一種平面柵igbt及其制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于功率半導體器件技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種平面柵IGBT及其制作方法。本發(fā)明在傳統(tǒng)平面柵IGBT器件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在器件JFET區(qū)氧化層的上部部分區(qū)域引入與發(fā)射極連接的電極，所述發(fā)射極連接電極與柵極在垂直于MOS溝道長度方向形成間隔分布，在JFET區(qū)通過在垂直于MOS溝道長度方向上從柵極往發(fā)射極連接電極方向的橫向載流子擴散，本發(fā)明結(jié)構(gòu)在不影響器件正向?qū)ㄌ匦缘臈l件下，減小了器件的柵極電容，特別是柵極?集電極電容，提高了器件的開關(guān)速度，降低了器件的開關(guān)損耗，同時不會使器件的阻斷特性劣化。
【專利說明】
一種平面柵IGBT及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明屬于功率半導體器件技術(shù)領(lǐng)域，涉及絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)，具體涉及平面柵絕緣柵雙極型晶體管。
【背景技術(shù)】
[0002]絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)是一種MOS場效應(yīng)和雙極型晶體管復合的新型電力電子器件。它既有MOSFET易于驅(qū)動，控制簡單的優(yōu)點，又有功率晶體管導通壓降低，通態(tài)電流大，損耗小的優(yōu)點，已成為現(xiàn)代電力電子電路中的核心電子元器件之一，廣泛地應(yīng)用在諸如通信、能源、交通、工業(yè)、醫(yī)學、家用電器及航空航天等國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域。IGBT的應(yīng)用對電力電子系統(tǒng)性能的提升起到了極為重要的作用。
[0003]從IGBT發(fā)明以來，人們一直致力于改善IGBT的性能。經(jīng)過二十幾年的發(fā)展，相繼提出了多代IGBT器件結(jié)構(gòu)，使器件性能得到了穩(wěn)步的提升。溝槽柵IGBT結(jié)構(gòu)消除了平面柵IGBT結(jié)構(gòu)的JFET區(qū)電阻，并可獲得更高的MOS溝道密度，從而可使器件的特性獲得顯著提高。然而，與平面柵IGBT結(jié)構(gòu)相比，溝槽柵結(jié)構(gòu)底部的高電場是影響其可靠性的主要因數(shù)之一，因而目前高壓IGBT仍主要采用平面柵結(jié)構(gòu)。對于高壓平面柵IGBT，為了減小器件P型基區(qū)之間的JFET區(qū)電阻并在器件正向?qū)〞r通過在JFET區(qū)柵電極下形成的電子積累層提高器件的載流子注入增強效應(yīng)，器件P型基區(qū)之間的JFET區(qū)很寬。寬JFET區(qū)上部的柵極結(jié)構(gòu)帶來了大的器件電容，特別是柵極-集電極電容，降低了器件的開關(guān)速度，增大了器件的開關(guān)損耗，同時提高了對器件柵驅(qū)動電路能力的要求。此外，器件JFET區(qū)上部的柵極電容，在器件小電流開啟過程中會形成負微分電容效應(yīng)，使器件在開啟過程中產(chǎn)生震蕩并由此帶來電磁輻射的問題。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]為了在不影響正向?qū)〞r器件的載流子濃度分布和導通壓降以及器件的阻斷電壓的情況下，減小器件的柵極電容，特別是柵極-集電極電容，提高器件的開關(guān)速度，減小開關(guān)損耗，進一步改善正向?qū)▔航岛烷_關(guān)損耗的折中，同時降低對器件柵驅(qū)動電路能力的要求，并克服負微分電容效應(yīng)帶來的開啟過程中的震蕩問題，在傳統(tǒng)高壓平面柵IGBT器件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上(如圖1所示)，本發(fā)明提供一種高壓平面柵IGBT(半元胞如圖2所示)及其制作方法。本發(fā)明通過在器件JFET區(qū)氧化層的上部部分區(qū)域引入與發(fā)射極連接的電極，使所述發(fā)射極連接電極與柵極在垂直于MOS溝道長度方向形成間隔分布，兩者之間是介質(zhì)層，所述發(fā)射極連接電極在垂直于MOS溝道長度方向的長度小于器件JFET區(qū)雙極載流子的擴散長度，并且在平行于MOS溝道長度方向的長度大于其在垂直于MOS溝道長度方向的長度，通常設(shè)置的長度比至少為4倍以上。在器件正向?qū)〞r，本發(fā)明通過在JFET區(qū)垂直于MOS溝道長度方向上從柵極往發(fā)射極連接電極方向的橫向載流子擴散，使發(fā)射極連接電極下的JFET區(qū)具有與柵極下的JFET區(qū)相同的載流子濃度分布，從而在不影響器件正向?qū)ǖ臈l件下，減小了器件的柵極電容，特別是柵極-集電極電容，提高了器件的開關(guān)速度，降低了器件的開關(guān)損耗，同時不會使器件的阻斷特性劣化。此外，器件JFET區(qū)上部柵極電容的減小，減小了器件在小電流開啟狀態(tài)下的負微分電容效應(yīng)，避免了器件在開啟過程中的震蕩和由此帶來的電磁輻射問題，提高了器件的性能和可靠性。本發(fā)明提供的制作方法不需要增加額外的工藝步驟，與傳統(tǒng)平面柵IGBT制作方法兼容。
[0005]本發(fā)明技術(shù)方案如下:
[0006]一種平面柵IGBT，其半元胞結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括:從下至上依次層疊設(shè)置的背部集電極金屬10、p型集電區(qū)9、N型場阻止層8和N-漂移區(qū)7;所述N-漂移區(qū)7上層兩側(cè)具有P型基區(qū)4，所述P型基區(qū)4上層具有相互獨立的N+發(fā)射區(qū)3和P+發(fā)射區(qū)2;所述N+發(fā)射區(qū)3和P+發(fā)射區(qū)2上表面具有發(fā)射極金屬I;其特征在于，位于兩側(cè)的發(fā)射極金屬I之間的半導體表面具有復合柵極結(jié)構(gòu)，復合柵極結(jié)構(gòu)與發(fā)射極金屬I之間具有間距;所述復合柵極結(jié)構(gòu)包括介質(zhì)層5以及位于介質(zhì)層5之上的柵電極6、電極11和介質(zhì)層12，所述柵電極6、電極11和介質(zhì)層12在平行于MOS溝道長度方向的元胞中心左右對稱;所述介質(zhì)層5的下表面與部分N+發(fā)射區(qū)3、P型基區(qū)4和N-漂移區(qū)7的上表面相連;沿器件縱向方向，電極11和柵電極6分別位于器件兩端，同時沿器件橫向方向，電極11的兩側(cè)被柵電極6包圍，所述電極11與柵電極6之間通過介質(zhì)層12隔離；電極11的正下方為N-漂移區(qū)7;所述電極11在垂直于MOS溝道長度方向的長度小于器件JFET區(qū)的雙極載流子擴散長度，所述電極11和所述柵電極6在平行于MOS溝道長度方向的長度大于其在垂直于MOS溝道長度方向的長度，并且所述電極11在平行于MOS溝道長度方向的長度是其在垂直于MOS溝道長度方向長度的4倍以上;所述電極11與發(fā)射極金屬I電氣連接。
[0007]進一步的，一種平面柵IGBT，其半元胞結(jié)構(gòu)及沿AB線的剖面如圖3和圖4所示，在所述介質(zhì)層5和N-漂移區(qū)7之間還具有一層N型層13，所述N型層13的摻雜濃度大于N-漂移區(qū)7的摻雜濃度；并且在器件橫向方向P型基區(qū)4之間的所述N-漂移區(qū)7中還具有一層P型埋層14，所述P型埋層14與P型基區(qū)4之間具有一定的距離，在器件縱向方向所述P型埋層14不連續(xù)并均勻分布在N-漂移區(qū)7中，所述P型埋層14通過上表面與N型層13相接觸，所述P型埋層14的結(jié)深不大于P型基區(qū)4的結(jié)深。
[0008]進一步的，一種平面柵IGBT，其半元胞結(jié)構(gòu)及沿AB線的剖面如圖5和圖6所示，在所述P型埋層14之間、P型埋層14的兩側(cè)與P型基區(qū)4之間的N-漂移區(qū)7中還具有一層N型埋層15，所述N型埋層15通過上表面與N型層13相接觸并且其結(jié)深不大于P型埋層14的結(jié)深，所述N型埋層15的摻雜濃度大于N-漂移區(qū)7的濃度，所述N型埋層15的摻雜濃度不大于N型層13的摻雜濃度。
[0009]進一步的，一種平面柵IGBT，其半元胞結(jié)構(gòu)如圖7所示，沿器件縱向方向，所述柵電極6沿電極11的中部延伸入電極11中，使電極11在器件的俯視圖中呈“凹”字形。
[0010]進一步的，一種平面柵IGBT，其半元胞結(jié)構(gòu)如圖8所示，沿器件縱向方向，電極11貫穿柵電極6之間的整個半元胞表面。
[0011]進一步的，所述介質(zhì)層5的厚度和材料在柵電極6的下方和電極11的下方可以相同也可以不同；
[0012]進一步的，所述P型基區(qū)4與N-漂移區(qū)7之間還可以具有一層N型空穴阻擋層；
[0013]進一步的，所述漂移區(qū)結(jié)構(gòu)為NPT結(jié)構(gòu)或FS結(jié)構(gòu)；所述IGBT器件采用半導體材料S 1、S i C、GaAs 或者 GaN 制作。
[0014]進一步的，所述器件結(jié)構(gòu)不僅適用于IGBT器件，將器件背面的P型集電區(qū)9換為N+層，所述結(jié)構(gòu)同樣適用于MOSFET器件。
[0015]一種平面柵IGBT的制作方法，包括以下步驟:
[0016]第一步:選取一定厚度和濃度的輕摻雜FZ硅片用以形成器件的N-漂移區(qū)7;
[0017]第二步:在硅片背面通過離子注入N型雜質(zhì)并退火制作器件的N型場阻止層8;
[0018]第三步:翻轉(zhuǎn)并減薄硅片，在硅片正面制作器件的終端結(jié)構(gòu)；
[0019]第四步:刻蝕有源區(qū)，在N-漂移區(qū)7表面形成介質(zhì)層5;
[0020]第五步:在介質(zhì)層5上淀積多晶硅層，并光刻、刻蝕形成柵電極6和電極11;沿器件縱向方向，電極11和柵電極6分別位于器件兩端，同時沿器件橫向方向，電極11的兩側(cè)被柵電極6包圍；
[0021]第六步:采用光刻工藝，通過離子注入P型雜質(zhì)并退火，在N-漂移區(qū)7上層兩側(cè)形成P型基區(qū)4;
[0022]第七步:采用光刻工藝，通過離子注入N型雜質(zhì)，在P型基區(qū)4上層形成N+發(fā)射區(qū)3;
[0023]第八步:采用光刻工藝，通過離子注入P型雜質(zhì)，在P型基區(qū)4上層形P+發(fā)射區(qū)2，P+發(fā)射區(qū)2和N+發(fā)射區(qū)3相互獨立；
[0024]第九步:淀積介質(zhì)層，并光刻、刻蝕，在電極11和柵電極6之間形成介質(zhì)層12;
[0025]第十步:淀積金屬，并光刻、刻蝕，在柵電極兩側(cè)的器件表面形成金屬集電極I;
[0026]第十一步:翻轉(zhuǎn)硅片，減薄硅片厚度，在硅片背面注入P型雜質(zhì)并退火，在N型場阻止層8下表面形成P型集電區(qū)9;
[0027]第十二步:背面淀積金屬，在P型集電區(qū)9下表面形成金屬集電極10。即制備得本發(fā)明平面柵IGBT。
[0028]需要說明的是，為了簡化描述，上述器件結(jié)構(gòu)和制備方法是以η溝道IGBT器件為例來說明，但本發(fā)明同樣適用于P溝道IGBT器件的制備。且上述器件制備方法中的工藝步驟和工藝條件可根據(jù)實際需要進行增刪和調(diào)整。
[0029]上述方案中，所述的器件橫向方向?qū)?yīng)的為圖2中所示的坐標系中的X軸方向，器件縱向方向?qū)?yīng)的為圖2中所示的坐標系中的Z軸方向。
[0030]本發(fā)明的工作原理:
[0031]IGBT的開關(guān)過程就是對柵極電容進行沖、放電的過程，柵極電容越大沖、放電時間越長。因而，在IGBT的開關(guān)過程中，柵極電容，特別是柵極-集電極電容對器件的開關(guān)損耗具有重要的影響。對于高壓平面柵IGBT器件，為了減小器件P型基區(qū)之間的JFET區(qū)電阻并在器件正向?qū)〞r通過在JFET區(qū)柵電極下形成的電子積累層提高器件的載流子注入增強效應(yīng)，改善漂移區(qū)載流子的濃度分布，降低正向?qū)▔航?，改善正向?qū)▔航岛完P(guān)斷損耗的折中，器件P型基區(qū)之間的JFET區(qū)很寬。寬JFET區(qū)上部的柵極結(jié)構(gòu)帶來了大的器件電容，特別是柵極-集電極電容，降低了器件的開關(guān)速度，增大了器件的開關(guān)損耗，同時提高了對器件柵驅(qū)動電路能力的要求。此外，器件JFET區(qū)上部的柵極電容，在器件小電流開啟過程中會形成負微分電容效應(yīng)，使器件在開啟過程中產(chǎn)生震蕩并由此帶來電磁輻射的問題。通過直接拿掉JFET區(qū)上部的柵電極而僅保留P型基區(qū)上部MOS溝道區(qū)的柵電極的方法，雖然可以減小器件的柵極電容，但是在器件正向?qū)〞r由于JFET區(qū)上部沒有柵電極的作用，不能在器件的JFET區(qū)表面形成高濃度的電子積累層，作為電導調(diào)制型器件，這也意味著在JFET區(qū)不能獲得高的空穴濃度，這導致了整個JFET區(qū)及JFET區(qū)下部的區(qū)域電子和空穴濃度降低，同時由于P型基區(qū)對空穴的抽取作用，在P型基區(qū)9和N-漂移區(qū)7的界面空穴載流子的濃度為O，因此，使得整個N-漂移區(qū)7的載流子濃度分布變差，消除了 JFET區(qū)上部的柵極結(jié)構(gòu)帶來的載流子注入增強效應(yīng)，使器件的正向?qū)▔航导眲≡龃?，并影響了器件的關(guān)斷特性，特別是關(guān)斷過程中當器件電壓達到母線電壓之后的載流子復合階段的特性，使器件關(guān)斷過程中的拖尾時間增長，增大了關(guān)斷損耗。本發(fā)明結(jié)構(gòu)通過在器件JFET區(qū)氧化層的上部部分區(qū)域引入與發(fā)射極連接的電極11，所述發(fā)射極連接電極11與柵電極6在垂直于MOS溝道長度方向形成間隔分布，并且所述電極11在垂直于MOS溝道長度方向的長度小于器件JFET區(qū)的雙極載流子擴散長度，在器件正向?qū)〞r柵電極6下方的JFET區(qū)表面由于柵電極的作用形成高濃度的電子積累層，由于電導調(diào)制在柵電極6下方的JFET區(qū)也獲得高濃度的空穴濃度，使柵電極下方的JFET區(qū)獲得高的電子和空穴濃度；同時在發(fā)射極連接電極11下方的JFET區(qū)，雖然不能通過電極的作用形成高濃度的電子積累層，但是由于在垂直于MOS溝道長度方向柵電極下方JFET區(qū)高的電子和空穴濃度，通過在垂直于MOS溝道長度方向上從柵電極6往發(fā)射極連接電極11方向的橫向載流子擴散，使發(fā)射極連接電極11下方的JFET區(qū)也獲得了與柵電極6下方的JFET區(qū)相同的高的電子和空穴濃度，使整個器件的JFET區(qū)及JFET區(qū)下部獲得了高的電子和空穴濃度，具有與傳統(tǒng)平面柵IGBT結(jié)構(gòu)相同的載流子濃度分布和相同的正向?qū)ㄌ匦浴Ｍㄟ^使所述電極11和所述柵電極6在平行于MOS溝道長度方向的長度大于其在垂直于MOS溝道長度方向的長度，并且使所述電極11在平行于MOS溝道長度方向的長度是其在垂直于MOS溝道長度方向長度的4倍以上，本發(fā)明在不影響器件正向?qū)ㄌ匦院蛽舸┨匦缘那闆r下盡可能的減小了器件的柵極電容，特別是柵極-集電極電容，提高了器件的開關(guān)速度，降低器件的開關(guān)損耗。此外，器件JFET區(qū)上部柵極電容的減小，減小了器件在小電流開啟狀態(tài)下的負微分電容效應(yīng)，避免了器件在開啟過程中的震蕩和由此帶來的電磁輻射問題，提高了器件的性能和可靠性。本發(fā)明提供的制作方法發(fā)射極連接電極11與柵電極6通過一步工藝形成，不需要增加額外的工藝步驟，與傳統(tǒng)平面柵IGBT制作方法兼容。
[0032]本發(fā)明的有益效果表現(xiàn)在:
[0033]本發(fā)明結(jié)構(gòu)通過在器件JFET區(qū)氧化層的上部部分區(qū)域引入與發(fā)射極連接的電極，所述發(fā)射極連接電極與柵極在垂直于MOS溝道長度方向形成間隔分布，在正向?qū)〞r在JFET區(qū)通過垂直于MOS溝道長度方向上從柵極往發(fā)射極連接電極方向的橫向載流子擴散，本發(fā)明結(jié)構(gòu)在不影響器件正向?qū)ㄌ匦缘臈l件下，減小了器件的柵極電容，特別是柵極-集電極電容，提高了器件的開關(guān)速度，降低了器件的開關(guān)損耗，同時不會使器件的阻斷特性劣化。通過使所述電極11和所述柵電極6在平行于MOS溝道長度方向的長度大于其在垂直于MOS溝道長度方向的長度，并且使所述電極11在平行于MOS溝道長度方向的長度是其在垂直于MOS溝道長度方向長度的4倍以上，本發(fā)明在不影響器件正向?qū)ㄌ匦院蛽舸┨匦缘那闆r下盡可能的減小了器件的柵極電容，特別是柵極-集電極電容。此外，器件JFET區(qū)上部柵極電容的減小，減小了器件在小電流開啟狀態(tài)下的負微分電容效應(yīng)，避免了器件在開啟過程中的震蕩和由此帶來的電磁輻射問題，提高了器件的性能和可靠性。本發(fā)明提供的制作方法不需要增加額外的工藝步驟，與傳統(tǒng)平面柵IGBT制作方法兼容。本發(fā)明適用于從中等功率到大功率的高壓半導體功率器件領(lǐng)域。
【附圖說明】
[0034]圖1是傳統(tǒng)的平面柵IGBT器件半元胞結(jié)構(gòu)示意圖。
[0035]圖2是本發(fā)明提供的第一種平面柵IGBT器件半元胞結(jié)構(gòu)示意圖。
[0036]圖3是本發(fā)明提供的第二種平面柵IGBT器件半元胞結(jié)構(gòu)示意圖。
[0037]圖4是本發(fā)明提供的第二種平面柵IGBT器件半元胞結(jié)構(gòu)沿AB線的剖面示意圖。
[0038]圖5是本發(fā)明提供的第三種平面柵IGBT器件半元胞結(jié)構(gòu)示意圖。
[0039]圖6是本發(fā)明提供的第三種平面柵IGBT器件半元胞結(jié)構(gòu)沿AB線的剖面示意圖。
[0040]圖7是本發(fā)明提供的第四種平面柵IGBT器件半元胞結(jié)構(gòu)示意圖。
[0041]圖8是本發(fā)明提供的第五種平面柵IGBT器件半元胞結(jié)構(gòu)示意圖。
[0042]圖1至圖8中，I為發(fā)射極金屬，2為P+發(fā)射區(qū)，3為N+發(fā)射區(qū)，4為P型基區(qū)，5為介質(zhì)層，6為柵電極，7為N-漂移區(qū)，8為N型電場阻止層，9為P型集電區(qū)，10為集電極金屬，11為與發(fā)射極連接電極，12為介質(zhì)層，13為N型層，14為P型埋層，15為N型埋層。
【具體實施方式】
[0043]以下結(jié)合附圖，對本發(fā)明的原理和特性做進一步的說明，本發(fā)明的具體實施例子以6500V電壓等級的IGBT為例進行說明，所舉實例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。
[0044]實施例1:
[0045]一種平面柵IGBT，其半元胞結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括:背部集電極金屬10、位于背部集電極金屬10之上并與其相連的P型集電區(qū)9、位于P型集電區(qū)9之上并與其相連的N型場阻止層8、位于N型場阻止層8之上并與其相連的N-漂移區(qū)7;位于N-漂移區(qū)7上部兩側(cè)并與其相連的P型基區(qū)4，位于P型基區(qū)4上部并與其相連的彼此獨立的N+發(fā)射區(qū)3和P+發(fā)射區(qū)2;位于N+發(fā)射區(qū)3和P+發(fā)射區(qū)2上表面的發(fā)射極金屬I;位于發(fā)射極金屬I之間半導體表面的復合柵極結(jié)構(gòu);其特征在于:所述復合柵極結(jié)構(gòu)包括介質(zhì)層5以及位于介質(zhì)層5之上的柵電極6、電極11和介質(zhì)層12，所述介質(zhì)層5的下表面與N+發(fā)射區(qū)3、p型基區(qū)4和N-漂移區(qū)7的上表面相連，所述柵電極6位于N+發(fā)射區(qū)3、p型基區(qū)4的上部區(qū)域以及N-漂移區(qū)7的上部部分區(qū)域，所述電極11位于N-漂移區(qū)7的上部部分區(qū)域，所述電極11與柵電極6在垂直于MOS溝道長度方向形成間隔分布，兩者之間是介質(zhì)層12;所述電極11和所述柵電極6在平行于MOS溝道長度方向的長度大于其在垂直于MOS溝道長度方向的長度，并且所述電極11在平行于MOS溝道長度方向的長度是其在垂直于MOS溝道長度方向長度的4倍以上;所述電極11與發(fā)射極金屬I相連接。形成的所述半元胞在平行于MOS溝道長度方向的長度為80-90微米，P型基區(qū)4之間的JFET區(qū)寬度為65-75微米，形成的所述半元胞在垂直于MOS溝道長度方向的長度為15-20微米;形成的柵電極在垂直于MOS溝道長度方向的長度為5-10微米;形成的電極11在平行于MOS溝道長度的方向位于半元胞的中心，左右對稱，長度為60-70微米，電極11在垂直于MOS溝道長度的方向長度為5-10微米。
[0046]實施例2:
[0047]一種平面柵IGBT，其半元胞結(jié)構(gòu)及沿AB線的剖面如圖3和圖4所示，在實施例1的基礎(chǔ)上，在所述介質(zhì)層5和N-漂移區(qū)7之間還具有一層N型層13，所述N型層13的摻雜濃度為N-漂移區(qū)7摻雜濃度的10-100倍，結(jié)深為0.1-0.2微米;并且在器件橫向方向p型基區(qū)4之間的所述N-漂移區(qū)7中還具有一層P型埋層14，所述P型埋層14距離P型基區(qū)4為2-10微米，在器件縱向方向所述P型埋層14不連續(xù)并均勻分布在N-漂移區(qū)7中，寬度為1-5微米，間距為1-5微米，所述P型埋層14通過上表面與N型層13相接觸，所述P型埋層14的結(jié)深為0.2-0.5微米。高濃度N型層13的存在進一步減小了器件的正向?qū)▔航挡⒏纳屏似茀^(qū)的載流子濃度分布，提高了器件正向?qū)▔航岛烷_關(guān)損耗的折中；均勻分布的P型埋層14的存在進一步屏蔽了N型層13對器件擊穿電壓的影響，可采用高的N型層13濃度；同時P型埋層14的存在對其上部的介質(zhì)層5也具有電場屏蔽作用，減小了介質(zhì)層5中的高電場，提高了介質(zhì)層5的可靠性。在器件擊穿時，N型層13全耗盡，P型埋層14為全耗盡或部分耗盡。
[0048]實施例3:
[0049]一種平面柵IGBT，其半元胞結(jié)構(gòu)及沿AB線的剖面如圖5和圖6所示，在實施例2的基礎(chǔ)上，在所述P型埋層14之間、P型埋層14的兩側(cè)與P型基區(qū)4之間的N-漂移區(qū)7中還具有一層N型埋層15，所述N型埋層15通過上表面與N型層13相接觸并且其結(jié)深為0.2-0.5微米，所述N型埋層15的摻雜濃度為N-漂移區(qū)7摻雜濃度的10-100倍。N型埋層15的引入進一步提高了器件的正向?qū)ㄌ匦?，在器件擊穿時，N型埋層15為全耗盡。
[0050]實施例4:
[0051]一種平面柵IGBT，其半元胞結(jié)構(gòu)如圖7所示，在實施例1-3的基礎(chǔ)上，所述柵電極6在垂直于MOS溝道長度的方向在半元胞中心還具有I條左右對稱的叉指。所述叉指在平行于MOS溝道長度方向的長度為3-5微米，在垂直于MOS溝道長度的方向長度為3-8微米。柵電極6叉指的存在進一步增強了柵極往發(fā)射極連接電極方向的橫向載流子擴散，改善了正向?qū)ㄌ匦院洼d流子濃度分布。
[0052]實施例5:
[0053]一種平面柵IGBT，其半元胞結(jié)構(gòu)如圖8所示，在實施例1-3的基礎(chǔ)上，沿器件縱向方向，電極11貫穿柵電極6之間的整個半元胞表面。電極11面積的增加進一步的減小了器件的柵極電容，特別是柵極-集電極電容，降低了器件的開關(guān)速度，增大了器件的開關(guān)損耗。
【主權(quán)項】
1.一種平面柵IGBT，包括:從下至上依次層疊設(shè)置的背部集電極金屬(10)、P型集電區(qū)(9)、N型場阻止層(8)和N-漂移區(qū)(7);所述N-漂移區(qū)(7)上層兩側(cè)具有P型基區(qū)(4)，所述P型基區(qū)(4)上層具有相互獨立的N+發(fā)射區(qū)(3)和P+發(fā)射區(qū)(2);所述N+發(fā)射區(qū)(3)和P+發(fā)射區(qū)(2)上表面具有發(fā)射極金屬(I);其特征在于，位于兩側(cè)的發(fā)射極金屬(I)之間的半導體表面具有復合柵極結(jié)構(gòu)，復合柵極結(jié)構(gòu)與發(fā)射極金屬(I)之間具有間距;所述復合柵極結(jié)構(gòu)包括介質(zhì)層(5)以及位于介質(zhì)層(5)之上的柵電極(6)、電極(11)和介質(zhì)層(12)，所述柵電極(6)、電極(11)和介質(zhì)層(12)在平行于MOS溝道長度方向的元胞中心左右對稱;所述介質(zhì)層(5)的下表面與部分N+發(fā)射區(qū)(3)、p型基區(qū)(4)和N-漂移區(qū)(7)的上表面相連;沿器件縱向方向，電極(11)和柵電極(6)分別位于器件兩端，同時沿器件橫向方向，電極(11)的兩側(cè)被柵電極(6)包圍，所述電極(11)與柵電極(6)之間通過介質(zhì)層(12)隔離；電極(11)的正下方為N-漂移區(qū)(7);所述電極(11)和所述柵電極(6)在平行于MOS溝道長度方向的長度大于其在垂直于MOS溝道長度方向的長度，并且所述電極(11)在平行于MOS溝道長度方向的長度是其在垂直于MOS溝道長度方向長度的4倍以上;所述電極(11)與發(fā)射極金屬(I)電氣連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種平面柵IGBT，其特征在于:在所述介質(zhì)層(5)和N-漂移區(qū)(7)之間還具有一層N型層(13)，所述N型層(13)的摻雜濃度大于N-漂移區(qū)(7)的摻雜濃度；并且在器件橫向方向P型基區(qū)(4)之間的所述N-漂移區(qū)(7)中還具有一層P型埋層(14)，所述P型埋層(14)與P型基區(qū)(4)之間具有一定的距離，在器件縱向方向所述P型埋層(14)不連續(xù)并均勻分布在N-漂移區(qū)(7)中，所述P型埋層(14)通過上表面與N型層(13)相接觸，所述P型埋層(14)的結(jié)深不大于P型基區(qū)(4)的結(jié)深。3.根據(jù)權(quán)利要求1-2所述的一種平面柵IGBT，其特征在于:在所述P型埋層(14)之間、P型埋層(14)的兩側(cè)與P型基區(qū)(4)之間的N-漂移區(qū)(7)中還具有一層N型埋層(15)，所述N型埋層(15)通過上表面與N型層(13)相接觸并且其結(jié)深不大于P型埋層(14)的結(jié)深，所述N型埋層(15)的摻雜濃度大于N-漂移區(qū)(7)的濃度，所述N型埋層(15)的摻雜濃度不大于N型層(13)的摻雜濃度。4.根據(jù)權(quán)利要求1-3所述的一種平面柵IGBT，其特征在于:沿器件縱向方向，所述柵電極(6)沿電極(11)的中部延伸入電極(11)中，使電極(11)在器件的俯視圖中呈“凹”字形。5.根據(jù)權(quán)利要求1-3所述的一種平面柵IGBT，其特征在于:沿器件縱向方向，電極(11)貫穿柵電極(6)之間的整個半元胞表面。6.根據(jù)權(quán)利要求1-5所述的一種平面柵IGBT，其特征在于:所述介質(zhì)層(5)的厚度和材料在柵電極(6)的下方和電極(11)的下方可以相同也可以不同。7.根據(jù)權(quán)利要求1-6所述的一種平面柵IGBT，其特征在于:所述P型基區(qū)(4)與N-漂移區(qū)(7)之間還具有一層N型空穴阻擋層。8.—種平面柵IGBT的制作方法，包括以下步驟: 第一步:選取一定厚度和濃度的輕摻雜FZ硅片用以形成器件的N-漂移區(qū)(7); 第二步:在硅片背面通過離子注入N型雜質(zhì)并退火制作器件的N型場阻止層(8); 第三步:翻轉(zhuǎn)并減薄硅片，在硅片正面制作器件的終端結(jié)構(gòu)； 第四步:刻蝕有源區(qū)，在N-漂移區(qū)(7)表面形成介質(zhì)層(5); 第五步:在介質(zhì)層(5)上淀積多晶硅層，并光刻、刻蝕形成柵電極(6)和電極(11);沿器件縱向方向，電極(II)和柵電極(6)分別位于器件兩端，同時沿器件橫向方向，電極(II)的兩側(cè)被柵電極(6)包圍； 第六步:采用光刻工藝，通過離子注入P型雜質(zhì)并退火，在N-漂移區(qū)(7)上層兩側(cè)形成P型基區(qū)(4); 第七步:采用光刻工藝，通過離子注入N型雜質(zhì)，在P型基區(qū)(4)上層形成N+發(fā)射區(qū)(3);第八步:采用光刻工藝，通過離子注入P型雜質(zhì)，在P型基區(qū)(4)上層形P+發(fā)射區(qū)(2)，P+發(fā)射區(qū)(2)和N+發(fā)射區(qū)3相互獨立； 第九步:淀積介質(zhì)層，并光刻、刻蝕，在電極(11)和柵電極(6)之間形成介質(zhì)層(12); 第十步:淀積金屬，并光刻、刻蝕，在柵電極兩側(cè)的器件表面形成金屬集電極(I); 第十一步:翻轉(zhuǎn)硅片，減薄硅片厚度，在硅片背面注入P型雜質(zhì)并退火，在N型場阻止層(8)下表面形成P型集電區(qū)(9); 第十二步:背面淀積金屬，在P型集電區(qū)(9)下表面形成金屬集電極(10)。
【文檔編號】H01L29/423GK105870181SQ201610414453
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年6月13日
【發(fā)明人】張金平, 陳文梅, 黃孟意, 田豐境, 劉競秀, 李澤宏, 任敏, 張波
【申請人】電子科技大學