一种绝缘栅双极晶体管及其制备方法技术

一种绝缘栅双极晶体管及其制备方法，属于功率半导体技术领域。本发明专利技术通过在传统沟槽型IGBT器件的基区下方引入用以屏蔽漂移区与栅介质层之间电场的埋层并包围栅介质层以及在基区上表面形成肖特基接触金属，在不影响阈值电压等参数的条件下，降低了器件的导通压降，改善了载流子分布，优化了导通压降与关断损耗的折中特性，避免了栅介质层的击穿和高场下的退化，提高了器件的击穿电压和长期工作可靠性。并且本发明专利技术器件的制作工艺与现有工艺兼容性强，操作简单可控，有利于实现大规模生产。

【技术实现步骤摘要】
一种绝缘栅双极晶体管及其制备方法
本专利技术属于功率半导体
，具体涉及一种绝缘栅双极晶体管及其制备方法。
技术介绍
功率半导体器件是电力电子系统中的关键组成部分。随着电力电子技术在多种行业取得了十分重要的应用，功率半导体器件的性能好坏与电能转换效率的高低直接决定了电力电子系统的功耗大小和应用领域的广泛程度。其中绝缘栅场效应晶体管(IGBT)结合了MOSFET器件和BJT器件的优点：输入阻抗高、驱动功率小、导通压降低、开关速度快、电压阻断能力强、热稳定性好。在中、大功率的电力电子设备有十分重要的应用。所以IGBT的导通压降和电压阻断能力显得尤为重要。图1为传统沟槽栅IGBT的半元胞结构示意图。器件在正向导通时，由于基区对漂移区少数载流子的抽取作用，使得漂移区内电导调制效应较弱，正向导通压降较高；并且，由于漂移区内载流子浓度分布不够优化，器件的关断速度慢，在使用中会造成较大的关断损耗，器件的导通压降与关断损耗折中特性较差；同时由于槽栅拐角处的电场集中效应，导致此处栅介质层的电场强度较高，极易造成栅介质层的击穿。因此，提高栅介质层耐压能力，改善载流子分布特性以使其具有更低的导通压降和开关损耗的IGBT是势在必行的，也是本领域技术人员亟待解决的技术问题。目前，硅基功率半导体器件的技术已经接近成熟，研究人员对硅基器件的相关机理也研究得十分深入，硅基的功率PIN二极管、功率双级结型晶体管(BJT)、功率MOSFET和绝缘栅场效应管(IGBT)等多种主要器件的结构的性能均已接近硅材料的理论极限，很难通过对硅基功率器件的结构设计与优化达到性能上的大幅提升。而碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等宽禁带半导体材料，在材料性能上更为优越，能够对功率器件的性能有较大提升。碳化硅材料是目前器件制造工艺最成熟的第三代半导体材料的典型代表，相较与硅材料，它的迁移率、热导率、禁带宽度等材料特性均有较高提升，能够在高温、大功率、抗辐射等领域有广泛的应用。也正是因为碳化硅具有如此优异的特性，使得技术人员在运用以碳化硅为代表的宽禁带半导体材料制作如图1所示的器件的结构时，期望半导体材料能够使器件具有高的临界击穿电场，结合上文可知，随着新一代半导体材料的研究和应用在不断发展，对于沟槽型IGBT的栅介质层可靠性也提出了更高的要求。因此为了促进新一代半导体材料的应用，对功率半导体器件进行改进是十分必要的。
技术实现思路
鉴于现有技术的需求，本专利技术提供一种绝缘栅双极晶体管，通过在传统沟槽型IGBT器件的基区下方引入用以屏蔽漂移区与栅介质层之间电场的埋层并包围栅介质层以及在基区上表面形成肖特基接触金属，在不影响阈值电压的情况下，降低器件的正向导通压降，进一步优化了正向导通压降与关断损耗之间的折中的同时削弱了栅介质层所承受的电场强度，提高了栅介质层的可靠性。此外，本专利技术还提供上述绝缘栅双极晶体管的制备方法，制作工艺与现有工艺兼容性强，操作简单可控，有利于实现大规模生产。本专利技术采用如下技术方案实现：本专利技术提供一种绝缘栅双极晶体管，包括自下而上依次设置的金属化集电极10、第二导电类型半导体集电区9、第一导电类型半导体缓冲层8和第一导电类型半导体漂移区7；第一导电类型半导体漂移区7的顶层设置有沟槽栅结构；沟槽栅结构包括第一栅电极1和设置在第一栅电极1侧壁和底壁的第一栅介质层2；沟槽栅结构的两侧设置有第二导电类型半导体基区6；第二导电类型半导体基区6的顶层设置与沟槽栅结构接触的第一导电类型半导体发射区3；其特征在于：第一导电类型半导体发射区3的上表面设置有第一金属电极4；第二导电类型半导体基区6的上表面设置有第二金属电极5，且第二导电类型半导体基区6与第二金属化电极5形成肖特基接触；第二导电类型半导体基区6的下方设置有第二导电类型半导体埋层一11，第二导电类型半导体埋层一11将第二导电类型半导体基区6和第一导电类型半导体漂移区7分隔且向沟槽栅结构一侧延伸以包裹沟槽栅结构底部拐角；第二导电类型半导体埋层一11的掺杂浓度不大于第二导电类型半导体基区6的掺杂浓度；第一栅电极1连接栅电位，第一金属电极4和第二金属电极5均连接发射极电位，金属化集电极10连接集电极电位。进一步的是，本专利技术中第一导电类型半导体为N型半导体，第二导电类型半导体为P型半导体；或者第一导电类型半导体为P型半导体，第二导电类型半导体为N型半导体。进一步的是，本专利技术中第二导电类型半导体基区6和第二金属化电极5之间还设置有第二导电类型半导体层22，所述第二导电类型半导体层22的掺杂浓度大于第二导电类型半导体基区6的掺杂浓度，并且第二导电类型半导体层22与第二金属电极5形成肖特基接触。进一步的是，本专利技术中第二导电类型半导体基区6和第二导电类型半导体埋层一11之间还设置有第一导电类型半导体阻挡层12，所述第一导电类型半导体阻挡层12的掺杂浓度大于第一导电类型半导体漂移区7的掺杂浓度。进一步的是，本专利技术中第二导电类型半导体基区6的下方还具有与第二导电类型半导体埋层一11并排设置的第二导电类型半导体埋层二13，且第二导电类型半导体埋层二13远离沟槽栅结构一侧设置；第二导电类型半导体埋层二13的掺杂浓度大于第二导电类型半导体埋层一11的掺杂浓度。进一步的是，本专利技术中第二金属化电极5向下延伸形成沟槽型第二金属化电极5，使得第二金属化电极5的侧面和底面均与第二导电类型半导体基区6形成肖特基接触；而设置在沟槽型第二金属化电极5上方的第一金属化电极4与第一导电类型半导体发射区3形成欧姆接触。进一步的是，本专利技术中器件顶层还具有对称设置在第一沟槽栅结构两侧的第二栅电极14以及设置在第二栅电极14侧壁和底壁的第二栅介质层15；所述第二栅电极14通过第二栅介质层15与第二导电类型半导体基区6和第二导电类型半导体埋层一11隔离；第二栅电极14和第二栅介质层15的上表面设置有与第一金属化电极4共接发射极电位的第二金属化电极5。第二金属化电极5也可以向下延伸形成沟槽型第二金属化电极5，使得第二金属化电极5的侧面和底面均与第二导电类型半导体基区6形成肖特基接触；而设置在沟槽型第二金属化电极5上方的第一金属化电极4与第一导电类型半导体发射区3形成欧姆接触。进一步的的是，本专利技术中第二栅电极14的内部还设置有与第二栅电极14掺杂类型相反的第三栅电极16以形成PN结；所述第三栅电极16的上表面设置有第三金属化电极17，第一金属电极4和第三金属化电极17连接发射极电位，第二金属化电极5的电位浮空。进一步的是，本专利技术器件顶层相对第二导电类型半导体埋层一11的另一侧设置有沿器件纵向剖面呈现“L”型延伸至沟槽栅结构底部下方区域的第二导电类型半导体shield层18；所述第二导电类型半导体shield层18的掺杂浓度不小于第二导电类型半导体基区6的掺杂浓度；所述第二导电类型半导体shield层18的深度不小于第二导电类型半导体埋层一11的深度；所述第二导电类型半导体shield层18的电位浮空。进一步的是，本专利技术沟槽栅结构中还设置第四栅电极20，所述第四栅电极20靠近第二导电类型半导体shield层18一侧设置；所述第四栅电极20连接发射极电位，第二导电类型半导体shield层18。进一步的是，第二导电类型半导体shield层18替换为第本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种绝缘栅双极晶体管，包括自下而上依次设置的金属化集电极(10)、第二导电类型半导体集电区(9)、第一导电类型半导体缓冲层(8)和第一导电类型半导体漂移区(7)；第一导电类型半导体漂移区(7)的顶层设置有沟槽栅结构；沟槽栅结构包括第一栅电极(1)和设置在第一栅电极(1)侧壁和底壁的第一栅介质层(2)；沟槽栅结构的两侧设置有第二导电类型半导体基区(6)；第二导电类型半导体基区(6)的顶层设置与沟槽栅结构接触的第一导电类型半导体发射区(3)；其特征在于：第一导电类型半导体发射区(3)的上表面设置有第一金属电极(4)；第二导电类型半导体基区(6)的上表面设置有第二金属电极(5)，且第二导电类型半导体基区(6)与第二金属化电极(5)形成肖特基接触；第二导电类型半导体基区(6)的下方设置有第二导电类型半导体埋层一(11)，第二导电类型半导体埋层一(11)将第二导电类型半导体基区(6)和第一导电类型半导体漂移区(7)分隔且向沟槽栅结构一侧延伸以包裹沟槽栅结构底部拐角；第二导电类型半导体埋层一(11)的掺杂浓度不大于第二导电类型半导体基区(6)的掺杂浓度；第一栅电极(1)连接栅电位，第一金属电极(4)和第二金属电极(5)均连接发射极电位，金属化集电极(10)连接集电极电位。...

【技术特征摘要】
1.一种绝缘栅双极晶体管，包括自下而上依次设置的金属化集电极(10)、第二导电类型半导体集电区(9)、第一导电类型半导体缓冲层(8)和第一导电类型半导体漂移区(7)；第一导电类型半导体漂移区(7)的顶层设置有沟槽栅结构；沟槽栅结构包括第一栅电极(1)和设置在第一栅电极(1)侧壁和底壁的第一栅介质层(2)；沟槽栅结构的两侧设置有第二导电类型半导体基区(6)；第二导电类型半导体基区(6)的顶层设置与沟槽栅结构接触的第一导电类型半导体发射区(3)；其特征在于：第一导电类型半导体发射区(3)的上表面设置有第一金属电极(4)；第二导电类型半导体基区(6)的上表面设置有第二金属电极(5)，且第二导电类型半导体基区(6)与第二金属化电极(5)形成肖特基接触；第二导电类型半导体基区(6)的下方设置有第二导电类型半导体埋层一(11)，第二导电类型半导体埋层一(11)将第二导电类型半导体基区(6)和第一导电类型半导体漂移区(7)分隔且向沟槽栅结构一侧延伸以包裹沟槽栅结构底部拐角；第二导电类型半导体埋层一(11)的掺杂浓度不大于第二导电类型半导体基区(6)的掺杂浓度；第一栅电极(1)连接栅电位，第一金属电极(4)和第二金属电极(5)均连接发射极电位，金属化集电极(10)连接集电极电位。2.根据权利要求1所述的一种绝缘栅双极晶体管，其特征在于：所述第二导电类型半导体基区(6)的下方还具有与第二导电类型半导体埋层一(11)并排设置的第二导电类型半导体埋层二(13)，且第二导电类型半导体埋层二(13)远离沟槽栅结构一侧设置；第二导电类型半导体埋层二(13)的掺杂浓度大于第二导电类型半导体埋层一(11)的掺杂浓度。3.根据权利要求1所述的一种绝缘栅双极晶体管，其特征在于：所述第二金属化电极(5)向下延伸形成沟槽型第二金属化电极(5)，使得第二金属化电极(5)的侧面和底面均与第二导电类型半导体基区(6)形成肖特基接触；而设置在沟槽型第二金属化电极(5)上方的第一金属化电极(4)与第一导电类型半导体发射区(3)形成欧姆接触。4.根据权利要求1所述的一种绝缘栅双极晶体管，其特征在于：本发明中第二栅电极(14)的内部还设置有与第二栅电极(14)掺杂类型相反的第三栅电极(16)以形成PN结；所述第三栅电极(16)的上表面设置有第三金属化电极(17)，第一金属电极(4)和第三金属化电极(17)连接发射极电位，第二金属化电极(5)的电位浮空。5.根据权利要求1所述的一种绝缘栅双极晶体管，其特征在于：所述器件顶层相对第二导电类型半导体埋层一(11)的另一侧设置有沿器件纵向剖面呈现“L”型延伸至沟槽栅结构底部下方区域的第二导电类型半导体shield层(18)；所述第二导电类型半导体shield层...

【专利技术属性】
技术研发人员：张金平，赵阳，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