一种双极型功率半导体器件及其制备方法技术

一种双极型功率半导体器件及其制备方法，属于半导体功率器件技术领域。本发明专利技术在保持传统双极型功率半导体器件阴极结构不变的前提下，通过在器件阳极区引入一个阳极沟槽栅结构及源极区和/或基区，在不影响器件正常工作和开通的情况下,通过控制阳极沟槽栅结构，旁路阳极二极管的正向导通压降，从而达到降低功率半导体器件正向导通压降的效果。阳极二极管被旁路后，由阳极区向漂移区的少数载流子注入减小，器件在关断时的反向恢复过程时间缩短，提高器件的关断速度，降低了开关损耗。本发明专利技术改善了整个N型漂移区的载流子浓度分布以及正向导通压降和开关损耗的折中；并且器件的制作方法不需要增加额外的工艺步骤，与传统器件制作方法兼容。

【技术实现步骤摘要】
一种双极型功率半导体器件及其制备方法
本专利技术属于功率半导体器件及制备
，具体涉及一种MOS控制阳极的双极型半导体功率器件及其制备方法。
技术介绍
作为电子技术的一大分类，电力电子技术(另一大分类为信息电子技术)是一种能够实现电能的传输、处理、存储和控制的技术，适用于大功率电力变换和处理。这种技术能够把电压、电流、频率、相位进行变化来满足系统的用电要求，从而保证电能得到适当的应用。另外，电能通过电力电子技术处理后使用，可以更加节约、高效和环保。电力电子技术诞生于世纪50年代，作为一门新技术，它支撑着现代工业和国防事业的发展。在民用领域，电力电子技术主要应用于工业电机设计、电网建设以及家用电气等方面。现代电力电子技术已经开始应用于更多新兴领域，包括新能源(如大功率风力发电)、智能电网、轨道交通和变频家电等。在国防领域，电力电子技术已经在航空航天、战机、舰船等各方面起重要的作用。电力电子技术的应用依赖于各种电力电子系统，而电力电子系统的核心器件则是功率半导体器件。为了提高功率半导体器件的性能，改善其可靠性，需要在一定的阻断电压能力下提高器件的开关速度，减小器件的开关损耗并降低正向导通压降。图1示出了双极型功率半导体器件——IGBT器件的结构，器件在正向导通时，由P型阳极区(又称P型集电极区)9向N型漂移区7中注入空穴载流子，使N型漂移区7进行电导调制，从而使器件获得了相对较低的正向导通压降；在器件关断过程时，这些存在于N型漂移区7中的少数载流子在耗尽区扩展的过程中需要被抽取掉，这个过程是器件关断过程的反向恢复过程。由于反向恢复的存在增大了器件的关断时间同时从而增大关断损耗。因此，器件的导通压降与关断损耗之间的矛盾关系需进一步优化。在高压、大电流、高功率的双极功率半导体开关器件中，绝缘栅双极型晶体管(IGBT)和MOS控制晶闸管(MCT)是最具代表性的两种器件。IGBT是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,。它既有MOSFET易于驱动，控制简单的优点，又有功率晶体管导通压降低，通态电流大，损耗小的优点，已经成为了现代电力电子电路中的核心电子元器件之一，广泛地应用在诸如通信、能源、交通、工业、医学、家用电器及航空航天等国民经济的各个领域。IGBT的应用对电力电子系统性能的提升起到了至关重要的作用。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7代IGBT器件结构，每一代产品的提出都使得器件的性能得到了稳步的提升。其中，场截止型IGBT的技术核心是在N型基区和P+阳极区(又称P+集电极区)之间加一个薄的高浓度N型缓冲层，使正向阻断条件下电场在此层终止，从而在相同阻断能力下提高N型基区的电阻率以实现低的导通电阻和关断损耗。IGBT的正向导通压降主要为以下三部分：MOS单元中的沟道压降，漂移区的压降以及阳极二极管(又称集电极二极管)的压降。又因为IGBT的导调制效应较强，使得漂移区的压降很小且在一定程度上改善了MOS单元中的沟道压降，所以阳极二极管的压降是IGBT的正向导通压降的主要部分。由此可知，降低阳极二极管的正向导通压降是考虑进一步降低IGBT的正向导通压降与关断损耗的关键。现在600V的IGBT的正向导通压降可以做到1.2V左右，其中0.7V为阳极二极管。MOS控制晶闸管(MCT)最早由美国GE公司的Temple在1984年国际电子器件会议上提出。MCT是一种场控双极型半导体功率器件，属于第三代功率半导体器件，具有通过一个栅便可控制器件开启和关断的特点，它有着极低的导通压降和高的浪涌电流承受能力，另外它还有温度负反馈特性。MCT凭借其显著的优点，一经提出便受到了半导体功率器件研究者们的广泛关注，从而引发了MCT研究热潮。MCT是由晶闸管演变而来，其表面是MOS结构而主体是晶闸管结构。晶闸管又称可控硅(siliconcontrolledrectifier，SCR)，第一款晶闸管产品由美国通用电气公司于1957年开发出来，由于其具有高阻断耐压、大导通电流的特性，非常适合在电源控制方面和开关方面使用，因而被迅速商业化。晶闸管是一种半控型器件，半控是指器件无自关断能力，通过控制栅极电流能够使晶闸管开启，一旦器件导通则不受栅极控制，器件关断需要在器件阳极和阴极上加反向电压，使器件电流降到维持电流以下才能关断。晶闸管在实际使用中为了能够正常关断，一般需要设计复杂的外围控制电路，这增加了器件的使用成本，也抬高了整体功耗。为此，研究人员开发出门极可关断晶闸管(GTO)来改进晶闸管不能自关断的缺点。GTO作为晶闸管的一种衍生产品，其是于1982年由日本日立公司首先研制成功，其结构和晶闸管类似，不同的地方在于无阴极短路结构以及阴极区域很短。GTO有着普通晶闸管的阻断状态耐压高，导通压降低且导通电流大的特点。GTO的正向导通压降主要是以下三部分：MOS单元中的沟道压降，漂移区的压降以及阳极二极管的压降。又因为MCT的电导调制效应较强且缓冲(buffer)层的浓度相对较高，使得漂移区的压降很小且在一定程度上改善了MOS单元中的沟道压降，所以阳极二极管的压降占MCT的正向导通压降主要部分。因此，降低器件阳极二极管的正向导通压降是考虑进一步降低MCT的正向导通压降与关断损耗的关键。
技术实现思路
鉴于上文所述，本专利技术提供一种双极型功率半导体器件及其制造方法，通过在双极型功率半导体器件的阳极结构中引入槽栅控制的MOS结构用以控制阳极沟道反型为载流子提供沟道，从而实现旁路阳极二极管的正向导通压降，减小阳极区向漂移区的电导调制效应，以此降低器件动态开关过程中的正向导通压降，并改善正向导通压降与关断损耗之间的折中关系。本专利技术的技术方案如下：一方面，本专利技术提供MOS控制阳极的IGBT器件，IGBT器件实际上是由BJT双极型三极管和MOS绝缘栅型场效应管组成的双极型功率半导体器件。技术方案一：一种MOS控制阳极的双极型半导体功率器件，包括阳极结构、漂移区结构、阴极结构和控制栅结构；所述阳极结构包括第一导电类型半导体阳极区109和位于第一导电类型半导体阳极区109下表面的阳极金属110；所述漂移区结构包括第二导电类型半导体掺杂漂移区107，所述第二导电类型半导体掺杂漂移区107位于第一导电类型半导体阳极区109的上表面；所述阴极结构位于第二导电类型半导体掺杂漂移区107的顶层，包括第一导电类型半导体体区106，第一导电类型半导体掺杂发射区105、第二导电类型半导体掺杂发射区104和阴极金属101，第一导电类型半导体掺杂发射区105和第二导电类型半导体掺杂发射区104位于第一导电类型半导体体区106的顶层，且二者上表面与阴极金属101相接触；所述控制栅结构包括控制栅电极102和控制栅介质层103，所述控制栅介质层103位于第二导电类型半导体掺杂发射区104、第一导电类型半导体体区106和第二导电类型半导体掺杂漂移区107的上表面，所述控制栅电极102位于控制栅介质层103的上表面并且与阴极金属101相接触；其特征在于：所述MOS控制阳极的双极型半导体功率器件还包括第二导电类型半导体掺杂源极区112和阳极沟槽栅结构；所述阳极结构内部沿器件垂直方本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种MOS控制阳极的双极型半导体功率器件，包括阳极结构、漂移区结构、阴极结构和控制栅结构；所述阳极结构包括第一导电类型半导体阳极区和位于第一导电类型半导体阳极区下表面的阳极金属；所述漂移区结构包括第二导电类型半导体掺杂漂移区，所述第二导电类型半导体掺杂漂移区位于第一导电类型半导体阳极区的上表面；所述阴极结构位于第二导电类型半导体掺杂漂移区的顶层；所述控制栅结构包括控制栅电极和控制栅介质层，所述控制栅介质层位于阴极结构和第二导电类型半导体掺杂漂移区的上表面，所述控制栅电极位于控制栅介质层的上表面并且与上方阴极结构中的阴极金属相接触；其特征在于：所述MOS控制阳极的双极型半导体功率器件还包括第二导电类型半导体掺杂源极区和阳极沟槽栅结构；所述阳极结构内部沿器件垂直方向具有延伸入第二导电类型半导体掺杂漂移区层的沟槽，所述第二导电类型半导体掺杂源极区位于沟槽与第一导电类型半导体阳极区之间，并且所述第二导电类型半导体掺杂源极区的下表面与第一导电类型半导体阳极区的下表面重合，而其上表面低于第一导电类型半导体阳极区的上表面；所述阳极沟槽栅结构包括：阳极沟槽栅电极、第一阳极沟槽栅介质层和第二阳极沟槽栅介质层和绝缘介质层，所述第一阳极沟槽栅介质层和第二阳极沟槽栅介质层位于沟槽内壁，并且第一阳极沟槽栅介质层与第二导电类型半导体掺杂漂移区层相接触，第二阳极沟槽栅介质层与第二导电类型半导体掺杂漂移区层、第一导电类型半导体阳极区和第二导电类型半导体掺杂源极区相接触，所述阳极沟槽栅电极位于沟槽中，且通过绝缘介质层与阳极金属相接触。...

【技术特征摘要】
1.一种MOS控制阳极的双极型半导体功率器件，包括阳极结构、漂移区结构、阴极结构和控制栅结构；所述阳极结构包括第一导电类型半导体阳极区和位于第一导电类型半导体阳极区下表面的阳极金属；所述漂移区结构包括第二导电类型半导体掺杂漂移区，所述第二导电类型半导体掺杂漂移区位于第一导电类型半导体阳极区的上表面；所述阴极结构位于第二导电类型半导体掺杂漂移区的顶层；所述控制栅结构包括控制栅电极和控制栅介质层，所述控制栅介质层位于阴极结构和第二导电类型半导体掺杂漂移区的上表面，所述控制栅电极位于控制栅介质层的上表面并且与上方阴极结构中的阴极金属相接触；其特征在于：所述MOS控制阳极的双极型半导体功率器件还包括第二导电类型半导体掺杂源极区和阳极沟槽栅结构；所述阳极结构内部沿器件垂直方向具有延伸入第二导电类型半导体掺杂漂移区层的沟槽，所述第二导电类型半导体掺杂源极区位于沟槽与第一导电类型半导体阳极区之间，并且所述第二导电类型半导体掺杂源极区的下表面与第一导电类型半导体阳极区的下表面重合，而其上表面低于第一导电类型半导体阳极区的上表面；所述阳极沟槽栅结构包括：阳极沟槽栅电极、第一阳极沟槽栅介质层和第二阳极沟槽栅介质层和绝缘介质层，所述第一阳极沟槽栅介质层和第二阳极沟槽栅介质层位于沟槽内壁，并且第一阳极沟槽栅介质层与第二导电类型半导体掺杂漂移区层相接触，第二阳极沟槽栅介质层与第二导电类型半导体掺杂漂移区层、第一导电类型半导体阳极区和第二导电类型半导体掺杂源极区相接触，所述阳极沟槽栅电极位于沟槽中，且通过绝缘介质层与阳极金属相接触。2.根据权利要求1所述的一种MOS控制阳极的双极型半导体功率器件，其特征在于：所述MOS控制阳极的双极型半导体功率器件还包括第一导电类型半导体掺杂基区，所述第一导电类型半导体掺杂基区位于沟槽与第一导电类型半导体阳极区之间且与第二导电类型半导体掺杂源极区的上表面和侧面相接触。3.一种MOS控制阳极的双极型半导体功率器件，包括阳极结构、漂移区结构、阴极结构和控制栅结构；所述阳极结构包括第一导电类型半导体阳极区和位于第一导电类型半导体阳极区下表面的阳极金属；所述漂移区结构包括第二导电类型半导体掺杂漂移区，所述第二导电类型半导体掺杂漂移区位于第一导电类型半导体阳极区的上表面；所述阴极结构位于第二导电类型半导体掺杂漂移区的顶层；所述控制栅结构包括控制栅电极和控制栅介质层，所述控制栅介质层位于阴极结构和第二导电类型半导体掺杂漂移区的上表面，所述控制栅电极位于控制栅介质层的上表面并且与上方阴极结构中的阴极金属相接触；其特征在于：所述MOS控制阳极的双极型半导体功率器件还包括与阳极金属形成肖特基接触的第一导电类型半导体掺杂基区和阳极沟槽栅结构；所述阳极结构内部具有沿器件垂直方向延伸进入第二导电类型半导体掺杂漂移区层的沟槽，第一导电类型半导体掺杂基区位于沟槽与第一导电类型半导体阳极区之间；所述第一导电类型半导体掺杂基区的掺杂浓度小于第一导电类型半导体阳极区；所述阳极沟槽栅结构包括：阳极沟槽栅电极、第一阳极沟槽栅介质层和第二阳极沟槽栅介质层，所述第一阳极沟槽栅介质层和第二阳极沟槽栅介质层位于沟槽内壁，并且第一阳极沟槽栅介质层与第一导电类型半导体掺杂基区和第二导电类型半导体掺杂缓冲层相接触，所述阳极沟槽栅电极位于沟槽中。4.根据权利要求1至3任一项所述的一种MOS控制阳极的双极型半导体功率器件，其特征在于：所述漂移区结构还包括位于第二导电类型半导体掺杂漂移区下表面的第二导电类型半导体掺杂场阻止层，形成FS漂移区结构。5.根据权利要求1至3任一项所述的一种MOS控制阳极的双极型半导体功率器件，其特征在于：所述MOS控制阳极的双极型半导体功率器件采用半导体材料Si、SiC、GaAs或者GaN材料制作。6.根据权利要求1至3任一项所述的一种MOS控制阳极的双极型半导体功率器件，其特征在于：所述第一导电类型半导体为P型半导体，所述第二导电类型半导体为N型半导体，或者所述第一导电类型半导体为N型半导体，所述第二导电...

【专利技术属性】
技术研发人员：张金平，殷鹏飞，罗君轶，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