具有自适应性的场截止电流控制型功率器件制造技术

本发明专利技术涉及半导体器件领域，具体为具有自适应性的场截止电流控制型功率器件，包括金属导电层，金属导电层的一侧设置有衬底或衬底外延层，衬底或衬底外延层上设置有多个沟槽，衬底或衬底外延层的一侧设置有电流控制型功率器件的正面结构，沟槽一侧的金属导电层上设置有电位V端；金属导电层与衬底或衬底外延层之间还有背面重掺杂区，各沟槽内设置有沟槽导电填充物，在沟槽侧壁和沟槽底部设置有绝缘层，各沟槽之间形成感应电荷浓度增强区。本发明专利技术在传统电流控制型器件中引入了场截止技术，解决了在更薄的芯片上实现更高耐压的问题。通过器件结构设计来实现场截止，摆脱了现有技术所固有的扩散深度有限、高温过程影响器件其他结构及工艺受限等缺点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体器件领域，具体为具有自适应性的场截止电流控制型功率器件。
技术介绍
门极可关断晶闸管(Gate Turn-Off Thyristor, GT0)亦称为门控可控娃，是电流控制型功率器件的一种，其保持了传统可控硅耐压高、电流大的优点，且具有自关断能力，使用方便，是理想的高压、大电流开关器件，可以组成大功率的逆变器、断路器、相位控制器及各种开关型电路。双极结型晶体管(BipolarJunct1n Transistor, BJT)与 GTO—样，也是一种电流控制型功率器件，具有体积小、重量轻、耗电少、寿命长、可靠性高的优点，广泛用于广播、电视、通信、雷达、计算机、自控装置、电子仪器、家用电器等领域，起放大、振荡、开关等作用。开关损耗和通态压降是功率器件的两个重要指标，芯片厚度是实现开关损耗小、通态压降低的重要参数。减小芯片厚度，可降低开关损耗及通态压降，但同时器件所能承受的电压也随之降低，这不符合大功率器件的应用要求。现有专利如专利申请号为CN201320048821.3，申请日为2013-01-30，名称为“一种具有场截止结构的IGBT”的技术专利，其技术方案如下:本技术涉及一种具有场截止结构的IGBT，包括背面金属层、P+集电极区、N-漂移区、P阱区、第一 N+发射极区、第二 N+发射极区、栅氧层、绝缘层、电极；第一 N+发射极区、第二 N+发射极区设置在P阱区内且相互隔开；电极的左侧设有栅氧层和绝缘层结构，电极的右侧也设有栅氧层和绝缘层结构，绝缘层将栅氧层与电极隔开；左侧的栅氧层与N-漂移区、P阱区、第一 N+发射极区的部分相连；右侧的栅氧层与N-漂移区、P阱区、第二 N+发射极区的部分相连；栅氧层与绝缘层之间设有多晶硅层；P+集电极区设有沟槽，沟槽内填设有二氧化硅；所述P+集电极区与N-漂移区之间设有N+缓冲区。上述对比文件虽然在器件背面引入了沟槽，但其沟槽是设置在P+集电区中的，该沟槽并没有场截止功能，只是形成了一种新的集电极区结构，文中所述的设置在P+集电极区与N —漂移区之间的N+缓冲区才是场截止层，该场截止层仍是采用传统的掺杂方法实现的。
技术实现思路
针对上述问题，为了在更薄的芯片上实现更高的耐压，本专利技术引入了采用沟槽场效应实现的自适应场截止技术，提出了一种具体为具有自适应性的场截止电流控制型功率器件。本专利技术的具体方案如下:具有自适应性的场截止电流控制型功率器件，其特征在于:包括金属导电层，所述金属导电层的一侧设置有衬底或衬底外延层，这里的衬底或衬底外延层是二者择一的关系，根据器件结构与相应的工艺，可以是衬底，也可以是衬底外延层。衬底指的是直接购买的衬底基片，如单晶硅，衬底外延层指的是在购买的衬底基片上通过外延法生长的一层单晶薄膜。以PNPN型GTO为例，如图1，使用N型衬底，在正面通过扩散形成P基区与N发射极，即阴极，在背面通过扩散形成P发射极，即阳极，此时则为衬底。以NPN型的BJT为例，如图2，使用N型衬底，在其上外延生长出N-集电区、P基区和N+发射区来制作BJT，此时则为衬底外延层。所述衬底或衬底外延层上设置有多个沟槽，所述衬底或衬底外延层的一侧设置有电流控制型功率器件的正面结构，沟槽一侧的金属导电层上设置有电位V端；所述金属导电层与衬底或衬底外延层之间还有背面重掺杂区，各沟槽内设置有沟槽导电填充物，在沟槽侧壁和沟槽底部设置有绝缘层，利用沟槽将器件背面电势引入器件内部，在沟槽之间形成相互连接的感应电荷浓度增强区。各感应电荷浓度增强区的宽度分别为al、a2、…、an，其中η代表感应电荷浓度增强区104的数量。所述电流控制型功率器件的正面结构包括GTO、BJT、PN型二级管或肖特基二极管。所述电位V端为背面电极。所述衬底或衬底外延层包括硅、碳化硅、氮化镓、砷化镓或金刚石，所述衬底或衬底外延层的导电类型为P型或者N型。所述金属导电层包括多晶硅、铝、银、铜、钛、镍、钼、金或其合金。这里的合金具体是指以上述材料为基的合金。所述沟槽导电填充物包括多晶硅、铝、银、铜、钛、镍、钼、金或其合金。这里的合金具体是指以上述材料为基的合金。所述绝缘层包括氧化硅、氮化硅、氧化钽或氧化锆。所述衬底或衬底外延层为N型的GT0，背面重掺杂区为P型掺杂；所述衬底或衬底外延层为P型的GT0，背面重掺杂区为N型掺杂；所述衬底或衬底外延层为N型的BJT，背面重掺杂区为N型掺杂；所述衬底或衬底外延层为P型的BJT，背面重掺杂区为P型掺杂。各感应电荷浓度增强区的宽度全部相同、部分相同或全部不同。各沟槽之间的间距即为感应电荷浓度增强区的宽度。所述沟槽的截面为梯形或矩形，沟槽底部为直线或弧线，沟槽开口宽度为0.5um_3um，沟槽底部宽度为0.5um_3um，沟槽间隔为0.5um_l.5um，沟槽深度为2um_20um。本专利技术的优点在于: 1、本专利技术在传统电流控制型器件中引入了场截止技术，解决了在更薄的芯片上实现更高耐压的问题。本专利技术引入的场截止技术是一种全新的机制，不同于常规场截止技术，其通过器件结构设计来实现场截止，彻底摆脱了现有技术掺杂方法所固有的扩散深度有限、高温过程影响器件其他结构以及工艺受限等缺点。本专利技术中所述器件的场截止功能是通过沟槽的场效应来实现的，因此该效应具有随电场增强而增强的自适应特性。2、若以对比文件中的IGBT器件结构为例，本专利中所述的在器件背面引入沟槽，所述沟槽是从P+集电区深入到N—漂移区内的，沟槽之间形成的感应电荷浓度增强区替代了对比文件中的N+缓冲区，成为场截止层发挥场截止作用，因此不需要像对比文件那样采用掺杂方法去形成场截止层(即所谓的N+缓冲区)，彻底摆脱了现有技术掺杂方法所固有的扩散深度有限、高温过程影响器件其他结构以及工艺受限等缺点。【附图说明】图1为实施例6的结构图，具有自适应场截止层的PNPN型GT0。图1中C端称为阴极，G端称为门极。图2为实施例7的结构图，具有自适应场截止层的NPN型BJT。图2中E端称为发射极，B端称为基极。图3为场截止层中沟槽截面形貌示意图。图4为场截止层中沟槽之间的载流子浓度分布示意图。图5为不带场截止层的常规GTO结构图。图6为本专利技术所述场截止技术的场截止效果示意图。图7为实施例8的结构图，具有自适应场截止层的PN结。图8为实施例9的结构图，具有自适应场截止层的NPNP型GT0。附图中:100是衬底或衬底外延层，101是金属导电层，102是沟槽导电填充物，103是绝缘层，104是感应电荷浓度增强区，105是电流控制型功率器件的正面结构，106是背面重掺杂区，1031是沟槽底部。【具体实施方式】实施例1 具有自适应性的场截止电流控制型功率器件包括金属导电层101，所述金属导电层101的一侧设置有衬底或衬底外延层100，这里的衬底或衬底外延层100是二者择一的关系，根据器件结构与相应的工艺，可以是衬底，也可以是衬底外延层。衬底指的是直接购买的衬底基片，如单晶硅，衬底外延层指的是在购买的衬底基片上通过外延法生长的一层单晶薄膜。以PNPN型GTO为例，如图1，使用N型衬底，在正面通过扩散形成P基区与N发射极，即阴极，在背面通过扩散形成P发射极，即阳极，此时标号100实际则为衬底。以NPN型的BJT为例，如图2，本文档来自技高网...

【技术保护点】
具有自适应性的场截止电流控制型功率器件，其特征在于：包括金属导电层（101），所述金属导电层（101）的一侧设置有衬底或衬底外延层（100），所述衬底或衬底外延层（100）上设置有多个沟槽，所述衬底或衬底外延层（100）的一侧设置有电流控制型功率器件的正面结构（105），沟槽一侧的金属导电层（101）上设置有电位V端；所述金属导电层（101）与衬底或衬底外延层（100）之间还有背面重掺杂区（106），各沟槽内设置有沟槽导电填充物（102），在沟槽侧壁和沟槽底部（1031）设置有绝缘层（103）；利用沟槽将器件背面电势引入器件内部，在沟槽之间形成相互连接的感应电荷浓度增强区（104）。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：胡强，蒋兴莉，孔梓玮，王思亮，张世勇，
申请(专利权)人：中国东方电气集团有限公司，
类型：发明
国别省市：四川;51