一种IGBT器件的制作方法

一种igbt器件
技术领域
1.本技术涉及半导体技术领域，特别是涉及一种igbt器件。


背景技术：

2.绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，igbt)是由双极型三极管(bjt)和绝缘栅型场效应管(mosfet)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有mosfet器件的高输入阻抗和电力晶体管的低导通压降两方面的优点，由于igbt具有驱动功率小而饱和压降低的优点，目前igbt作为一种新型的电力电子器件被广泛应用到各个领域。
3.本技术的发明人在长期的研发过程中发现，现有igbt的场氧层上覆盖栅电极，在栅电极上施加零偏压或处于不定态(集电极与发射极之间不导通)时，漂移区表面会积累界面电荷，缩短耗尽区的边缘导致电场线集中，因而导致其耐压性能较低。


技术实现要素：

4.本技术主要解决的技术问题是如何提高igbt器件的耐压性能。
5.为解决上述技术问题，本技术采用的一个技术方案是：提供一种igbt器件。该igbt器件包括：igbt元胞；栅电极，设置在igbt元胞上；场氧层，设置在igbt元胞上；场板，设置于场氧层背离igbt元胞的一侧上，且场板与栅电极间隔设置。
6.在一具体实施例中，栅电极沿第一方向在igbt元胞上的投影与场氧层沿第一方向在igbt元胞上的投影不重叠；其中，第一方向与igbt元胞的导电沟道方向垂直。
7.在一具体实施例中，上述igbt器件进一步包括：发射极电极，设置在igbt元胞上，且发射极电极通过连接部与场板连接。
8.在一具体实施例中，发射极电极、连接部及场板一体设置。
9.在一具体实施例中，栅电极位于发射极电极与场板之间，igbt器件进一步包括：介质层，设置在发射极电极与场板之间、发射极电极与栅电极之间、场板与栅电极之间。
10.在一具体实施例中，上述igbt器件包括多个场板，间隔设置在igbt元胞上。
11.在一具体实施例中，场板为金属场板或者多晶硅场板。
12.在一具体实施例中，上述igbt器件进一步包括：集电极电极，沿第一方向在igbt元胞上的投影与场氧层沿第一方向在igbt元胞上的投影部分重叠；其中，第一方向与igbt元胞的导电沟道方向垂直。
13.在一具体实施例中，igbt器件进一步包括栅极氧化层，设置在栅电极与igbt元胞之间；igbt元胞包括：衬底，埋氧层，沿第一方向层叠设置在衬底的一侧上；漂移区，沿第一方向层叠设置在埋氧层背离衬底的一侧上；发射阱区，设置在漂移区背离埋氧层的一侧上，且与栅极氧化层接触；集电区，设置在漂移区背离埋氧层的一侧上，且与发射阱区间隔设置，漂移区进一步延伸至发射阱区、集电区及场氧层之间，集电极电极设置在集电区背离漂移区的一侧上；发射区，发射阱区设置在发射区及漂移区之间，发射区与发射极电极及栅极
氧化层接触设置；体区，设置在发射阱区背离漂移区的一侧，且与发射区及发射极电极接触。
14.本技术实施例的有益效果是：本技术igbt器件包括：igbt元胞；栅电极，设置在igbt元胞上；场氧层，设置在igbt元胞上；场板，设置于场氧层背离igbt元胞的一侧上，且场板与栅电极间隔设置。通过这种方式，本技术实施例igbt器件将设置在场氧层上的场板与栅电极间隔设置，使得igbt器件截止，即栅电极上施加零偏压或处于不定态，集电极与发射极之间不导通时，设置的场板可看作负压源，可避免界面电荷的积累，耗尽区边缘向外扩展，电场线变稀疏，因此能够提高igbt器件的耐压性能。
附图说明
15.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
16.图1是igbt器件部分结构的结构示意图；
17.图2是本技术igbt器件一实施例的结构示意图；
18.图3是本技术igbt器件一实施例的结构示意图；
19.图4是本技术igbt器件一实施例的结构示意图。
具体实施方式
20.下面结合附图和实施例，对本技术作进一步的详细描述。特别指出的是，以下实施例仅用于说明本技术，但不对本技术的范围进行限定。同样的，以下实施例仅为本技术的部分实施例而非全部实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本技术保护的范围。
21.在本技术实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术实施例中的具体含义。
22.在本技术实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
23.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领
域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
24.igbt器件的电极结构包括栅电极、发射极电极和集电极电极；通过给栅电极施加电压，可控制集电极电极与发射极电极之间的通断：栅电极与发射极电极之间不施加电压时，集电极电极与发射极电极之间断开；栅电极与发射极电极之间施加阈值电压时，集电极电极与发射极电极之间导通。
25.本技术的发明人在长期的研发工作中发现，如图1所示，通常igbt器件的场氧层11上的金属层(场板)12上所加偏压为0时，耗尽区13的边缘如曲线a所示；金属层12上所加偏压为正时，n漂移区14的电子会被吸引到场氧层11的下表面，形成积累层，缩短了耗尽区13的边缘，耗尽区13的边缘如曲线b所示；金属层12上所加偏压为负时，n区漂移区14的电子将会被排斥到场氧层11外，表面形成耗尽层，耗尽区13的边缘将会延长，如曲线c所示。曲线b的电场集中，将会降低igbt器件的耐压特性，而曲线c的电场线更为稀疏，因而能够提高igbt器件的耐压。
26.而现有igbt器件通常是将栅电极覆盖在场氧层上，且栅电极施加零电压或处于不定态时，开通过程中积累的负电荷或界面缺陷电荷会导致耗尽区收缩，电场线集中，因此现有igbt器件的耐压性较低。
27.为解决上述技术问题，本技术首先提出一种igbt器件，如图2所示，图2是本技术igbt器件一实施例的结构示意图。本实施例igbt器件20包括：igbt元胞21、栅电极22、场氧层23及场板24；其中，栅电极22设置在igbt元胞21上；场氧层23设置在igbt元胞21上；场板24设置于场氧层23背离igbt元胞21的一侧上，且场板24与栅电极22间隔设置。
28.其中，本实施例的场氧层23用于保护igbt器件20的元胞区，防止igbt元胞21被污染，钝化硅表面。
29.其中，本实施例的场板24设置在场氧层23背离igbt元胞21的一侧上；场板24能够起到负偏压的作用，调节漂移区27的电场分布，以提升igbt器件20的耐压性能。
30.在一应用场景中，栅电极22和发射极电极25保持零偏压，此时，发射极电极25与集电极电极26之间不导通，使得集电极(图未标)与发射极(图未标)之间不导通，未形成导电沟道，igbt器件20截止；此时，场板24与栅电极22间隔设置，场板24靠近集电极电极26一侧的电势高于靠近发射极电极25一侧的电势，因此会有电力线从半导体指向场板24，因此场板24可类似看作负电荷，避免了负电荷在界面的聚集，耗尽区的边缘向外扩展，耗尽区(图未标)的边缘如图1中曲线c所示，因此能提升igbt器件20的耐压性能。
31.可选地，本实施例可以将场板24浮空设置，以实现场板24的零偏压；本实施例可以通过同一工艺形成栅电极22及场板24，然后将栅电极22与场板24进行隔断处理，以使场板24浮空设置。
32.在另一场景中，因场板24与栅电极22间隔设置，可以单独给场板24提供负偏压，而不影响栅电极22上的电压；此时n区漂移区27的界面电荷将会被排斥远离场氧层23下表面，表面形成耗尽区的边缘将会延长，如如图1中曲线c所示，曲线c有更长的耗尽区，能够提高igbt器件20的耐压。
33.区别于现有技术，本实施例igbt器件20将设置在场氧层23上的场板24与栅电极22间隔设置，使得igbt器件截止，即栅电极上施加零偏压或处于不定态，集电极与发射极之间
不导通时，避免界面电荷的积累，耗尽区边缘向外扩展，电场线变稀疏，因此能够提高igbt器件的耐压性能。
34.可选地，本实施例的场板24可以为金属场板或者多晶硅场板；其中，金属场板具有较强的导电性，可以用于将场氧层23与供压元件或者结构连接；多晶硅场板的导电性较弱，可以将多晶硅场板做浮空设置，实现场板24的零偏压，能够提高场板24零偏压的稳定性，抗电磁干扰性。
35.可选地，本实施例igbt器件20进一步包括：集电极电极26和发射极电极25；其中，发射极电极26及集电极电极26设置在igbt元胞21上。
36.通过给栅电极22施加电压，可控制集电极电极26与发射极电极25之间的通断：栅电极22与发射极电极25之间不施加电压时，集电极电极26与发射极电极25之间断开，igbt器件20关断；栅电极22与发射极电极25之间施加电压大于阈值电压时，集电极电极26与发射极电极25之间导通，即igbt器件20导通。
37.其中，本实施例的栅电极22、发射极电极25及集电极电极26设置在igbt元胞21的同一侧上，能够便于栅电极22、发射极电极25及集电极电极26的同侧引出，简化igbt器件20结构。
38.其中，本实施例的集电极电极26沿第一方向在igbt元胞21上的投影与场氧层23沿第一方向在igbt元胞21上的投影部分重叠；其中，第一方向与igbt元胞21的导电沟道方向垂直。也就是说，集电极电极26部分覆盖场氧层23背离igbt元胞21的一侧。这种结构能够保证集电极电极26的尺寸，而不增加igbt器件20的尺寸。当然，在其它实施例中，集电极电极沿第一方向在igbt元胞上的投影与场氧层沿第一方向在igbt元胞上的投影不重叠，即集电极电极不覆盖在场氧层背离igbt元胞的一侧上。
39.可选地，本实施例igbt器件20进一步包括栅极氧化层29，栅极氧化层29设置在栅电极22与igbt元胞21之间。
40.可选地，本实施例的栅电极22位于发射极电极25与场板24之间，本实施例igbt器件20进一步包括介质层28；介质层28设置在发射极电极25与场板24之间、发射极电极25与栅电极22之间、场板24与栅电极22之间。介质层28能够将发射极电极25、栅电极22、场板24之间进行隔离。
41.可选地，本实施例的元胞21包括：衬底30、埋氧层31、漂移区27、阱区32、集电区33、发射区34及欧姆接触区35；其中，埋氧层31沿第一方向(垂直于导电沟道的方向)层叠设置在衬底30的一侧上；漂移区27沿第一方向层叠设置在埋氧层31背离衬底30的一侧上；阱区32设置在漂移区27背离埋氧层31的一侧上，且与栅极氧化层29接触；集电区33设置在漂移区27背离埋氧层31的一侧上，且与阱区32间隔设置，漂移区27进一步延伸至阱区32、集电区33及场氧层23之间，集电极电极26设置在集电区33背离漂移区27的一侧上；阱区32设置在发射区34与漂移区27之间，发射区34与发射极电极25及栅极氧化层29接触；欧姆接触区35设置在阱区32背离漂移区27的一侧，且与发射区34及发射极电极25接触。
42.其中，埋氧层31分别与漂移区27及衬底30直接接触或者通过导电层间接接触；漂移区27与阱区32、集电区33及场氧层23直接接触或者通过导电层间接接触；发射区34与阱区32及欧姆接触区35直接接触或者通过导电层间接接触；集电区33与集电极电极26直接接触或者通过导电层间接接触；发射极电极25与欧姆接触区35及发射区34直接接触或者通过
导电层间接接触；栅极氧化层29分别与栅电极22、场氧层23、发射区34、阱区32及漂移区27直接或者通过导电层间接接触。
43.本实施例的阱区32呈l形设置，l形的阱区32的两内侧边与发射区34和欧姆接触区35接触，两外侧与漂移区27接触。
44.本实施例的igbt元胞21通过设置欧姆接触区35，能够提高抗闩锁能力，且在igbt元胞21关断时，提供少子抽取通道，因此能够加快igbt元胞21的关断速度,。
45.本实施例的栅电极22沿第一方向在igbt元胞21上的投影与场氧层23沿第一方向在igbt元胞21上的投影不重叠；这种结构工艺简单易实现。在其它实施例中，栅电极还可以延伸至场氧层背离igbt元胞的一侧上，在保证igbt器件20的尺寸时，增加栅电极22的尺寸。
46.其中，第一方向与igbt元胞21的导电沟道方向垂直。
47.其中，本实施例的栅电极22沿导电沟道方向与场氧层23接触设置。
48.在其它实施例中，栅电极沿导电沟道方向与场氧层间隔设置，介质层进一步延伸至栅电极与场氧层之间。
49.其中，衬底30用于支撑igbt元胞21及igbt元胞21上的场氧层23、栅电极22、发射极电极25及集电极电极26等结构；本实施例的衬底30可以是直接铜键合衬底(direct
‑
copper
‑
bonded，dcb)或者绝缘金属衬底(insulated
‑
metal
‑
substrate，ims)等；igbt器件采用硅片制作时，栅极氧化层29及场氧层23都可以是sio2层。
50.埋氧层31用于将衬底30与衬底30上的半导体结构进行隔离。本实施例可以通过绝缘衬底30上的硅(silicon
‑
on
‑
insulator，soi)工艺形成埋氧层31。
51.在一应用场景中，在soi工艺中，可以采用注氧隔离技术将高能量、大剂量氧注入硅中形成埋氧层；埋氧层把原始硅片分成两部分，上面部分的薄层硅片用来形成本实施例的igbt元胞21等半导体结构，下面部分的硅片用来形成本实施例的衬底30。
52.在另一应用场景中，在soi工艺中，可以将两个生长了氧化层的硅片键合在一起，两个氧化层通过键合粘贴在一起形成埋氧层，上面的硅片用来形成本实施例的igbt元胞21等半导体结构，下面的硅片用来形成本实施例的衬底30。
53.当然，其它应用场景中，还可以采用其它soi工艺形成本实施例的埋氧层31，例如智能剥离技术等。
54.本实施例通过soi工艺形成埋氧层31，能够改善igbt器件20的闩锁效应，能够减少igbt器件20的寄生效应，且无需制作阱，能够简化工艺，减少igbt器件20的尺寸，有利于igbt器件20的小型化。
55.本实施例的igbt器件20采用硅片制作时，埋氧层31可以是sio2层。
56.区别于现有技术，本实施例igbt器件20将设置在场氧层23上的场板24与栅电极22间隔设置，使得igbt器件20截止，即栅电极22上施加零偏压或处于不定态，集电极(图未标)与发射极(图未标)之间不导通时，避免界面电荷的积累，耗尽区边缘向外扩展，电场线变稀疏，因此能够提高igbt器件的耐压性能。
57.其中，本实施例的漂移区27具有第一掺杂类型，发射区34具有第一掺杂类型，且发射区34的掺杂浓度大于漂移区27的掺杂浓度，欧姆接触区35具有第二掺杂类型，且第一掺杂类型与第二掺杂类型不同；进一步地，本实施例的集电区33具有第二掺杂类型，阱区32具有第二掺杂类型，欧姆接触区35具有第二掺杂类型，且集电区33的掺杂浓度大于阱区32的
掺杂浓度，欧姆接触区35的掺杂浓度大于阱区32的掺杂浓度。
58.具体地，本实施例的第一掺杂类型为n型掺杂，第二掺杂类型为p型掺杂，即igbt元胞21由n型掺杂漂移区、n型掺杂发射区、p型掺杂p+欧姆接触区、p型掺杂集电区及p型掺杂阱区组成。本实施例的igbt元胞21为npn结构，在igbt元胞21导通时，形成n型导电沟道。
59.进一步地，本实施例不限定衬底30的掺杂类型，衬底30可以是n型掺杂或p型掺杂。
60.具体地，在igbt元胞21导通时，发射极注入的少数载流子为空穴，集电极注入的少数载流子为电子；栅电极22上施加的电压大于阈值电压时，发射极通过n型掺杂发射区、p型掺杂欧姆接触区及p型掺杂阱区向n型掺杂漂移区注入高浓度电子，并通过p型掺杂集电区，从而形成电子电流；同时，集电极通过p型掺杂集电区向n型掺杂漂移区注入高浓度空穴，并与n型掺杂漂移区的高浓度电子复合，形成空穴电流。电子电流与空穴电流之和，构成了igbt元胞21的饱和电流能力；此时，因场板24与栅电极22间隔设置，场板24上所加偏压为0或者负偏压，耗尽区的边缘如图1中曲线c或者曲线a所示，能够提高igbt器件20的耐压性能。
61.在另一实施例中，本实施例的第一掺杂类型为p型掺杂，第二掺杂类型为n型掺杂，即igbt元胞由p型掺杂漂移区、p型掺杂发射区、n型掺杂欧姆接触区、n型掺杂集电区及n型掺杂阱区组成。本实施例的igbt元胞为pnp结构，在igbt元胞导通时，形成p型导电沟道。
62.进一步地，本实施例不限定衬底的掺杂类型，衬底可以是n型掺杂或p型掺杂。
63.具体地，在igbt元胞导通时，发射极注入的少数载流子为电子，集电极注入的少数载流子为空穴；发射极
‑
栅电极上施加的电压大于阈值电压时，发射极通过p型掺杂发射区、n型掺杂欧姆接触区及n型掺杂阱区向p型掺杂漂移区注入高浓度空穴，并通过n型掺杂集电区，从而形成空穴电流；同时，集电极通过n型掺杂集电区向p型掺杂漂移区注入高浓度电子，并与p型掺杂漂移区的高浓度电子复合，形成电子电流。电子电流与空穴电流之和，构成了igbt元胞的饱和电流能力；此时，因场板与栅电极间隔设置，场板上所加偏压为0或者负偏压，耗尽区的边缘如图1中曲线c或者曲线a所示，能够提高igbt器件的耐压性能。
64.本实施例igbt器件20为横向igbt器件；在其它实施例中可以通过类似的结构实现纵向igbt器件，这里不赘述。
65.本技术进一步提出另一实施例的igbt器件，如图3所示，图3是本技术igbt器件一实施例的结构示意图。本实施例igbt器件30与上述实施例igbt器件20的区别在于：本实施例igbt器件30包括多个场板24，多个场板24间隔设置在igbt元胞21上。
66.耗尽区的边缘位置与场板24的位置相关，本实施例设置多个场板24能够将耗尽区的边缘往集电区33拉伸，能够进一步提高igbt器件30的耐压性能。
67.进一步地，介质层28进一步延伸至多个场板24之间，以隔离多个场板24。
68.区别于现有技术，本实施例igbt器件30将设置在场氧层23上的场板24与栅电极22间隔设置，使得igbt器件30截止，即栅电极22上施加零偏压或处于不定态，集电极(图未标)与发射极(图未标)之间不导通时，避免界面电荷的积累，耗尽区边缘向外扩展，电场线变稀疏，因此能够提高igbt器件的耐压性能。进一步地，本实施例通过设置多个场板24能够进一步提高igbt器件30的耐压性能。
69.本技术进一步提出另一实施例的igbt器件，如图4所示，图4是本技术igbt器件一实施例的结构示意图。本实施例igbt器件40与上述实施例igbt器件20的区别在于：本实施
例的发射极电极25通过连接部(图未标)与场板24连接。因发射极电极25始终保持零偏压，将发射极电极25与发射极电极25连接，能够使场板24始终保持零偏压，能够避免耗尽区的边缘缩短。因此能够提升igbt器件20的耐压性能。
70.可选地，本实施例的发射极电极25、连接部及场板24一体设置，也就是说，可以将发射极电极25直接与场板24连接，能够简化工艺，提高电气性能。
71.需要注意的是，本技术实施例igbt器件的各层半导体结构、电极结构的形状及位置可以根据具体产品设计进行适当变化。
72.本技术实施例igbt器件能够应用于智能功率模块等终端器件，可用于家用电器、轨道交通、电力系统等领域。
73.区别于现有技术，本技术igbt器件包括：igbt元胞；栅电极，设置在igbt元胞上；场氧层，设置在igbt元胞上；场板，设置于场氧层上，且场板与栅电极间隔设置。通过这种方式，本技术实施例igbt器件将设置在场氧层背离igbt元胞的一侧上的场板与栅电极间隔设置，使得igbt器件截止，即栅电极上施加零偏压或处于不定态，集电极与发射极之间不导通时，避免界面电荷的积累，耗尽区边缘向外扩展，电场线变稀疏，因此能够提高igbt器件的耐压性能。
74.以上所述仅为本技术的实施方式，并非因此限制本技术的专利范围，凡是利用本技术说明书及附图内容所作的等效机构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本技术的专利保护范围内。