绝缘栅双极晶体管及其制造方法技术

公开了一种绝缘栅双极晶体管及其制造方法，绝缘栅双极晶体管包括半导体层，具有相对的第一表面以及第二表面；自第二表面向第一表面的延伸方向上依次堆叠的P型集电区、N型场截止层、N型漂移区、P型基区以及发射区，发射区包括P型发射区与N型发射区；多个沟槽，沿半导体层的厚度方向延伸，绝缘栅双极晶体管包括电流引导区和电流扩展区，电流扩展区中沟槽的底部周围设置有P型掺杂区，以及P型掺杂区与所述P型基区之间被沟槽隔断的N型掺杂区。本发明专利技术可以减小绝缘栅双极晶体管中沟槽底部的电位抬升所产生的栅位移电流，从而有效增强栅驱动电阻对绝缘栅双极晶体管dv/dt的控制能力，降低EMI噪声，提高器件的鲁棒性。提高器件的鲁棒性。提高器件的鲁棒性。

【技术实现步骤摘要】
绝缘栅双极晶体管及其制造方法


[0001]本专利技术涉及半导体制造
，特别涉及一种绝缘栅双极晶体管及其制造方法。

技术介绍

[0002]功率半导体器件亦称为电力电子器件，包括功率二极管、晶闸管、场效应晶体管(Field
‑
Effect Transistor，FET)以及IGBT(Insulated gate bipolar transistor，绝缘栅双极晶体管)等。
[0003]IGBT是由双极型三极管(Bipolar Junction Transistor，BJT)和金属氧化物场效应晶体管(Metal
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Oxide
‑
Semiconductor Field
‑
Effect Transistor，MOSFET)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET器件的高输入阻抗和BJT器件的低导通压降两方面的优点。由于IGBT具有驱动功率小而饱和压降低等优点，因此作为一种新型的电力电子器件被广泛应用到各个领域，例如，在开关电源、整流器、逆变器、UPS等领域IGBT均有着广泛的应用。
[0004]IGBT表面元胞栅极结构从平面栅向沟槽栅进行发展；纵向垂直掺杂结构也由PT型(穿通型)到NPT型(非穿通型)再到FS(场截止型)型进行演变。其中，沟槽栅型FS
‑
IGBT器件结构通过刻蚀形成沟槽栅替代了之前的平面栅结构，当正向导通时，其消除了平面型IGBT结构电流导通路径上的JFET区电阻，从而大大降低了正向饱和压降，降低了IGBT器件的导通损耗。此外，场截止层(FS层)的引入使得沟槽栅型FS
‑
IGBT在同样的正向阻断电压下，其可以获得更薄的漂移区，大大降低了漂移区电阻，从而降低了器件的导通损耗和提高了器件的开关速度，改善了正向饱和压降与开关损耗的折中关系。
[0005]此后，在沟槽栅型FS
‑
IGBT结构的基础上，在IGBT的正面引入了一层载流子存储层，其主要是充当空穴势垒的作用，在正向导通时可以增加发射极一侧的载流子数目，调节载流子分布，增强漂移区内部的电导调制效应，进而降低器件的正向饱和压降，改善了器件正向饱和压降与开关损耗之间的折中关系，并且载流子存储层浓度越高，改善性能越显著，此结构称为沟槽栅电荷存储型绝缘栅双极晶体管。然而，随着载流子存储层浓度的不断提高，在正向阻断模式下，会增强栅氧化层体内的电场强度以及P型半导体基区与N型半导体漂移区形成的反偏PN结的最大电场强度，从而降低了器件的击穿电压，削弱了器件的阻断特性，此外，高浓度的载流子存储层虽然会增强器件的电导调制效应，降低饱和压降，但是也会提高沟槽底部的空穴积累，由此带来的栅位移电流会削弱栅极驱动电阻开启时对器件dv/dt的控制能力。
[0006]近些年来，随着工艺加工能力的不断提升，沟槽栅型IGBT器件的元胞尺寸(pitch)越来越小，最小尺寸现在可以做到1.2um左右。元胞尺寸越小，沟槽密度就越大，高密度的沟槽能够实现在没有载流子存储层的情况下也能维持较强的电导调制效应，从而确保在器件阻断特性不被削弱的前提下同时降低器件的饱和压降，改善饱和压降与关断损耗之间的折中关系。然而，在开启过程中，高密度的沟槽同样会提高其沟槽底部的空穴积累，大量的空
穴积累会急剧提升沟槽底部的电位，其产生的栅位移电流会大幅度削弱栅极驱动电阻开启时对器件dv/dt的控制能力，因此会带来EMI噪声等器件鲁棒性问题。

技术实现思路

[0007]鉴于上述问题，本专利技术的目的在于提供一种绝缘栅双极晶体管及其制造方法，通过电流扩展区的空穴分流作用有效降低电流引导区中沟槽底部的电位抬升幅度，减小其导致的栅位移电流，进而增强器件dv/dt的控制能力，提高器件的鲁棒性。
[0008]根据本专利技术的第一方面，提供一种绝缘栅双极晶体管，包括：半导体层，具有相对的第一表面以及第二表面，所述第一表面和所述第二表面平行于由相互垂直的第一方向和第二方向界定的平面；所述半导体层包括自第二表面向第一表面的延伸方向上依次堆叠的P型集电区、N型场截止层、N型漂移区、P型基区以及发射区，所述发射区包括P型发射区与N型发射区，所述P型发射区与所述N型发射区相邻；多个沟槽，位于所述半导体层内，沿所述半导体层的厚度方向延伸，所述厚度方向为自所述第一表面向所述第二表面的延伸方向，所述厚度方向均与所述第一方向和所述第二方向垂直；栅极结构，位于所述多个沟槽中，所述栅极结构包括栅介质层和栅多晶；栅极，与所述栅多晶电连接；发射极，与所述发射区电连接；集电极，与所述P型集电区电连接；其中，所述绝缘栅双极晶体管包括电流引导区和电流扩展区，所述电流扩展区中沟槽的底部周围设置有P型掺杂区；以及所述P型掺杂区与所述P型基区之间被沟槽隔断的N型掺杂区；
[0009]所述绝缘栅双极晶体管的栅极接高电位，当所述高电位大于绝缘栅双极晶体管的阈值电压时，所述电流引导区的电子从所述N型发射区经所述N型漂移区流至所述P型集电区，所述电流引导区的空穴从所述P型集电区经所述N型漂移区流至所述P型发射区，大量电子
‑
空穴在所述N型漂移区内复合，形成电流引导区电流，所述电流引导区导通，所述电流引导区中还存在部分没有与所述电流引导区的电子复合完的空穴流至所述电流扩展区的P型掺杂区，随着流经所述电流扩展区的P型掺杂区的空穴电流不断增加，所述电流扩展区逐渐导通，从而所述绝缘栅双极晶体管完全导通。
[0010]优选地，所述电流引导区中沟槽的底部周围不设置P型掺杂区。
[0011]优选地，所述电流引导区包括：
[0012]第一场效应晶体管，所述绝缘栅双极晶体管的发射极为所述第一场效应晶体管的源极，所述绝缘栅双极晶体管的N型发射区为所述第一场效应晶体管的源区，所述绝缘栅双极晶体管的N型漂移区为所述第一场效应晶体管的漏区，所述绝缘栅双极晶体管的栅极为所述第一场效应晶体管的栅极；
[0013]第一寄生三极管，所述绝缘栅双极晶体管的P型集电区为所述第一寄生三极管的发射区，所述绝缘栅双极晶体管的N型场截止层和N型漂移区为所述第一寄生三极管的基区，所述绝缘栅双极晶体管的P型基区为所述第一寄生三极管的集电区。
[0014]优选地，所述绝缘栅双极晶体管的发射极接低电位，所述绝缘栅双极晶体管的集电极接高电位；所述第一场效应晶体管的栅极接第一控制电位。优选地，所述电流扩展区包括：
[0015]第二场效应晶体管，所述绝缘栅双极晶体管的发射极为所述第二场效应晶体管的源极，所述绝缘栅双极晶体管的N型发射区为所述第二场效应晶体管的源区，所述绝缘栅双
极晶体管的N型掺杂区为所述第二场效应晶体管的漏区，所述绝缘栅双极晶体管的栅极为所述第二场效应晶体管的栅极；
[0016]第二寄生三极管，所述绝缘栅双极晶体管的N型场截止层和N型漂移区为所述第二寄生三极管的集电区，所述绝缘栅双极晶体管的P型掺杂区为所述第二寄生三极管的基区，所述绝缘栅双极晶体管的N型掺杂区为所述第二本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种绝缘栅双极晶体管，其特征在于，包括：半导体层，具有相对的第一表面以及第二表面，所述第一表面和所述第二表面平行于由相互垂直的第一方向和第二方向界定的平面；所述半导体层包括自第二表面向第一表面的延伸方向上依次堆叠的P型集电区、N型场截止层、N型漂移区、P型基区以及发射区，所述发射区包括P型发射区与N型发射区，所述P型发射区与所述N型发射区相邻；多个沟槽，位于所述半导体层内，沿所述半导体层的厚度方向延伸，所述厚度方向为自所述第一表面向所述第二表面的延伸方向，所述厚度方向与所述第一方向和所述第二方向均垂直；栅极结构，位于所述多个沟槽中，所述栅极结构包括栅介质层和栅多晶；栅极，与所述栅多晶电连接；发射极，与所述发射区电连接；集电极，与所述P型集电区电连接；所述绝缘栅双极晶体管包括电流引导区和电流扩展区，所述电流扩展区中沟槽的底部周围设置有P型掺杂区；以及所述P型掺杂区与所述P型基区之间被沟槽隔断的N型掺杂区；所述绝缘栅双极晶体管的栅极接高电位，当所述高电位大于绝缘栅双极晶体管的阈值电压时，所述电流引导区的电子从所述N型发射区经所述N型漂移区流至所述P型集电区，所述电流引导区的空穴从所述P型集电区经所述N型漂移区流至所述P型发射区，大量电子
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空穴在所述N型漂移区内复合，形成电流引导区电流，所述电流引导区导通，所述电流引导区中还存在部分没有与所述电流引导区的电子复合完的空穴流至所述电流扩展区的P型掺杂区，随着流经所述电流扩展区的P型掺杂区的空穴电流不断增加，所述电流扩展区逐渐导通，从而所述绝缘栅双极晶体管完全导通。2.根据权利要求1所述的绝缘栅双极晶体管，其特征在于，所述电流引导区中沟槽的底部周围不设置P型掺杂区。3.根据权利要求1所述的绝缘栅双极晶体管，其特征在于，所述电流引导区包括：第一场效应晶体管，所述绝缘栅双极晶体管的发射极为所述第一场效应晶体管的源极，所述绝缘栅双极晶体管的N型发射区为所述第一场效应晶体管的源区，所述绝缘栅双极晶体管的N型漂移区为所述第一场效应晶体管的漏区，所述绝缘栅双极晶体管的栅极为所述第一场效应晶体管的栅极；第一寄生三极管，所述绝缘栅双极晶体管的P型集电区为所述第一寄生三极管的发射区，所述绝缘栅双极晶体管的N型场截止层和N型漂移区为所述第一寄生三极管的基区，所述绝缘栅双极晶体管的P型基区为所述第一寄生三极管的集电区。4.根据权利要求3所述的绝缘栅双极晶体管，其特征在于，所述绝缘栅双极晶体管的发射极接低电位，所述绝缘栅双极晶体管的集电极接高电位；所述第一场效应晶体管的栅极接第一控制电位。5.根据权利要求1所述的绝缘栅双极晶体管，其特征在于，所述电流扩展区包括：第二场效应晶体管，所述绝缘栅双极晶体管的发射极为所述第二场效应晶体管的源极，所述绝缘栅双极晶体管的N型发射区为所述第二场效应晶体管的源区，所述绝缘栅双极
晶体管的N型掺杂区为所述第二场效应晶体管的漏区，所述绝缘栅双极晶体管的栅极为所述第二场效应晶体管的栅极；第二寄生三极管，所述绝缘栅双极晶体管的N型场截止层和N型漂移区为所述第二寄生三极管的集电区，所述绝缘栅双极晶体管的P型掺杂区为所述第二寄生三极管的基区，所述绝缘栅双极晶体管的N型掺杂区为所述第二寄生三极管的发射区；第三寄生三极管，所述绝缘栅双极晶体管的P型集电区为所述第三寄生三极管的发射区，所述绝缘栅双极晶体管的N型漂移区为所述第三寄生三极管的基区，所述绝缘栅双极晶体管的P型掺杂区为所述第三寄生三极管的集电区。6.根据权利要求5所述的绝缘栅双极晶体管，其特征在于，所述绝缘栅双极晶体管的发射极接低电位，所述绝缘栅双极晶体管的集电极接高电位；所述第二场效应晶体管的栅极接第二控制电位。7.根据权利要求1所述的绝缘栅双极晶体管，其特征在于，所述电流引导区包括：第一场效应晶体管，所述绝缘栅双极晶体管的发射极为所述第一场效应晶体管的源极，所述绝缘栅双极晶体管的N型发射区为所述第一场效应晶体管的源区，所述绝缘栅双极晶体管的N型漂移区为所述第一场效应晶体管的漏区，所述绝缘栅双极晶体管的栅极为所述第一场效应晶体管的栅极；第一寄生三极管，所述绝缘栅双极晶体管的P型集电区为所述第一寄生三极管的发射区，所述绝缘栅双极晶体管的N型场截止层和N型漂移区为所述第一寄生三极管的基区，所述绝缘栅双极晶体管的P型基区为所述第一寄生三极管的集电区；所述电流扩展区包括：第二场效应晶体管，所述绝缘栅双极晶体管的发射极为所述第二场效应晶体管的源极，所述绝缘栅双极晶体管的N型发射区为所述第二场效应晶体管的源区，所述绝缘栅双极晶体管的N型掺杂区为所述第二场效应晶体管的漏区，所述绝缘栅双极晶体管的栅极为所述第二场效应晶体管的栅极；第二寄生三极管，所述绝缘栅双极晶体管的N型场截止层和N型漂移区为所述第二寄生三极管的集电区，所述绝缘栅双极晶体管的P型掺杂区为所述第二寄生三极管的基区，所述绝缘栅双极晶体管的N型掺杂区为所述第二寄生三极管的发射区；第三寄生三极管，所述绝缘栅双极晶体管的P型集电区为所述第三寄生三极管的发射区，所述绝缘栅双极晶体管的N型漂移区为所述第三寄生三极管的基区，所述绝缘栅双极晶体管的P型掺杂区为所述第三寄生三极管的集电区；所述绝缘栅双极晶体管的发射极接低电位，所述绝缘栅双极晶体管的集电极接高电位；所述第一场效应晶体管的栅极接第一控制电位，所述第二场效应晶体管的栅极接第二控制电位。8.根据权利要求7所述的绝缘栅双极晶体管，其特征在于，所述绝缘栅双极晶体管的栅极接高电位，即所述第一场效应晶体管的第一控制电位及所述第二场效应晶体管的第二控制电位接高电位，当所述高电位大于第一场效应晶体管的阈值电压以及第二场效应晶体管的阈值电压时，所述电流引导区的电子从所述绝缘栅双极晶体管的N型发射区经所述绝缘栅双极晶体管的N型漂移区流至所述绝缘栅双极晶体管的P型集电区，所述电流引导区的空
穴从所述绝缘栅双极晶体管的P型集电区经所述绝缘栅双极晶体管的N型漂移区流至所述绝缘栅双极晶体管的P型发射区，大量电子
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空穴在所述绝缘栅双极晶体管的N型漂移区内复合，形成电流引导区电流，所述电流引导区中的第一场效应晶体管和第一寄生三极管导通，所述电流引导区中还存在部分没有与所述电流引导区的电子复合完的空穴流至所述电流扩展区的P型掺杂区，随着流经所述电流扩展区的P型掺杂区的空穴电流不断增加，所述电流扩展区中的第二场效应晶体管、第二寄生三极管和第三寄生三极管导通，从而所述绝缘栅双极晶体管完全导通。9.根据权利要求8所述的绝缘栅双极晶体管，其特征在于，在所述绝缘栅双极晶体管开启瞬间，所述第二场效应晶体管开启，但与所述第二场效应晶体管的漏区相接的第二寄生三极管由于没有第二寄生三极管的基区注入电流而处于关断状态，第二场效应晶体管的源区电子电流无法注入到所述绝缘栅双极晶体管的N型漂移区，也不能触发所述第三寄生三极管的导通，无法向所述绝缘栅双极晶体管的N型漂移区注入空穴，因此在所述绝缘栅双极晶体管开启瞬间，所述电流扩展区不导通；所述电流引导区很快实现导通，随着所述电流引导区未复合完的空穴注入到所述电流扩展区的P型掺杂区，所述第二寄生三极管的基区获得注入电流，所述第二寄生三极管导通，从所述第二场效应晶体管的源区注入的电子到达所述第二场效应晶体管的漏区，再通过所述第二寄生三极管的发射区注入到所述第二寄生三极管的集电区，即所述绝缘栅双极晶体管的N型漂移区，也是第三寄生三极管的基区，导致了所述第三寄生三极管的发射区向所述绝缘栅双极晶体管的N型漂移区注入大量空穴；这些注入到所述绝缘栅双极晶体管的N型漂移区的空穴与电子复合形成了所述电流扩展区的电流。10.根据权利要求8所述的绝缘栅双极晶体管，其特征在于，在所述电流扩展区未被复合的部分空穴注入到所述P型掺杂区，即所述第二寄生三极管的基区，这增强了第二寄生三极管的导通能力，也就是增强了第二寄生三极管发射极向第二寄生三极管集电极注入电子的能力。11.根据权利要求7所述的绝缘栅双极晶体管，其特征在于，所述第一控制电位和所述第二控制电位相同或不同。12.根据权利要求1所述的绝缘栅双极晶体管，其特征在于，对所述沟槽的底部进行不同能量和/或剂量的掺杂注入及后续的热过程形成所述P型掺杂区。13.根据权利要求1所述的绝缘栅双极晶体管，其特征在于，所述P型掺杂区的结深超过所述沟槽的底部至少0.2μm。14.根据权利要求1所述的绝缘栅双极晶体管，其特征在于，每个所述沟槽沿第一方向平行排列，并且沿第二方向延伸。15.根据权利要求1所述的绝缘栅双极晶体管，其特征在于，所述P型掺杂区沿第一方向上的浓度非均匀分布。16.根据权利要求1所述的绝缘栅双极晶体管，其特征在于，在所述电流扩展区中，相邻的所述沟槽底部周围的所述P型掺杂区在第一方向上彼此接触实现连接。17.根据权利要求1所述的绝缘栅双极晶体管，其特征在于，在所述电流扩展区中，相邻的所述沟槽底部周围的所述P型掺杂区在第一方向上彼此分隔。
18.根据权利要求1所述的绝缘栅双极晶体管，其特征在于，所述电流引导区自所述第一表面到所述第二表面的俯视形状包括菱形、矩形、圆形等。19.根据权利要求1所述的绝缘栅双极晶体管，其特征在于，所述电流引导区与电流扩展区自所述第一表面到所述第二表面的俯视形状的面积之比为5％
‑
50％。20.根据权利要求1所述的绝缘栅双极晶体管，其特征在于，所述N型掺杂区的浓度大于等于所述N型漂移区的浓度。21.根据权利要求1所述的绝缘栅双极晶体管，其特征在于，所述P型掺杂区的结深为0.2μm～2μm。22.根据权利要求1所述的绝缘栅双极晶体管，其特征在于，所述P型掺杂区的掺杂浓度为8e15cm
‑3～1e18cm
‑3。23.根据权利要求1所述的绝缘栅双极晶体管，其特征在于，所述N型场截止层的结深为1μm～40μm，所述N型场截止层的掺杂浓度为5e15cm
‑3～5e17cm
‑3。24.根据权利要求1所述的绝缘栅双极晶体管，其特征在于，所述N型漂移区具有朝向半导体层第一表面的正面和朝向半导体层第二表面的背面；所述N型场截止层与所述N型漂移区的背面直接接触；所述P型集电区与所述N型场截止层的背面直接接触；所述P型集电极与所述P型集电区的背面直接电接触；所述P型基区位于所述发射区下方，与所述N型发射区以及P型发射区的背面直接接触；所述多个沟槽从所述半导体层的表面沿厚度方向延伸至所述漂移区内；所述发射区位于所述P型基区上，以及位于部分沟槽的两侧或一侧；所述发射极与所述发射区的正面直接电接触。25.一种绝缘栅双极晶体管的制造方法，其特征在于，所述绝缘栅双极晶体管包括电流引导区和电流扩展区，所述制造方法包括：提供半导体层，所述半导体层具有相对的第一表面以及第二表面，所述第一表面和所述第二表面平行于由相互垂直的第一方向和第二方向界定...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗君轶，顾悦吉，张硕，黄示，何火军，
申请(专利权)人：杭州士兰微电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：