一种双向沟槽栅电荷存储型IGBT及其制作方法技术

一种双向沟槽栅电荷存储型IGBT及其制作方法，属于功率半导体器件技术领域。通过减小传统双向沟槽栅电荷存储型IGBT结构中发射区沿基区顶层延伸的深度，并引入分裂沟槽栅结构，所述分裂沟槽栅结构包括栅电极及其周侧栅介质层和位于栅电极底部且通过栅介质层相连的分裂电极及其周侧分裂电极介质层，所述分裂电极与发射极金属等电位。本发明专利技术提出的器件结构在实现对称的正/反向导通与关断特性的同时提高了器件的综合性能，能够避免电荷存储层的掺杂浓度和厚度对器件耐压的限制的同时，改善了器件的短路安全工作区、温度特性、器件正向导通压降Vceon与关断损耗Eoff之间的折中关系、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。

【技术实现步骤摘要】
一种双向沟槽栅电荷存储型IGBT及其制作方法
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)，特别涉及一种双向沟槽栅电荷存储型绝缘栅双极型晶体管(Bi-directionalCSTBT)。
技术介绍
绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是在功率MOSFET和功率双极结型晶体管(BJT)的发展基础上研究出来的新型电力电子器件，等效为双极结型晶体管(BJT)驱动的MOSFET。IGBT兼具功率MOSFET结构和双极结型晶体管(BJT)结构的优点：既具有功率MOSFET易于驱动、输入阻抗低、开关速度快的优点，又具有双极结型晶体管(BJT)通态电流密度大、导通压降低、损耗小、稳定性好的优点。基于这些优异的器件特性，近年来IGBT已经成为广泛应用于中高压领域的主流功率器件，例如电动汽车、电机驱动，并网技术，储能电站，AC/DA转换和变频调速等。自IGBT专利技术以来，人们一直致力于改善IGBT的综合性能，经过三十几年的发展，业界相继提出了七代IGBT结构来不断提升器件的性能。最初的NPT型IGBT结构也称为对称型IGBT结构，正向阻断和反向阻断状态均主要由轻掺杂的N型漂移区耐压，因此具有相等的正向击穿电压和反向击穿电压，但是为了保证耐压，需要N型漂移区掺杂浓度低且厚度大，这会导致正向导通电压的增大，开关特性变差，同时正向导通电压和关断损耗之间的折中特性恶化。后来，IGBT发展出了带FS层的结构，N型FS层的掺杂浓度高于N型漂移区的掺杂浓度，同等耐压能力下FS-IGBT结构具有更薄的漂移区的厚度，漂移区发生穿通后FS层可承受部分阻断电压，从而减小了器件的导通压降，提高器件的开关速度；但是FS-IGBT结构在反向耐压时，反向电压主要由P型集电区和N型FS层形成的PN结来承受，反向击穿电压低，在反向阻断应用时器件的性能下降，在需要IGBT具有逆阻能力的应用场合，不得不串联一个高压二极管实现反向耐压，这增加了成本，降低了系统的性能和可靠性。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型漂移区的载流子浓度分布，增强N型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。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。然而，由于传统IGBT只具有单向导通和单向阻断的功能，为使其具有双向导通双向阻断功能，现有技术发展得到IGBT双向开关，IGBT双向开关的构成方式有：二极管桥式、共集电极式和共发射极式。随着逆阻型IGBT(RB-IGBT)出现，由于此类器件具有较大的承受反向电压的能力，使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来实现双向IGBT器件。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。如图1所示为双向CSTBT(Bi-directionalCSTBT)的结构示意图，该结构在正面P型基区5和N型漂移区9之间以及背面P型基区25和N型漂移区9之间对称的采用了一层比N型漂移区9掺杂浓度高的正面N型电荷存储层6和背面N型电荷存储层26，一方面相较NPT型双向IGBT结构，该结构的引入减薄了N型漂移区厚度，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，另一方面无论工作于正向或反向，该结构均具有电荷存储层和电场阻止层，显著提高了器件的性能；此外，该结构采用沟槽栅IGBT结构消除了平面栅IGBT结构的JFET区电阻，进而获得更高了的MOS沟道密度，使得器件的特性显著提高。对于图1所示的结构，在正向或反向IGBT工作时，由于作为载流子存贮层的较高掺杂浓度和一定厚度的正面N型电荷存储层6及背面N型电荷存储层26，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，随着正面N型电荷存储层6及背面N型电荷存储层26的掺杂浓度和厚度不断提高，对于该双向CSTBT结构，在正向或者反向工作时会造成器件击穿电压显著降低，这就限制了电荷存储层的掺杂浓度和厚度。现有技术中，为了有效屏蔽上文中N型电荷存储层的不利影响，进而获得更高的器件耐压，主要采用如下两种方式：(1)、加深沟槽栅的深度，通常情况下，沟槽栅的深度大于N型电荷存储层的结深；(2)、减小元胞宽度，即提高MOS结构沟道密度以获得尽可能小的沟槽栅间距。但是，上述手段的实施仍然存在明显缺陷：方式(1)的实施会增加栅极-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，深的沟槽栅将会降低器件开关速度、增加器件开关损耗，影响到器件导通压降和开关损耗的折中特性。而方式(2)的实施一方面会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，沟道密度过大还将导致器件的饱和电流密度增加，从而使得器件短路安全工作区(SCSOA)变差。此外，沟槽栅结构中所用栅氧层通常是通过一次热氧化形成在沟槽中，这样为了保证一定的阈值电压就要求整个栅氧化层的厚度较小。然而，器件中MOS电容的大小与栅氧化层的厚度成反比，这样会导致传统CSTBT器件中的栅极电容显著增加，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双向沟槽栅电荷存储型IGBT，其二分之一元胞包括分别设置在第一导电类型半导体漂移区(9)正面和背面的MOS结构；其特征在于：正面MOS结构包括正面发射极金属(1)、正面隔离介质层(2)、正面分裂沟槽栅结构、正面第一导电类型半导体发射区(3)、正面第二导电类型半导体体接触区(4)、正面第二导电类型半导体基区(5)和正面第一导电类型半导体电荷存储层(6)；背面MOS结构包括背面发射极金属(21)、背面隔离介质层(22)、背面分裂沟槽栅结构、背面第一导电类型半导体发射区(23)、背面第二导电类型半导体体接触区(24)、背面第二导电类型半导体基区(25)和背面第一导电类型半导体电荷存储层(26)；所述正面MOS结构中，正面第一导电类型半导体电荷存储层(6)位于所述正面第一导电类型半导体漂移区(9)的顶层；所述正面第二导电类型半导体基区(5)位于正面第一导电类型半导体电荷存储层(6)的顶层；所述正面第二导电类型半导体体接触区(4)和正面第一导电类型半导体发射区(3)相互独立且并列设置在正面第二导电类型半导体基区(5)的顶层；所述第一导电类型半导体漂移区(9)的顶层还具有正面分裂沟槽栅结构，所述正面分裂沟槽栅结构包括正面栅电极(71)及其周侧的正面栅介质层(72)和正面分裂电极(81)及其周侧的正面分裂电极介质层(82)；所述正面栅电极(71)自器件顶层向下穿入的深度小于正面第一导电类型半导体电荷存储层(6)的结深，正面分裂电极(81)和正面栅电极(71)在器件中的延伸方向一致，正面分裂电极(81)位于正面栅电极(71)的底部且正面分裂电极(81)与正面栅电极(71)之间通过正面栅介质层(72)相连，正面分裂电极(81)向下穿入的深度大于正面第一导电类型半导体电荷存储层(6)的结深；正面栅电极(71)与正面第一导电类型半导体发射区(3)、正面第二导电类型半导体基区(5)和正面第一导电类型半导体电荷存储层(6)之间通过正面栅介质层(72)相连；正面分裂电极(81)至少与正面第一导电类型半导体电荷存储层(6)和正面第一导电类型半导体漂移区(9)之间通过正面分裂电极介质层(82)相连；正面栅电极(71)及其周侧的正面栅介质层(72)的上表面具有正面隔离介质层(2)；正面隔离介质层(2)、正面第一导电类型半导体发射区(4)和正面第一导电类型半导体发射区(3)的上表面与正面发射极金属(1)相连；所述背面MOS结构与正面MOS结构相同。...

【技术特征摘要】
1.一种双向沟槽栅电荷存储型IGBT，其二分之一元胞包括分别设置在第一导电类型半导体漂移区(9)正面和背面的MOS结构；其特征在于：正面MOS结构包括正面发射极金属(1)、正面隔离介质层(2)、正面分裂沟槽栅结构、正面第一导电类型半导体发射区(3)、正面第二导电类型半导体体接触区(4)、正面第二导电类型半导体基区(5)和正面第一导电类型半导体电荷存储层(6)；背面MOS结构包括背面发射极金属(21)、背面隔离介质层(22)、背面分裂沟槽栅结构、背面第一导电类型半导体发射区(23)、背面第二导电类型半导体体接触区(24)、背面第二导电类型半导体基区(25)和背面第一导电类型半导体电荷存储层(26)；所述正面MOS结构中，正面第一导电类型半导体电荷存储层(6)位于所述正面第一导电类型半导体漂移区(9)的顶层；所述正面第二导电类型半导体基区(5)位于正面第一导电类型半导体电荷存储层(6)的顶层；所述正面第二导电类型半导体体接触区(4)和正面第一导电类型半导体发射区(3)相互独立且并列设置在正面第二导电类型半导体基区(5)的顶层；所述第一导电类型半导体漂移区(9)的顶层还具有正面分裂沟槽栅结构，所述正面分裂沟槽栅结构包括正面栅电极(71)及其周侧的正面栅介质层(72)和正面分裂电极(81)及其周侧的正面分裂电极介质层(82)；所述正面栅电极(71)自器件顶层向下穿入的深度小于正面第一导电类型半导体电荷存储层(6)的结深，正面分裂电极(81)和正面栅电极(71)在器件中的延伸方向一致，正面分裂电极(81)位于正面栅电极(71)的底部且正面分裂电极(81)与正面栅电极(71)之间通过正面栅介质层(72)相连，正面分裂电极(81)向下穿入的深度大于正面第一导电类型半导体电荷存储层(6)的结深；正面栅电极(71)与正面第一导电类型半导体发射区(3)、正面第二导电类型半导体基区(5)和正面第一导电类型半导体电荷存储层(6)之间通过正面栅介质层(72)相连；正面分裂电极(81)至少与正面第一导电类型半导体电荷存储层(6)和正面第一导电类型半导体漂移区(9)之间通过正面分裂电极介质层(82)相连；正面栅电极(71)及其周侧的正面栅介质层(72)的上表面具有正面隔离介质层(2)；正面隔离介质层(2)、正面第一导电类型半导体发射区(4)和正面第一导电类型半导体发射区(3)的上表面与正面发射极金属(1)相连；所述背面MOS结构与正面MOS结构相同。2.根据权利要求1所述的一种双向沟槽栅电荷存储型IGBT，其特征在于：分裂电极(81、281)沿第二导电类型半导体漂移区(9)顶层延伸的深度大于栅电极(71、271)延伸的深度，使得分裂电极(81、281)半包围栅电极(71、271)及其周侧的栅介质层(72、272)设置，分裂电极(81、281)与栅电极(71、271)之间通过栅介质层(72、272)相连，分裂电极(81、281)与第一导电类型半导体体接触区(4、24)、第一导电类型半导体基区(5、25)之间通过分裂电极介质层(82、282)相连，分裂电极(81、281)与发射极金属(1、21)相连。3.根据权利要求1所述的一种双向沟槽栅电荷存储型IGBT，其特征在于：栅电极(71、271)沿第二导电类型半导体漂移区9顶层延伸的深度等于分裂电极(81、281)延伸的深度，并且分裂电极(81、281)一部分位于栅电极(71、271)下方，其另一部分位于器件顶层且与栅电极(71、271)之间通过栅介质层(72、272)相连，所述栅电极(71、271)沿器件顶层延伸的宽度小于分裂电极(81、281)延伸的宽度；此时，分裂电极(81、281)与第一导电类型半导体体接触区(4、24)第一导电类型半导体基区(5、25)之间通过分裂电极介质层(82、282)相连，分裂电极(81、281)与发射极金属(1、21)相连。4.根据权利要求1所述的一种双向沟槽栅电荷存储型IGBT，其特征在于：第一导电类型半导体发射区(3、23)和第二导电类型半导体体接触区(4、24)位于...

【专利技术属性】
技术研发人员：张金平，赵倩，赵阳，刘竞秀，李泽宏，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