开关损耗，影响到器件导通压降和开关损耗的折中特性；而方式(2)的实施一方面将增大器件的栅极电容，导致器件开关速度降低、开关损耗增大，影响器件导通压降与开关损耗的折中特性，另一方面大的沟道密度还将增加器件的饱和电流密度，使器件短路安全工作区变差。此外，对于如图1所示的双向IGBT结构，栅氧化层是通过一次热氧化在沟槽中形成，为了保证一定的阈值电压整个栅氧化层的厚度均较小，由于MOS电容大小与氧化层的厚度成反比，传统双向IGBT结构中小的栅氧化层厚度极大的增大了器件的栅极电容。另外，小的栅氧化层厚度使沟槽底部的电场集中，使器件的可靠性较差。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于：提供一种综合性能优异、可靠性高的双向IGBT器件及其制造方法。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案具体如下：一方面本专利技术提供一种双向IGBT，其元胞结构包括：对称设置在N型漂移区10正面和背面的N沟道MOS结构；正面MOS结构包括：正面发射极金属1、第一正面介质层22、第二正面介质层20、正面分裂沟槽栅结构、正面P+发射区3、正面N+发射区4、正面P型基区5和正面N型电荷存储层6和正面P型体区9；背面MOS结构包括：背面发射极金属21、第一背面介质层222、第二背面介质层220、背面分裂沟槽栅结构、背面P+发射区23、背面N+发射区24、背面P型基区25和背面N型电荷存储层26和背面P型体区29；其特征在于：正面分裂沟槽栅结构位于N型漂移区10的上表面中间位置，正面分裂沟槽栅结构一侧的N型漂移区10中具有正面N+发射区3、正面P+发射区4、正面P型基区5和正面N型电荷存储层6；正面N+发射区3和正面P+发射区4相互接触且并排位于正面发射极金属1的下方并与正面发射极金属1相连；正面P型基区5位于正面N+发射区3和正面P+发射区4的下方且与二者相连，正面N型电荷存储层6位于正面P型基区5和正面N型漂移区10之间；所述正面分裂沟槽栅结构包括：正面栅电极81、第一正面栅介质层82、第二正面栅介质层83、正面分裂电极71、第一正面分裂电极介质层72和第二正面分裂电极介质层73，正面分裂沟槽栅结构向下穿过正面N+发射区3、正面P型基区5和正面N型电荷存储层6延伸进入N型漂移区10中；栅电极81的深度大于正面P型基区5的结深且小于正面N型电荷存储层6的结深；正面栅电极81上表面通过第一正面介质层22与正面发射极金属1相连，正面栅电极81通过第一正面栅介质层82分别与正面N+发射区3、正面P型基区5和正面N型电荷存储层6相接触；正面分裂电极71呈“L”型半包围正面栅电极81设置且向下穿过正面N+发射区3、正面P型基区5和正面N型电荷存储层6并延伸进入N型漂移区10中，正面本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双向IGBT，其元胞结构包括：对称设置在N型漂移区(10)正面和背面的N沟道MOS结构；正面MOS结构包括：正面发射极金属(1)、第一正面介质层(22)、第二正面介质层(20)、正面分裂沟槽栅结构、正面P+发射区(3)、正面N+发射区(4)、正面P型基区(5)和正面N型电荷存储层(6)和正面P型体区(9)；背面MOS结构包括：背面发射极金属(21)、第一背面介质层(222)、第二背面介质层(220)、背面分裂沟槽栅结构、背面P+发射区(23)、背面N+发射区(24)、背面P型基区(25)和背面N型电荷存储层(26)和背面P型体区(29)；其特征在于：正面分裂沟槽栅结构位于N型漂移区(10)的上表面中间位置，正面分裂沟槽栅结构一侧的N型漂移区(10)中具有正面N+发射区(3)、正面P+发射区(4)、正面P型基区(5)和正面N型电荷存储层(6)；正面N+发射区(3)和正面P+发射区(4)相互接触且并排位于正面发射极金属(1)的下方并与正面发射极金属(1)相连；正面P型基区(5)位于正面N+发射区(3)和正面P+发射区(4)的下方且与二者相连，正面N型电荷存储层(6)位于正面P型基区(5)和正面N型漂移区(10)之间；所述正面分裂沟槽栅结构包括：正面栅电极(81)、第一正面栅介质层(82)、第二正面栅介质层(83)、正面分裂电极(71)、第一正面分裂电极介质层(72)和第二正面分裂电极介质层(73)，正面分裂沟槽栅结构向下穿过正面N+发射区(3)、正面P型基区(5)和正面N型电荷存储层(6)并延伸进入N型漂移区(10)中；正面栅电极(81)的深度大于正面P型基区(5)的结深且小于正面N型电荷存储层(6)的结深；正面栅电极(81)上表面通过第一正面介质层(22)与正面发射极金属(1)相连，正面栅电极(81)通过第一正面栅介质层(82)分别与正面N+发射区(3)、正面P型基区(5)和正面N型电荷存储层(6)相接触；正面分裂电极(71)呈“L”型半包围正面栅电极(81)设置且向下穿过正面N+发射区(3)、正面P型基区(5)和正面N型电荷存储层(6)并延伸进入N型漂移区(10)中，正面分裂电极(71)上表面与正面发射极金属(1)相连，正面分裂电极(71)通过第二正面栅介质层(83)与正面栅电极(81)之间相连，正面分裂电极(71)通过第一正面分裂电极介质层(73)与N型漂移区(10)相接触；正面栅介质层(82、83)的厚度不大于正面分裂电极介质层(72、73)的厚度；正面分裂沟槽栅结构另一侧的N型漂移区(10)顶层中还具有与之相连的正面浮空P型体区(9)，正面浮空P型体区(9)与正面分裂电极(71)通过第二正面分裂电极介质层(72)与相连，正面浮空P型体区(9)及第二正面分裂电极介质层(72)的上表面具有第二正面介质层(20)，第二正面介质层(20)与正面发射极金属(1)相连；背面MOS结构与正面MOS结构相同且二者关于器件中心对称或者沿N型漂移区的横向中线上下对称。...

【技术特征摘要】
1.一种双向IGBT，其元胞结构包括：对称设置在N型漂移区(10)正面和背面的N沟道MOS结构；正面MOS结构包括：正面发射极金属(1)、第一正面介质层(22)、第二正面介质层(20)、正面分裂沟槽栅结构、正面P+发射区(3)、正面N+发射区(4)、正面P型基区(5)和正面N型电荷存储层(6)和正面P型体区(9)；背面MOS结构包括：背面发射极金属(21)、第一背面介质层(222)、第二背面介质层(220)、背面分裂沟槽栅结构、背面P+发射区(23)、背面N+发射区(24)、背面P型基区(25)和背面N型电荷存储层(26)和背面P型体区(29)；其特征在于：正面分裂沟槽栅结构位于N型漂移区(10)的上表面中间位置，正面分裂沟槽栅结构一侧的N型漂移区(10)中具有正面N+发射区(3)、正面P+发射区(4)、正面P型基区(5)和正面N型电荷存储层(6)；正面N+发射区(3)和正面P+发射区(4)相互接触且并排位于正面发射极金属(1)的下方并与正面发射极金属(1)相连；正面P型基区(5)位于正面N+发射区(3)和正面P+发射区(4)的下方且与二者相连，正面N型电荷存储层(6)位于正面P型基区(5)和正面N型漂移区(10)之间；所述正面分裂沟槽栅结构包括：正面栅电极(81)、第一正面栅介质层(82)、第二正面栅介质层(83)、正面分裂电极(71)、第一正面分裂电极介质层(72)和第二正面分裂电极介质层(73)，正面分裂沟槽栅结构向下穿过正面N+发射区(3)、正面P型基区(5)和正面N型电荷存储层(6)并延伸进入N型漂移区(10)中；正面栅电极(81)的深度大于正面P型基区(5)的结深且小于正面N型电荷存储层(6)的结深；正面栅电极(81)上表面通过第一正面介质层(22)与正面发射极金属(1)相连，正面栅电极(81)通过第一正面栅介质层(82)分别与正面N+发射区(3)、正面P型基区(5)和正面N型电荷存储层(6)相接触；正面分裂电极(71)呈“L”型半包围正面栅电极(81)设置且向下穿过正面N+发射区(3)、正面P型基区(5)和正面N型电荷存储层(6)并延伸进入N型漂移区(10)中，正面分裂电极(71)上表面与正面发射极金属(1)相连，正面分裂电极(71)通过第二正面栅介质层(83)与正面栅电极(81)之间相连，正面分裂电极(71)通过第一正面分裂电极介质层(73)与N型漂移区(10)相接触；正面栅介质层(82、83)的厚度不大于正面分裂电极介质层(72、73)的厚度；正面分裂沟槽栅结构另一侧的N型漂移区(10)顶层中还具有与之相连的正面浮空P型体区(9)，正面浮空P型体区(9)与正面分裂电极(71)通过第二正面分裂电极介质层(72)与相连，正面浮空P型体区(9)及第二正面分裂电极介质层(72)的上表面具有第...

【专利技术属性】
技术研发人员：张金平，赵倩，蔡羽恒，刘竞秀，李泽宏，任敏，张波，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51