碳化硅单栅极双沟道晶闸管输运IGBT及制造方法技术

本发明专利技术是一种碳化硅单栅极双沟道晶闸管输运IGBT及制造方法，设计为芯片正面沟槽PNP基区三层结构，芯片背面为NPN集电极的晶闸管导电绝缘栅双极晶体管(TC

【技术实现步骤摘要】
碳化硅单栅极双沟道晶闸管输运IGBT及制造方法


[0001]本专利技术涉及一种半导体领域，特别涉及一种碳化硅单栅极双沟道晶闸管输运IGBT结构及其制造方法。

技术介绍

[0002]绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是一种MOS场效应和双极型晶体管复合的新型电力电子器件。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，因而广泛应用在能源转换、机车牵引、工业变频、汽车电子和消费电子等领域，是电力电子领域重要核心器件之一。
[0003]由于IGBT在电能系统中具有超常特性，对IGBT期间的结构和工作原理研究如火如荼，对IGBT的结构和性能优化层出不穷。现有技术在600V/1200V的IGBT结构主要是采用PT型(Punch Through，穿通型)和NPT(Non-Punch Through，非穿通型)结构。PT型IGBT以数十微米厚的P+单晶为起始材料(衬底)，之后外延N+缓冲层和N-耐压层，复杂的正面结构在外延层上制造。NPT型IGBT采用N-型单晶为起始材料，正面复杂的结构直接制造在单晶衬底上，正面结构完成后从衬底背面采用研磨，腐蚀的方法减薄到耐压所需的厚度，之后通过离子注入形成P+集电区。
[0004]PT型IGBT和NPT型IGBT后，不断发展升级完善，提出了一种可以有效降低产品的导通压降和应用温度的FS型(Field Stop，场中止型)IGBT的结构，但FS型IGBT会延长关断时间并增加关断损耗，制约了器件性能。
[0005]或一种CS型(Carrier Stored，载流子存放型)IGBT的结构，其主要技术是在p型阱和n型漂移层之间有一个附加的n型载流子储存层作为阻挡层以提高电导率调制效果，n型载流子储存层通过提高电子的横向扩散以及为空穴提供一个势垒来提高电导调制。然而这时P-base/CS层的结附近的电场集中极大的影响了器件的击穿电压，尤其是当CS层的浓度增大时，影响更加明显，制约了器件性能。

技术实现思路

[0006]为了解决现有技术的问题，本专利技术提供了一种碳化硅单栅极双沟道晶闸管输运IGBT结构，其目的在于，利用增加基区浮置层结构来产生较小的共基电流增益，因此能够阻断断态电压，并产生较小的漏电流。
[0007]本专利技术提供了一种碳化硅单栅极双沟道晶闸管输运IGBT结构，另一目的在于，利用NPN集电极提供较低的关断损耗和关断下降时间。
[0008]本申请的目的及解决其技术问题，是采用以下技术方案来实现的。一种碳化硅单栅极双沟道晶闸管输运IGBT，其元胞结构由下至上为：P型的集电层、N型的电场阻止层、N型的漂移区，所述漂移区内部设有沟槽栅，沟槽栅间设有与所述漂移区的顶部平面相接触的P型的基区，与所述基区至少有部分接触的N型的发射区。在所述漂移区和所述基区的界面处形成有N型的载流子储存层，及在所述载流子储存层的下方设有P型的基区浮置层，所述载
流子存储区的掺杂浓度高于所述漂移区的掺杂浓度；且在所述P型的集电层内设有N型集电区，所述电场阻止层、集电层与N型集电区形成一NPN集电极。
[0009]作为优选方式，所述P型的集电层与所述N型集电极的下方表面设有集电极金属层。所述元胞结构上方表面设有发射极金属层，且所述基区中至少一个P型区域与所述发射极金属层直接接触，用以形成欧姆接触。
[0010]作为优选方式，所述P型区域位于P型的基区上表面，且所述P型区域位于所述发射区之间。所述载流子储存层及基区浮置层设于所述沟槽栅间。
[0011]作为优选方式，所述载流子储存层及基区浮置层设计成更高的掺杂和宽度，用以减少关断下降时间和关断损耗。
[0012]作为优选方式，所述载流子储存层掺杂方式为扩散或者离子注入工艺，所述基区浮置层的工艺过程采用扩散或者离子注入工艺，所述集电层内的N型集电区的工艺过程采用离子注入工艺或外延制造而成。
[0013]本专利技术还提供了一种碳化硅单栅极双沟道晶闸管输运IGBT的制造方法，所述制造方法用于制造如权利要求1至5任一项所述碳化硅单栅极双沟道晶闸管输运IGBT器件。
[0014]本专利技术提供了一种碳化硅单栅极双沟道晶闸管输运IGBT，整体结构利用N型载流子储存层和基区浮置层的加入，形成P型集电极/N型漂移区/P型基区浮置层/N型载流子储存层晶闸管，及在P型的集电层内设有N型集电区，使所述N型电场阻止层、P型集电层与N型集电区形成一NPN集电极。
[0015]本案结构形成一种正面基区结构为PNP三层结构和背面为NPN集电极的晶闸管导电绝缘栅双极晶体管(Thyristor Conduction Insulated Gate Bipolar Transistor,TC-IGBT)，寄生的P型集电层/N型漂移区/P型基区浮置层/N型载流子层晶闸管由双通道栅极激活，并且PNP基极起到空穴阻挡层的作用，以增加顶部的空穴浓度，NPN集电极用于从漂移区提取电子，以降低底侧的空穴浓度。这两个效应形成线性和下降的孔浓度分布轮廓，使TC-IGBT中的PNP基极和NPN集电极提供了更低的关断损耗和关断下降时间。
附图说明
[0016]图1为本专利技术碳化硅单栅极双沟道晶闸管输运IGBT结构的截面示意图；
[0017]图2为本专利技术碳化硅单栅极双沟道晶闸管输运IGBT结构的等效电路示意图；
[0018]图3为本专利技术與習知结构内的载流子分布曲线。符号说明
[0019]集电层11，N型集电区111，电场阻止层12，漂移区13，基区浮置层14，载流子储存层15，基区16，P型区域17，发射区18，沟槽栅19，栅介质层191，集电极金属层21，发射极金属层22，线性100、200，门极G，发射极E，集电极C。
具体实施方式
[0020]为了使本
的人员更好地理解本专利技术方案，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本专利技术保护的范
围。
[0021]需要说明的是，在本专利技术的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或组件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。
[0022]应用上，实施例的元胞结构的制成于宽禁带半导体材料上，如碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、H碳化硅(HSiC)、氮化铝(AlN)以及氮化镓铝(ALGaN)等宽禁带半导体。宽禁带半导体材料具有禁带宽度大、击穿电场强度高、饱和电子漂移速度高、热导率大、介电常数小、抗辐射能力强以及良好的化学稳定性等特点，非常适合于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件。本实施例以材料为宽禁带半导体本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳化硅单栅极双沟道晶闸管输运IGBT，其元胞结构由下至上为：P型的集电层、N型的电场阻止层、N型的漂移区，所述漂移区内部设有沟槽栅，沟槽栅间设有与所述漂移区的顶部平面相接触的P型的基区，与所述基区至少有部分接触的N型的发射区，其特征在于：在所述漂移区和所述基区的界面处形成有N型的载流子储存层，及在所述载流子储存层的下方设有P型的基区浮置层，所述载流子存储区的掺杂浓度高于所述漂移区的掺杂浓度；且在所述P型的集电层内设有N型集电区，所述电场阻止层、集电层与N型集电区形成一NPN集电极。2.据权利要求1所述的碳化硅单栅极双沟道晶闸管输运IGBT，其特征在于，所述P型的集电层与所述N型集电极的下方表面设有集电极金属层。3.据权利要求1所述的碳化硅单栅极双沟道晶闸管输运IGBT，其特征在于，所述元胞结构上方表面设有发射极金属层，且所述基区中至少一个P型区域与所述发射极金属层直接接触，用以形成欧姆接触。4.据权利要求3所述的碳化硅单栅极双沟道晶闸管输运IGBT，其特征在于，所述P型区...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋梦轩，潘惠龙，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：