双沟道超结igbt的制作方法

双沟道超结igbt的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种半导体器件，尤其是一种双沟道超结IGBT，属于IGBT器件的技术领域。
【背景技术】
[0002]自1988年D.J.Coe申请的美国专利中第一次提到了使用交替的p/n结构作为半导体功率器件的耐压层以来，各国学者相继独立发现了这一结构，其中，中国陈星弼于1993年申请了美国专利，用多个p/n柱结构代替传统的漂移区，由于引入了横向电场，他称之为“复合缓冲层”(Composite Buffer layer)。1995年，西门子公司的J.Tihanyi的美国专利申请中提出了类似的思路和应用。
[0003]从此以后，各国学者纷纷对此p/n结构进行了深入的研宄，并各自对此结构进行了命名，直到1997年，Tatsuhiko等人正式将这一结构命名为“超结”(Super junct1n)，得到了学者们一直认可，从此“超结”这一概念正式被大家所接受。
[0004]对于传统硅器件，导通电压与击穿电压存在Ron=5.93*10_\2 5的关系，导通电阻受击穿电压限制而存在一个极限，称之为“娃极限”(Silicon limit)。超结(SuperJunct1n)的出现使传统硅器件的“硅极限”有了新的转机，根本性地解决了传统功率器件提高击穿电压和降低导通电阻的矛盾。N型半导体和P型半导体相互交替所构成的耐压区，使得耐压区中的电场分布趋于均匀分布，即使耐压区有很高的掺杂浓度。超结结构是在器件不承担电压的方向上引入新的电场，对器件工作的漂移区(N区)达到最大的电荷补偿。
[0005]IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)为绝缘栅双极型晶体管，在 IGBT 的基础上，耐压区由交替的p/n柱组成，以形成超结IGBT。超结IGBT在关断时会有大量空穴载流子在P阱下方，由于空穴和电子复合时间较长，造成IGBT关断时拖尾电流较大，进而使IGBT关断损耗较大。

【发明内容】

[0006]本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种双沟道超结IGBT，其结构紧凑，提高了耐压，降低了静态损耗，在关断时，栅极增加负压，产生P型沟道，使空穴能被快速抽走，从而大幅增加关断速度，降低关断损耗，安全可靠。
[0007]按照本发明提供的技术方案，所述双沟道超结IGBT，包括半导体基板，在所述半导体基板的耐压区设置若干交替分布的第一导电类型柱以及第二导电类型柱；在第二导电类型柱上方形成有栅极，在第一导电类型柱上方设有第二导电类型阱区，在第二导电类型阱区内设有第一导电类型注入区，所述第一导电类型注入区以及第二导电类型阱区均与用于形成发射极的发射极金属层欧姆接触；第二导电类型柱的宽度大于栅极的宽度，栅极与第一导电类型柱以及第二导电类型柱均接触，以通过第二导电类型阱区、第一导电类型柱以及第二导电类型柱形成所需的导电沟道。
[0008]所述第一导电类型柱、第二导电类型柱的下方设有缓冲层，在所述缓冲层的下方设有第二导电类型注入区，所述第二导电类型注入区与用于形成集电极的集电极金属欧姆接触。
[0009]第一导电类型柱内的电荷总数能平衡第二导电类型柱内的电荷总数。
[0010]第一导电类型柱的宽度与第二导电类型柱的宽度相同，且第一导电类型柱的掺杂浓度与第二导电类型柱的掺杂浓度相同。
[0011]本发明的优点:P柱的宽度大于栅极的宽度，以在IGBT器件关断时形成P型导电沟道，使IGBT关断时空穴载流子可以通过此沟道迅速被抽走，从而使关断时间大幅减低，关断损耗也随之大幅降低，提高了耐压，降低了静态损耗，安全可靠。
【附图说明】
[0012]图1为现有IGBT器件的结构框图。
[0013]图2为本发明的结构框图。
[0014]附图标记说明:1_栅极、2-N+注入区、3-发射极金属层、4-P阱、5-N柱、6-缓冲层、7-P+注入区以及8-P柱。
【具体实施方式】
[0015]下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0016]如图1所示，为现有具有超结结构的IGBT器件的截面图，具有超结结构的IGBT器件具有如下的三个优势:第一、超结结构的横向PN结在承受反向电压的情况下，会产生横向电场，该电场迅速减少了漂移区内的大量净电荷，使得纵向电场趋于平坦，提高了器件的整体耐压。第二、高掺杂的N柱，P柱，使得漂移区的导通电阻大幅下降，降低了超结IGBT的饱和导通压降，减少了器件的静态损耗。第三、超结IGBT关断时，在横向电场的帮助下，漂移区中残留的载流子可以被迅速的扫出，器件迅速关断，降低了器件的关断损耗。但超结IGBT器件关断时，大量空穴载流子在P柱的顶端，空穴载流子被扫出一部分，剩余的载流子需要通过复合消除，由于空穴和电子复合速率较慢，这就造成了关断时间过长，从而关断损耗较大。
[0017]如图2所示:为了大幅增加关断速度，降低关断损耗，以N型IGBT器件为例，本发明包括半导体基板，在所述半导体基板的耐压区设置若干交替分布的N柱5以及P柱8 ;在P柱8上方形成有栅极1，在N柱5上方设有P阱4，在P阱4内设有N+注入区2，所述N+注入区2以及P阱4均与用于形成发射极的发射极金属层3欧姆接触；P柱8的宽度大于栅极I的宽度，栅极I与N柱5以及P柱8均接触，以通过P阱4、N柱5以及P柱8形成所需的导电沟道。
[0018]具体地，从所述IGBT器件的截面上看，N柱5与P柱8在半导体基板的耐压区交替分布，以形成超结结构。半导体基板的材料可以采用常用的硅等，对于N型IGBT器件，半导体基板的导电类型为N型。在半导体基板的耐压区形成超结结构后，在半导体基板上还形成栅极I以及P阱4，N+注入区2在P阱4的左上方，栅极I与P阱4、N+注入区2、N柱5以及P柱8均接触，发射极金属层3覆盖在P阱4上，且发射极金属层3与部分的N+注入区2相接触，发射极金属层3与N+注入区2以及P阱4欧姆接触，以形成IGBT器件的发射极。栅极I的宽度小于P柱8的宽度，N柱5的高度大于P柱8的高度，N柱5与P阱4相接触，栅极I与N柱5也同时接触，通过P阱4、N柱5以及P柱8能形成P型导电沟道。此夕卜，超结结构上方的栅极1、P阱4、N+注入区2以及发射极金属层3的具体结构以及制备过程均为本技术领域人员所熟知，不再一一赘述。
[0019]进一步地，所述N柱5、P柱8的下方设有缓冲层6，在所述缓冲层6的下方设有P+注入区7，所述P+注入区7与用于形成集电极的集电极金属欧姆接触。一般地，集电极金属位于半导体基板的背面，集电极金属与P+注入区7欧姆接触，以形成集电极。本发明实施例中，并未示出P+注入区7与集电极金属配合的结构，缓冲层6与N柱5以及P柱8相接触。
[0020]本发明实施例中，N柱5内的电荷总数能平衡P柱8内的电荷总数。一般地，N柱5内具有大量的电子，P柱8内具有大量的空穴，N柱5内的电荷总数能平衡P柱7内的电荷总数是指电子带的电荷数与空穴的电荷数相等，即电子能恰好完全与空穴结合。为了保证N柱5内的电荷总数平衡P柱8内的电荷总数，在具体实施时，N柱5的宽度与P柱8的宽度相同，且N柱5的掺杂浓度与P柱8的掺杂浓度相同，从而使得形成的超结结构的IGBT器件具有良好的性能。
[0021]本发明实施例中，得到具有超结结构的IGBT器件在开通时，通过栅极I加正向电压，使在P阱4处形成N型导电沟道，电子电流由所述N型导电沟道从发射极流向集电极。当IGBT关断时，通过在栅极I加负压，使在N柱5与栅极I的接触面形成P型导电沟道，以通过P型导电沟道来连接P柱8和P阱4，使空穴可以从此沟道被迅速抽走。
[0022]进一步地，IGBT器件关断时，栅极I需要加负压信号，在一定范围内，负压越高，P型导电沟道的开启速度越快，空穴抽取速度越快，关断时间越快，其中，在IGBT器件关断时，在栅极I上加载负压的范围为本技术领域人员所熟知，具体不再赘述。通过引入关断时的P型导电沟道使IGBT器件关断时间降低，关断损耗大幅降低，从而可以工作在很高的开关频率。
[0023]本发明在IGBT器件关断时引入P型导电沟道，使IGBT关断时空穴载流子可以通过此沟道迅速被抽走，从而使关断时间大幅减低，关断损耗也随之大幅降低，仿真研宄发现导通损耗基本无变化的情况下关断损耗从1.137mJ降到0.2ImJ,降低幅度81.5%。
【主权项】
1.一种双沟道超结IGBT，包括半导体基板，在所述半导体基板的耐压区设置若干交替分布的第一导电类型柱以及第二导电类型柱；在第二导电类型柱上方形成有栅极，在第一导电类型柱上方设有第二导电类型阱区，在第二导电类型阱区内设有第一导电类型注入区，所述第一导电类型注入区以及第二导电类型阱区均与用于形成发射极的发射极金属层欧姆接触；其特征是:第二导电类型柱的宽度大于栅极的宽度，栅极与第一导电类型柱以及第二导电类型柱均接触，以通过第二导电类型阱区、第一导电类型柱以及第二导电类型柱形成所需的导电沟道。2.根据权利要求1所述的双沟道超结IGBT，其特征是:所述第一导电类型柱、第二导电类型柱的下方设有缓冲层，在所述缓冲层的下方设有第二导电类型注入区，所述第二导电类型注入区与用于形成集电极的集电极金属欧姆接触。3.根据权利要求1所述的双沟道超结IGBT，其特征是:第一导电类型柱内的电荷总数能平衡第二导电类型柱内的电荷总数。4.根据权利要求3所述的双沟道超结IGBT，其特征是:第一导电类型柱的宽度与第二导电类型柱的宽度相同，且第一导电类型柱的掺杂浓度与第二导电类型柱的掺杂浓度相同。
【专利摘要】本发明涉及一种双沟道超结IGBT，其包括半导体基板，在所述半导体基板的耐压区设置的第一导电类型柱以及第二导电类型柱；在第二导电类型柱上方形成有栅极，在第一导电类型柱上方设有第二导电类型阱区，在第二导电类型阱区内设有第一导电类型注入区，第一导电类型注入区以及第二导电类型阱区均与发射极金属层欧姆接触；第二导电类型柱的宽度大于栅极的宽度，栅极与第一导电类型柱以及第二导电类型柱均接触，以通过第二导电类型阱区、第一导电类型柱以及第二导电类型柱形成所需的导电沟道。本发明结构紧凑，提高了耐压，降低了静态损耗，在关断时，栅极增加负压，产生P型沟道，使空穴能被快速抽走，从而大幅增加关断速度，降低关断损耗，安全可靠。
【IPC分类】H01L29/739, H01L29/06
【公开号】CN104882475
【申请号】CN201510271920
【发明人】甘朝阳, 卢烁今, 朱阳军
【申请人】江苏物联网研究发展中心, 江苏中科君芯科技有限公司
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年5月25日