[发明专利]双沟槽‑栅极绝缘栅双极晶体管结构

说明书

技术领域

本发明主要涉及功率器件。确切地说，本发明是关于用于绝缘栅双极晶体管（IGBT）的器件结构及其制备方法。

背景技术

绝缘栅双极晶体管（IGBT）是一种带有合成结构的半导体功率器件，合成结构中结合了金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）以及双极结型晶体管（BJT）。设计IGBT的性能特点，以获得高于MOSFET的电流密度，以及比BJT更快、更高效地开关性能以及更好地控制。另外，可以轻掺杂IGBT的漂流区，以提高闭锁性能。同时，由于轻掺杂漂流区承受了来自底部P集电极区的高级别载流子注入，形成传导模式，因此器件仍然可以具有良好的导电性。凭借轻松控制栅极电极、双极电流机制等MOSFET的性能以及开关时间较短、功率损耗较低等优点，IGBT可被广泛应用于高压和高功率应用。

配置和制备IGBT器件的传统技术，由于存在各种取舍关系，在进一步提高性能方面仍然遇到许多困难和局限。在IGBT器件中，传导损耗和断开开关损耗E_off之间存在取舍。在额定电流处，传导损耗取决于集电极到发射极的饱和电压V_ce（SAT）。当器件打开时，较多的载流子注入提高了器件的导电性，从而降低了传导损耗。然而，由于断开时清除注入的载流子所耗散的能量，较多的载流子注入也会使断开开关损耗较高。

饱和时（V_ce（SAT））IGBT的集电极-发射极电压及其击穿电压（V_BD）之间存在另一种取舍。增加顶部注入时，可以提高V_ce（SAT），但是通常会降低击穿电压V_BD。带有高密度深沟槽的IGBT器件能够克服这种取舍，但很难制备这种小间距、高纵横比沟槽的高密度器件。

IGBT器件具有不同的结构，例如平面栅IGBT器件以及沟槽栅极类型的IGBT器件。图1A表示一种传统的平面栅IGBT剖面图。图1B表示具有沟槽栅极的另一种传统的IGBT器件剖面图。图1A和1B的两种结构包括一个设置在p-型阱区（20或120）上方的第二个栅极G2，以便在第一阱区（22或122）和漂流区（24或124）之间制备一个MOSFET通道。由于p-型阱区20（也与p-型阱区120类似）具有一个在主电流通路中的P区20a，区20b向上延伸到结构的表面18，使得制备过程比较复杂。另外，对于平面栅IGBT器件来说，第二个栅极G2浪费了有源器件区。

发明内容

本发明提供了关绝缘栅双极晶体管（IGBT）的器件结构，该器件结构击穿电压低，具有良好的饱和电流，可快速断开，并且断开损耗很低。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种绝缘栅双极晶体管器件，其特点是，包括：

衬底，其包括一个第一导电类型的半导体底层以及一个第二导电类型的半导体顶层；

至少一个第一栅极，其设置在衬底上方的相应的第一沟槽中，所述的第一沟槽在沟槽的每个侧面带有一个栅极绝缘物，并用多晶硅填充；

第二栅极，其设置在衬底上方的第二沟槽中，所述的第二沟槽在沟槽的每个侧面带有一个栅极绝缘物，并用多晶硅填充，所述的第二沟槽垂直延伸到比所述的第一沟槽更深的地方；

第一导电类型的本体区，其设置在所述的第一栅极和/或第二栅极之间；以及

至少一个堆栈层，其设置在所述的第一栅极的底部和半导体顶层的顶部之间，所述的堆栈层包括一个第二导电类型的浮动本体区，位于一个第一导电类型的浮动本体区上方，所述的堆栈层设置在第二沟槽底部和所述的第一沟槽底部之间。

所述的堆栈层的底部在第二栅极的底部上方。

所述的第一栅极垂直延伸到范围约为1至3微米的深度，间距为1至3微米。

所述的第二栅极垂直延伸到比所述的第一栅极更深3至6微米的深度。

所述的第一导电类型的浮动本体区在第二栅极的一个侧壁附近。

所述的第一导电类型的本体区的掺杂浓度，低于第一导电类型的浮动本体区的掺杂浓度。

所述的第一导电类型为P型，第二导电类型为N型。

所述的第一导电类型为N型，第二导电类型为P型。

所述的第二栅极的底部触及到半导体顶层中。

所述的第一导电类型的本体区的掺杂浓度范围在5e17cm-3至5e19cm-3之间。

至少一个所述的第一或第二导电类型的浮动本体区为P-型，掺杂浓度在1e16cm-3至5e17cm-3之间，低于本体区的掺杂浓度。