一种双向IGBT器件及其制造方法技术

一种双向IGBT器件及其制造方法，属于功率半导体器件技术领域。本发明专利技术通过在器件正背面沟槽内栅电极的底部和侧面引入与金属电极等电位的双分裂电极以及双分裂电极和栅电极之间的介质层，在不影响IGBT器件阈值电压和开通的情况下，实现了对称的正、反向特性，提高了双向IGBT器件正、反向的开关速度，降低器件的开关损耗；改善了整个N型漂移区的载流子浓度分布，改善了正向导通压降和开关损耗的折中；减小了器件的饱和电流密度，改善了器件的短路安全工作区，改善了沟槽底部电场的集中，提高了器件的击穿电压，进一步提高了器件的可靠性；本发明专利技术所提出的双向IGBT制作方法不需要增加额外的工艺步骤，与传统双向IGBT的制作方法兼容。

【技术实现步骤摘要】

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)，具体涉及双向沟槽栅绝缘栅双极型晶体管(Bi-directional trench IGBT)。
技术介绍
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，已成为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极为重要的作用。电能变换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。由于传统IGBT只具有单向导通和单向阻断的功能，具有双向导通双向阻断功能的IGBT双向开关是由两组反向并联的IGBT与快恢复二极管的串联结构组合而实现的。这种方案需要大量功率芯片，增加了系统成本。此外，系统内部各芯片间需要大量连线，增强了系统内部的寄生效应，影响系统可靠性。为了解决这一问题，实现产品的集成化，业界通过使用键合技术将两个相同的沟槽MOS结构背对背键合在一起成功地在单一芯片中实现了具有双向导通及双向阻断功能的双向IGBT(Bi-directional IGBT)，如图1所示。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。虽然该结构实现了双向开关的功能，但该结构是一种非穿通型双向IGBT结构。对于非穿通型IGBT结构，为了避免器件阻断时的穿通击穿，不得不采用较厚的漂移区长度，这严重影响了器件的性能。为了解决这一问题，业界进一步提出了如图2所示的双向IGBT结构，该结构在P型基区7和N-漂移区10之间以及P型基区27和N-漂移区10之间对称的采用了一层比N-漂移区10掺杂浓度高的N型
层8和28，在任一方向工作时该双向IGBT均为具有载流子存贮层和电场阻止层的IGBT结构，显著提高了器件的性能。对于图2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N型层8或28的存在使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。但是，对于该双向IGBT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N型层8或28的存在，器件的击穿电压显著降低，为了有效屏蔽作为载流子存贮层的N型层的不利影响获得一定的器件耐压，需要采用：1)深的沟槽栅深度，使沟槽栅的深度大于N型层8或28的结深，但在任一方向工作时深的沟槽栅深度不仅增大了栅极-发射极电容，也增大了栅极-集电极电容，因而，降低了器件的开关速度，增大器件的开关损耗，影响了器件的导通压降和开关损耗的折中特性；2)小的元胞宽度，使沟槽栅之间的间距尽可能减小，然而，在任一方向工作时高密度的沟槽MOS结构不仅增大了器件的栅极电容，降低了器件的开关速度，增大了器件的开关损耗，影响了器件的导通压降和开关损耗的折中特性，而且，高密度的沟槽MOS结构增加了器件的饱和电流密度，使器件的短路安全工作区变差。此外，对于如图1和2所示的双向IGBT结构，栅氧化层是通过一次热氧化在沟槽中形成，为了保证一定的阈值电压整个栅氧化层的厚度均较小，由于MOS电容大小与氧化层的厚度成反比，传统双向IGBT结构中小的栅氧化层厚度极大的增大了器件的栅极电容。另外，小的栅氧化层厚度使沟槽底部的电场集中，使器件的可靠性较差。
技术实现思路
本专利技术针对现有双向IGBT器件存在的上述技术问题，为了在一定的器件沟槽深度和沟槽MOS结构密度的情况下，在双向IGBT器件任一方向工作时，减小器件的栅极电容，特别是栅极-集电极电容，提高器件的开关速度，减小开关损耗，同时减小器件的饱和电流密度改善器件的短路安全工作区并提高器件的击穿电压，并进一步提高器件发射极端的载流子增强效应，改善整个N型漂移区的载流子浓度分布，进一步改善正向导通压降和开关损耗的折中，在传统双向IGBT器件结构的基础上(如图1和2所示)，本专利技术提供一种双向IGBT器件(如图3所示)及其制作方法。为了简化描述，下面仅以n沟道双向IGBT器件为例来说明，但本专利技术同样适用于p沟道双向IGBT器件。本专利技术的技术方案是：一种双向IGBT器件，元胞结构如图3所示，包括两个对称设置于N型漂移区10正反两面的N沟道MOS结构；所述正面MOS结构包括正面金属电极1、正面介质层2、正面N+发射区5、正面P+发射区6、正面P型基区71、正面N型层8和正面沟槽栅
结构；所述背面MOS结构包括背面金属电极21、背面第一介质层22、背面N+发射区25、背面P+发射区26、背面P型基区271、背面N型层28和背面沟槽栅结构；其特征在于，所述正面沟槽栅结构沿器件垂直方向贯穿正面N型层8；所述正面P型基区71位于正面沟槽栅结构一侧的正面N型层8上表面，正面N+发射区5和正面P+发射区6并列位于正面P型基区71上表面，其中正面N+发射区5与正面沟槽栅结构连接；正面N+发射区5和正面P+发射区6的上表面与正面金属电极1连接；所述正面沟槽栅结构包括正面底部分裂电极31、正面栅电极32、正面侧分裂电极33、正面栅介质层41、正面第二介质层42、正面第三介质层43、正面第四介质层44、正面第五介质层45；所述正面栅电极32和正面侧面分裂电极33之间通过正面第三介质层43连接；所述正面栅电极32通过正面栅介质层41与正面N+发射区5和正面P型基区71连接；所述正面MOS结构中还具有正面浮空P型基区72，所述正面浮空P型基区72位于正面沟槽栅结构另一侧的正面N型层8上表面；正面侧分裂电极33通过正面第二介质层42与正面浮空P型基区72连接；所述正面底部分裂电极31位于正面栅电极32和正面侧分裂电极33的下方，且正面底部分裂电极31的上表面深度小于正面N型层8的结深，正面底部分裂电极31的下表面深度大于正面N型层8的结深；所述正面底部分裂电极31的上表面与正面栅电极32、正面侧分裂电极33的下表面之间通过正面第四介质层44连接；所述正面底部分裂电极31的下表面及侧面与N型漂移区10和正面N型层8之间通过正面第五介质层45连接；所述正面浮空P型基区72、正面第二介质层42、正面侧分裂电极33、正面第三介质层43、正面栅电极32和正面栅介质层41的上表本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双向IGBT器件，包括两个对称设置于N型漂移区(10)正反两面的N沟道MOS结构；所述正面MOS结构包括正面金属电极(1)、正面介质层(2)、正面N+发射区(5)、正面P+发射区(6)、正面P型基区(71)、正面N型层(8)和正面沟槽栅结构；所述背面MOS结构包括背面金属电极(21)、背面介质层(22)、背面N+发射区(25)、背面P+发射区(26)、背面P型基区(271)、背面N型层28和背面沟槽栅结构；其特征在于，所述正面沟槽栅结构沿器件垂直方向贯穿正面N型层(8)；所述正面P型基区(71)位于正面沟槽栅结构一侧的正面N型层(8)上表面，正面N+发射区(5)和正面P+发射区(6)并列位于正面P型基区(71)上表面，其中正面N+发射区(5)与正面沟槽栅结构连接；正面N+发射区(5)和正面P+发射区(6)的上表面与正面金属电极(1)连接；所述正面沟槽栅结构包括正面底部分裂电极(31)、正面栅电极(32)、正面侧分裂电极(33)、正面栅介质层(41)、正面第二介质层(42)、正面第三介质层(43)、正面第四介质层44、正面第五介质层(45)；所述正面栅电极(32)和正面侧面分裂电极(33)之间通过正面第三介质层(43)连接；所述正面栅电极(32)通过正面栅介质层(41)与正面N+发射区(5)和正面P型基区(71)连接；所述正面MOS结构中还具有正面浮空P型基区(72)，所述正面浮空P型基区(72)位于正面沟槽栅结构另一侧的正面N型层(8)上表面；正面侧分裂电极(33)通过正面第二介质层(42)与正面浮空P型基区(72)连接；所述正面底部分裂电极(31)位于正面栅电极(32)和正面侧分裂电极(33)的下方，且正面底部分裂电极(31)的上表面深度小于正面N型层(8)的结深，正面底部分裂电极(31)的下表面深度大于正面N型层(8)的结深；所述正面底部分裂电极(31)的上表面与正面栅电极(32)、正面侧分裂电极(33)的下表面之间通过正面第四介质层(44)连接；所述正面底部分裂电极(31)的下表面及侧面与N型漂移区(10)和正面N型层(8)之间通过正面第五介质层(45)连接；所述正面浮空P型基区(72)、正面第二介质层(42)、正面侧分裂电极(33)、正面第三介质层(43)、正面栅电极(32)和正面栅介质层(41)的上表面与正面第一介质层(2)连接；所述正面底部分裂电极(31)、正面侧分裂电极(33)与正面金属电极(1)等电位；所述背面沟槽栅结构包括背面底部分裂电极(231)、背面栅电极(232)、背面侧分裂电极(233)、背面栅介质层(241)、背面第二介质层(242)、背面第三介质层(243)、背面第四介质层(244)、背面第五介质层(245)；所述背面MOS结构中还具有背面浮空P型基区(272)；所述背面MOS结构与正面MOS结构沿器件N型漂移区(10)的横向中线上下对称设置。...

【技术特征摘要】
1.一种双向IGBT器件，包括两个对称设置于N型漂移区(10)正反两面的N沟道MOS结构；所述正面MOS结构包括正面金属电极(1)、正面介质层(2)、正面N+发射区(5)、正面P+发射区(6)、正面P型基区(71)、正面N型层(8)和正面沟槽栅结构；所述背面MOS结构包括背面金属电极(21)、背面介质层(22)、背面N+发射区(25)、背面P+发射区(26)、背面P型基区(271)、背面N型层28和背面沟槽栅结构；其特征在于，所述正面沟槽栅结构沿器件垂直方向贯穿正面N型层(8)；所述正面P型基区(71)位于正面沟槽栅结构一侧的正面N型层(8)上表面，正面N+发射区(5)和正面P+发射区(6)并列位于正面P型基区(71)上表面，其中正面N+发射区(5)与正面沟槽栅结构连接；正面N+发射区(5)和正面P+发射区(6)的上表面与正面金属电极(1)连接；所述正面沟槽栅结构包括正面底部分裂电极(31)、正面栅电极(32)、正面侧分裂电极(33)、正面栅介质层(41)、正面第二介质层(42)、正面第三介质层(43)、正面第四介质层44、正面第五介质层(45)；所述正面栅电极(32)和正面侧面分裂电极(33)之间通过正面第三介质层(43)连接；所述正面栅电极(32)通过正面栅介质层(41)与正面N+发射区(5)和正面P型基区(71)连接；所述正面MOS结构中还具有正面浮空P型基区(72)，所述正面浮空P型基区(72)位于正面沟槽栅结构另一侧的正面N型层(8)上表面；正面侧分裂电极(33)通过正面第二介质层(42)与正面浮空P型基区(72)连接；所述正面底部分裂电极(31)位于正面栅电极(32)和正面侧分裂电极(33)的下方，且正面底部分裂电极(31)的上表面深度小于正面N型层(8)的结深，正面底部分裂电极(31)的下表面深度大于正面N型层(8)的结深；所述正面底部分裂电极(31)的上表面与正面栅电极(32)、正面侧分裂电极(33)的下表面之间通过正面第四介质层(44)连接；所述正面底部分裂电极(31)的下表面及侧面与N型漂移区(10)和正面N型层(8)之间通过正面第五介质层(45)连接；所述正面浮空P型基区(72)、正面第二介质层(42)、正面侧分裂电极(33)、正面第三介质层(43)、正面栅电极(32)和正面栅介质层(41)的上表面与正面第一介质层(2)连接；所述正面底部分裂电极(31)、正面侧分裂电极(33)与正面金属电极(1)等电位；所述背面沟槽栅结构包括背面底部分裂电极(231)、背面栅电极(232)、背面侧分裂电极(233)、背面栅介质层(241)、背面第二介质层(242)、背面第三介质层(243)、背面第四介质层(244)、背面第五介质层(245)；所述背面MOS结构中还具有背面浮空P型基区(272)；所述背面MOS结构与正面MOS结构沿器件N型漂移区(10)的横向中线上下对称设置。2.根据权利要求1所述的一种双向IGBT器件，其特征在于，所述正面底部分裂电极(31)的宽度大于正面第二介质层(42)、正面侧分裂电极(33)、正面第三介质层(43)、正面栅电
\t极(32)和正面栅介质层(41)的宽度之和，使正面沟槽栅结构呈倒“T”字形；所述背面MOS结构与正面MOS结构沿N型漂移区(10)的横向中线上下对称设置。3.根据权利要求2所述的一种双向IGBT器件，其特征在于，所述正面沟槽栅结构的两侧还具有正面N+层(9)，所述正面N+层(9)的一侧与正面N型层(8)连接，N+层(9)的另一侧及底部与正面沟槽栅结构连接，正面沟槽栅结构一侧的N+层(9)的上表面与浮空P型基区(72)的下表面连接，正面沟槽栅结构另一侧的N+层(9)的上表面与P型基区(71)的下表面连接；所述背面沟槽栅结构的两侧还具有背面N+层(29)，所述背面MOS结构与正面MOS结构沿器件N型漂移区(10)的横向中线上下对称设置。4.根据权利要求1、2和3任意一项所述的一种双向IGBT器件，其特征在于，所述正面浮空P型基区(72)沿器件垂直方向向下延伸至其结深深于正面第五介质层(45)的结深，正面浮空P型基区(72)向下延伸的部分覆盖位于正面浮空P型基区(7...

【专利技术属性】
技术研发人员：张金平，刘竞秀，李泽宏，任敏，张波，李肇基，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51