[发明专利]一种沟槽栅电荷存储型IGBT及其制造方法

说明书

一种沟槽栅电荷存储型IGBT及其制造方法，属于功率半导体器件技术领域。本发明通过合理引入分裂沟槽栅结构和浮空P型体区，在不影响IGBT器件阈值电压和开通的情况下，减小了密勒电容，改善了密勒效应带来的不利影响；降低了整体栅电容，提高了器件开关速度，降低器件的开关损耗，改善传统CSTBT结构正向导通压降与关断损耗之间的折中；避免了器件开启动态过程中的电流、电压振荡和EMI问题，提高了器件的可靠性；改善了沟槽底部电场集中效应，提高了器件的击穿电压；提高器件发射极端的载流子增强效应，改善了漂移区的载流子浓度分布，进一步改善了正向导通压降与关断损耗的折中。此外，本发明提出的制造方法具有实现难度低、产品良率高、成本低的优势。

技术领域

本发明属于功率半导体器件技术领域，涉及绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，具体涉及一种沟槽栅电荷存储型绝缘栅双极型晶体管(CSTBT)及其制造方法。

背景技术

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是一种MOS场效应晶体管(MOSFET)和双极型晶体管(BJT)复合的功率半导体器件，兼并了MOS管和BJT的所有优点，不仅具有易于驱动，控制简单，导通压降低，还具有耐高压，通态电流大，电流处理能力强，损耗小一系列的优点。

IGBT自从1980年代公布以来，引起了世界众多半导体制造厂商和研究人员的重视，纷纷投入大量人力物力发展IGBT，到现在已成为核心的功率半导体器件之一，广泛应用在诸如能源、交通、通信、医学、工业、家用电器及航空航天等国民经济的各个领域。

随着IGBT制造工艺和器件结构设计的不断创新，IGBT的发明和应用本身也是一个不断改善的过程。表面结构由V型沟槽栅到平面栅然后到沟槽栅结构，纵向垂直结构也经历了NPT(非穿通型)到PT(穿通型)及FS(场阻止)型等器件结构和工艺的演变历程。图1示出了一种沟槽型IGBT器件的结构，通过挖槽工艺在表面采用沟槽栅结构代替普通的平面栅结构。当器件正向导通时，电流流经路径上的JFET电阻被挖槽工艺刻蚀掉，电流从漂移区直接流入垂直沟道进入发射区，由于剔除JFET电阻器件的导通压降会降低，IGBT的导通性能得到提高。此外，图1所示结构还采用了FS层结构，在与NPT IGBT结构具有同等耐压能力的情况下，该结构的IGBT具有更薄的漂移区，大大降低了漂移区电阻，从而降低了导通压降，提高了器件的开关速度。因此，沟槽IGBT的出现成为本领域技术上的一次革新，它不仅具有前面所述电流密度大，通态压降低等特点，更重要的是因为其很高的元胞密度折中了平面栅IGBT中控制载流子寿命而产生与正向导通压降的矛盾关系。然而，大电流密度使沟槽IGBT的短路饱和电流较大，会在一定程度上降低器件的短路电流能力。在沟槽IGBT的基础上，人们开发出来了载流子存储技术，其主要特点是引入空穴势垒，让器件拥有一个载流子存储区域。其中一种基本的方法是在N-漂移区的上方，利用掩模工艺增加一个低掺杂的N型CS层，用来阻挡P区对空穴的抽取，从而调节整个N-漂移区的载流子分布，增强电导调制效应，基于如图2所示结构的IGBT器件被称之为沟槽栅电荷存储型绝缘栅双极型晶体管(CSTBT)。图2示出的CSTBT器件同时引入了CS层和FS层，既降低了器件的导通压降又提高了器件的开关速度，在不使用载流子寿命控制技术的前提下，降低了器件的正向导通压降，折中了耐压与正向导通之间的矛盾关系，然而随着CS层掺杂浓度的提高会降低器件的击穿电压，为了避免CS层的影响，通常需要提高MOS结构的沟道密度，而高密度的沟槽栅会使得栅极电容明显增加，降低开关速度，增大开关损耗，影响器件导通压降与开关损耗的折中特性，另一方面高密度的沟槽栅还将增加器件的饱和电流密度，使器件短路安全工作区变差。

发明内容