[发明专利]一种MOS型功率器件及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体功率器件，尤其涉及一种MOS型功率器件及其制造方法。

背景技术

金属氧化物半导体场效应(MOS)型功率器件是一种利用电场效应控制导电沟道的形成于消失，从而实现对器件导通和关断控制的功率器件，目前主要包括金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，具有工作频率高、控制电路简单等优点，广泛应用于功率控制领域。

IGBT是一种结合了MOS晶体管的绝缘栅结构和双极型晶体管的高电流密度特性的元件。与MOS晶体管不同，IGBT具有寄生PNPN闸流管(thyristor)结构，其中该寄生PNPN闸流管结构包括P+集电极区、N型漂移区、P型基极以及位于栅极下方的沟道上和/或上方的N+发射极。当NPN晶体管和PNP晶体管的电流增益总和等于或大于1时，可以开启PNPN闸流管。这样会产生闩锁现象，使得栅极丧失其关闭能力。这种闩锁现象会限制IGBT的安全运行区(SOA)，并且由于过量的电流会突然流经元件而造成元件损坏。

如图1是现有技术中n型沟道平面MOS型功率器件的结构示意图，其中101为P型阱区，其结深一般为4um到5um，100为P型阱区的结弯曲中心，102为n型源区，103为n-型漂移区，104为P型集电区，105和107为绝缘层，108为门极，109为金属电极与101与102欧姆接触，形成发射极，110与104欧姆接触形成集电极；图2是图1结构中沿AB虚线剖面的杂质浓度纵向分布图，可以看出在硅片表面杂质浓度最大。

当给门极108施加相对发射极109的负偏电压或者低于阈值电压的正偏电压时，101区内邻近105区的表面无法形成n沟道，n型源区102与n-型漂移区103割断，在器件未击穿状态下，电流无法从集电极流至发射极，器件处于关断状态。

当给门极108施加相对发射极109高于阈值的正偏电压时，在P型阱区101内紧邻105区的表面形成n型导电沟道，沟道长度在2.5um左右满足要求，源区102与漂移区103导通，若集电极110与发射极109之间正向偏置，n型源区102内的电子将通过P型阱区101表面的导电沟道流至n-型漂移区103，在n-型漂移区，一部分电子与空穴复合，一部分电子通过J3发射到集电区104。集电区104内的空穴通过PN结J3注入到103区，一部分与电子复合，一部分流到上表面附近，被反偏的J2结收集，流经源区102下方的P型阱区101到达发射极109，随着电流增大，空穴电流增加，在P型阱区101体电阻上产生的压降增大，当该压降大到足以导通PN结J1时，寄生晶闸管开启，门极电压无法控制IGBT的关断，IGBT闩锁，电流急剧增大，导致器件烧毁。因此，减小阱区的体电阻，防止IGBT闩锁成为IGBT设计优化的重要内容。

现有的平面IGBT的阱区掺杂一般通过扩散源表面扩散或者表面离子注入后扩散形成。这种阱区掺杂结构杂质分布特点为，表面附近杂质浓度最高，沿着向下和横向扩散方向，杂质浓度递减。为了减小P型阱区电阻，有效防止闩锁，希望阱区浓度越大越好，这样可以降低P型阱区体电阻率，同时P型阱区结深越深，n源区下方横向电阻的横截面积越大，也能减小体电阻。然而，对于杂质浓度峰值在表面的传统阱区结构，增大阱区掺杂浓度，将会导致表面浓度显著升高，从而增大阈值电压，减小跨导。而增加P型阱区结深扩散的结果必然导致横向扩散也增加，沟道长度明显增加，降低跨导，增大通态压降。

图3是现有技术中n型沟道平面MOS型功率器件在P型阱区101中置入P+区201的结构示意图；为了改善阱区的掺杂结构，在形成P型阱区101后，增加一次大能量的离子注入，形成P+区201，以提高阱区浓度，降低电阻率，提高IGBT的抗闩锁性能。图4是图3结构中沿AB虚线剖面的杂质浓度纵向分布图；可以看出P型阱区内部的杂质浓度虽然提高了，但是硅片表面的浓度峰值依然存在，若满足沟道区浓度和沟道长度的要求，则必然限制着阱区结深的增加。

发明内容

本发明解决了现有技术中MOS型功率器件的抗闩锁性能、阈值电压、阱区掺杂浓度和结深的矛盾。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：