一种沟槽栅电荷储存型IGBT及其制造方法技术

一种沟槽栅电荷储存型IGBT及其制造方法，属于半导体功率器件技术领域，本发明专利技术通过在传统CSTBT器件中沟槽栅一侧的N型漂移区中引入与P型体区相连的沟槽发射极结构，从而将栅极‑集电极电容转换为了栅极‑发射极电容，改善了密勒电容的不利影响；沟槽发射极结构的厚介质层避免了沟槽底部电场集中效应，提高了器件的击穿电压；本发明专利技术使得栅电极的深度小于N型电荷存储层的结深，在不影响IGBT开通的情况下减小了整体栅极电容，提高了器件的开关速度，降低了器件的开关损耗，改善了正向导通电压与关断损耗之间的折中特性；本发明专利技术中P型体区的存在能够减小空穴的抽取面积，改善了整个N型漂移区的载流子浓度分布；并且本发明专利技术降低了噪声影响，避免了EMI效应。

A trench gate charge storage type IGBT and its manufacturing method

A trench gate charge storage type IGBT and its manufacturing method, which belongs to the technical field of semiconductor power devices, the invention through the groove is connected with the P type emitter structure is used in traditional CSTBT devices in the drift region on the side of the trench gate type N, which will gate collector capacitance conversion to gate emitter capacitance, improve the adverse effects of Miller trench capacitor dielectric layer thickness; emission pole structure to avoid the trench bottom electric field concentration effect, increase the breakdown voltage of the device; the gate electrode is less than the depth of the charge storage layer of N junction depth in the case does not affect the IGBT opening decreased the gate capacitance, improve device the switching speed, reduces the switching losses of the device, the compromise features to improve the turn-on voltage and turn off losses; type P in the invention of the body region could reduce The decimation area of small holes improves the carrier concentration distribution in the whole N drift region, and the invention reduces the effect of noise and avoids the EMI effect.

【技术实现步骤摘要】
一种沟槽栅电荷储存型IGBT及其制造方法
本专利技术属于半导体功率器件
，特别涉及一种绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，具体涉及一种沟槽栅电荷储存型IGBT及其制造方法。
技术介绍
绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为现代电力电子电路中的核心电子元器件之一，被广泛应用于交通、通信、家用电器及航空航天等各个领域。绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是一种绝缘型场效应管(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，因而，IGBT的运用改善了电力电子系统的性能。从IGBT专利技术以来，人们一直致力于改善IGBT的性能，经过二十几年的发展，相继提出了七代IGBT器件结构来不断提升器件的性能。第七代IGBT结构——沟槽栅电荷存储型绝缘栅双极型晶体管(CSTBT)是通过在P型基区下方引入具有较高掺杂浓度和一定厚度的N型电荷存储层来在P型基区下方引入空穴势垒，使得器件靠近发射极端的空穴浓度大大提升，而根据电中性要求将大大增加此处电子浓度，以此改善整个N-漂移区的载流子浓度分布，增强N-漂移区的电导调制效应，使IGBT获得了更低的正向导通压降以及更优的正向导通压降与关断损耗的折中关系。随着N型电荷存储层掺杂浓度越高，CSTBT电导调制效应改善越大，器件的正向导通特性也就越好。然而，随着N型电荷存储层掺杂浓度的不断提高，会造成CSTBT器件击穿电压显著降低。如图1所示的传统CSTBT器件结构中，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。另外，沟槽栅结构中的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，因此要求整个栅氧化层的厚度均较小，然而MOS电容大小与氧化层的厚度成反比，这就使得传统CSTBT器件中薄的栅氧化层厚度会显著增加器件的栅极电容，同时沟槽底部的电场集中效应将降低器件的击穿电压，造成器件的可靠性较差。
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的沟槽栅电荷储存型IGBT及其制造方法，通过合理优化器件结构，在保证一定的器件沟槽深度和沟槽MOS结构密度的前提下，解决了传统CSTBT器件中通过提高N型电荷存储层掺杂浓度造成器件正向导通性能与耐压性能之间存在矛盾关系的问题；减小了器件的栅极-集电极电容，改善密勒效应带来的不利影响；降低了器件整体栅极电容，提高器件了开关速度，降低了开关损耗，同时使器件获得更好的导通压降与开关损耗间的折中特性；提高发射极端的载流子增强效应，改善了整个N-漂移区的载流子浓度分布，进一步改善了器件导通压降与开关损耗间的折中特性；避免了器件开启动态过程中的电流、电压振荡和EMI问题，提高了器件的可靠性；改善了沟槽底部电场集中效应，提高了器件击穿电压，进一步提高了器件的可靠性。并且本专利技术制造方法与现有CSTBT器件的制造工艺兼容。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一方面，本专利技术提出一种沟槽栅电荷储存型IGBT，其元胞结构包括：P型集电区14、位于P型集电区14背面的集电极金属15、位于P型集电区14正面的N型电场阻止层13和位于N型电场阻止层13上方的N型漂移区12；其特征在于：N型漂移区12中具有P+发射区4、N+发射区5、P型基区6、N型电荷存储层7、沟槽栅结构、沟槽发射极结构、和P型体区10；所述沟槽发射结构位于N型漂移区12顶层中央，并沿器件垂直方向穿入其中，所述沟槽发射极结构由沟槽发射极电极91和设于沟槽发射极电极91四周及底侧的发射极介质层92构成；所述沟槽发射极结构一侧的N型漂移区12中具有与之相连的P型体区10，所述P型体区10及其相靠近的发射极介质层92的上表面设有第一介质层2；所述沟槽发射极结构另一侧的N型漂移区12中具有相互接触且并排设置的P+发射区4和N+发射区5；在P+发射区4和N+发射区5的下方具有与之相连的P型基区6；P型基区6和N型漂移区12之间具有N型电荷存储层7；P+发射区4、P型基区6和N型电荷存储层7均与发射极介质层92相连；N型电荷存储层7中还具有沟槽栅结构，所述沟槽栅结构包括：栅电极81和栅介质层，栅介质层沿器件垂直方向延伸进入N型电荷存储层7中形成沟槽，侧面栅介质层82与N+发射区5、P型基区6和N型电荷存储层7相接触，底面栅介质层83与N型电荷存储层7相接触，所述栅电极81位于沟槽中，栅电极的深度大于P型基区6的结深且小于N型电荷存储层7的结深；栅介质层82、83的厚度不大于沟槽发射极介质层92的厚度。在沟槽栅结构、P+发射区4、N+发射区5和沟槽发射极电极91及其相靠近的发射极介质层92的上方具有与之相连的发射极金属1，所述沟槽栅结构与发射极金属1之间通过第二介质层3相隔离。进一步地，本专利技术中沟槽发射极结构下方还具有与之相连的第一P型层11，第一P型层11与沟槽发射极电极91通过底侧的发射极介质层92相连，所述第一P型层11向一侧横向延伸至N型电荷存储层7下方的N型漂移区12中。进一步地，本专利技术中沟槽栅结构下方还具有与之相连的第二P型层16，第二P型层16与栅电极81通过底面栅介质层83相连，所述第二P型层16向一侧横向延伸至N型电荷存储层7下方的N型漂移区12中。进一步地，本专利技术中第一P型层11或者第二P型层16横向延伸至N型电荷存储层7下方的N型漂移区12中的距离不超过P+发射区4和N+发射区5二者的宽度之和。进一步地，当第一P型层11和第二P型层16同时存在时，二者横向延伸部分不相接。进一步地，本专利技术中沟槽栅结构还包括分裂电极84和分裂电极介质层85，分裂电极84位于栅电极81下方且二者通过底面栅介质层83相连，分裂电极84与N型电荷存储层7和N型漂移区12之间通过分裂电极介质层85相连。根据本专利技术实施例，分裂电极84与发射极金属等电位。进一步地，本专利技术中分裂电极介质层85的厚度大于栅介质层的厚度。进一步地，本专利技术沟槽发射极结构中的沟槽发射极电极91为上宽下窄的阶梯状结构，使得下方的发射极介质层92的厚度大于上方的发射极介质层92的厚度。进一步地，本专利技术沟槽栅结构中的分裂电极84为上宽下窄的阶梯状结构，使得下方的分裂电极介质层85的厚度大于上方的分裂电极介质层85的厚度。进一步地，本专利技术中N型电荷存储层7的结深小于本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种沟槽栅电荷储存型IGBT，包括：P型集电区(14)、位于P型集电区(14)背面的集电极金属(15)、位于P型集电区(14)正面的N型电场阻止层(13)和位于N型电场阻止层(13)上方的N型漂移区(12)；其特征在于：N型漂移区(12)中具有P+发射区(4)、N+发射区(5)、P型基区(6)、N型电荷存储层(7)、沟槽栅结构、沟槽发射极结构和P型体区(10)；所述沟槽发射结构位于N型漂移区(12)顶层中央，并沿器件垂直方向穿入其中，所述沟槽发射极结构由沟槽发射电极(91)和设于沟槽发射电极(91)四周及底侧的发射极介质层(92)构成；所述沟槽发射极结构一侧的N型漂移区(12)中具有与之相连的P型体区(10)，所述P型体区(10)及其相靠近的发射极介质层(92)的上表面设有第二介质层(2)；所述沟槽发射极结构另一侧的N型漂移区(12)中具有相互接触且并排设置的P+发射区(4)和N+发射区(5)；在P+发射区(4)和N+发射区(5)的下方具有与之相连的P型基区(6)；P型基区(6)和N型漂移区(12)之间具有N型电荷存储层(7)；P+发射区(4)、P型基区(6)和N型电荷存储层(7)均与发射极介质层(92)相连；N型电荷存储层(7)中还具有沟槽栅结构，所述沟槽栅结构包括：栅电极(81)和栅介质层，栅介质层沿器件垂直方向延伸进入N型电荷存储层(7)中形成沟槽，侧面栅介质层(82)与N+发射区(5)、P型基区(6)和N型电荷存储层(7)相接触，底面栅介质层(83)与N型电荷存储层(7)相接触，所述栅电极(81)位于沟槽中，栅电极(81)的深度大于P型基区(6)的结深且小于N型电荷存储层(7)的结深，栅介质层(82、83)的厚度不大于沟槽发射极介质层(92)的厚度；在沟槽栅结构、P+发射区(4)、N+发射区(5)和沟槽发射电极(91)及其相靠近的发射极介质层(92)的上方具有与之相连的发射极金属(1)，所述沟槽栅结构与发射极金属(1)之间通过第一介质层(3)相隔离。...

【技术特征摘要】
1.一种沟槽栅电荷储存型IGBT，包括：P型集电区(14)、位于P型集电区(14)背面的集电极金属(15)、位于P型集电区(14)正面的N型电场阻止层(13)和位于N型电场阻止层(13)上方的N型漂移区(12)；其特征在于：N型漂移区(12)中具有P+发射区(4)、N+发射区(5)、P型基区(6)、N型电荷存储层(7)、沟槽栅结构、沟槽发射极结构和P型体区(10)；所述沟槽发射结构位于N型漂移区(12)顶层中央，并沿器件垂直方向穿入其中，所述沟槽发射极结构由沟槽发射电极(91)和设于沟槽发射电极(91)四周及底侧的发射极介质层(92)构成；所述沟槽发射极结构一侧的N型漂移区(12)中具有与之相连的P型体区(10)，所述P型体区(10)及其相靠近的发射极介质层(92)的上表面设有第二介质层(2)；所述沟槽发射极结构另一侧的N型漂移区(12)中具有相互接触且并排设置的P+发射区(4)和N+发射区(5)；在P+发射区(4)和N+发射区(5)的下方具有与之相连的P型基区(6)；P型基区(6)和N型漂移区(12)之间具有N型电荷存储层(7)；P+发射区(4)、P型基区(6)和N型电荷存储层(7)均与发射极介质层(92)相连；N型电荷存储层(7)中还具有沟槽栅结构，所述沟槽栅结构包括：栅电极(81)和栅介质层，栅介质层沿器件垂直方向延伸进入N型电荷存储层(7)中形成沟槽，侧面栅介质层(82)与N+发射区(5)、P型基区(6)和N型电荷存储层(7)相接触，底面栅介质层(83)与N型电荷存储层(7)相接触，所述栅电极(81)位于沟槽中，栅电极(81)的深度大于P型基区(6)的结深且小于N型电荷存储层(7)的结深，栅介质层(82、83)的厚度不大于沟槽发射极介质层(92)的厚度；在沟槽栅结构、P+发射区(4)、N+发射区(5)和沟槽发射电极(91)及其相靠近的发射极介质层(92)的上方具有与之相连的发射极金属(1)，所述沟槽栅结构与发射极金属(1)之间通过第一介质层(3)相隔离。2.根据权利要求1所述的一种沟槽栅电荷储存型IGBT，其特征在于：所述沟槽发射极结构下方还具有与之相连的第一P型层(11)，第一P型层(11)与沟槽发射极电极(91)通过底侧的发射极介质层(92)相连，所述第一P型层(11)向一侧横向延伸至N型电荷存储层(7)下方的N型漂移区(12)中。3.根据权利要求1所述的一种沟槽栅电荷储存型IGBT，其特征在于：所述沟槽栅结构下方还具有与之相连的第二P型层(16)，第二P型层(16)与栅电极(81)通过底面栅介质层(83)相连，所述第二P型层(16)向一侧横向延伸至N型电荷存储层(7)下方的N型漂移区(12)中。4.根据权利要求1所述的一种沟槽栅电荷储存型IGBT，其特征在于：所述沟槽栅结构还包括分裂电极(84)和分裂电极介质层(85)，分裂电极(84)位于栅电极(...

【专利技术属性】
技术研发人员：张金平，赵倩，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