一种沟槽型IGBT功率器件的制作方法

本发明属于半导体功率器件技术领域，特别是涉及一种具有快速反向恢复功能的沟槽型igbt功率器件。

背景技术：

igbt(绝缘栅场效应晶体管)功率器件是由mos晶体管和双极型晶体管复合而成的一种器件，其输入极为mos晶体管，输出极为pnp晶体管，它融合了这两种器件的优点，既具有mos晶体管驱动功率小和开关速度快的优点，又具有双极型晶体管饱和压降低和容量大的优点，在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用，特别是占据了较高频率的大、中功率管应用的主导地位。

现有技术的沟槽型igbt功率器件的剖面结构示意图如图1所示，包括间隔设置的p型集电极区31和n型集电极区3，p型集电极区31和n型集电极区3通过集电极金属接触层70接集电极电压。在p型集电极区31和n型集电极区3之上的n型场截止区32，在n型场截止区32之上的n型漂移区30，在n型漂移区30内设有p型体区33，p型体区33和n型漂移区30之间形成沟槽型igbt功率器件中寄生的体二极管结构。在p型体区33内设有p型体区接触区38和n型源区34，n型源区34和p型体区接触区38通过发射极金属接触层47外接发射极电压。通常，p型体区接触区38的掺杂浓度要高于p型体区33的掺杂浓度的最大峰值，从而p型体区接触区38与发射极金属接触层47之间形成欧姆接触结构。位于相邻两个p型体区33之间且凹陷在n型漂移区30内的栅极沟槽，在栅极沟槽内形成有栅介质层35和栅极36，栅极36通过接栅极电压来控制电流沟道的开启和关断。绝缘介质层50为层间绝缘介质层。

现有技术的沟槽型igbt功率器件的导通和关断由栅极-发射极电压控制，当栅极-发射极电压达到mos晶体管的阈值电压vth时，mos晶体管内部形成电流沟道并为pnp晶体管提供基极电流，使得沟槽型igbt功率器件导通。当栅极-发射极电压小于mos晶体管的阈值电压vth时，mos晶体管内的电流沟道会被关断，pnp晶体管中的基极电流被切断，从而igbt功率器件被关断。现有技术的沟槽型igbt功率器件在关断时，当集电极-发射极电压小于0v时，igbt功率器件中寄生的体二极管处于正偏压状态，电流从发射极经体二极管流至集电极，此时体二极管的电流存在注入少子载流子现象，而这些少子载流子在沟槽型igbt功率器件再一次开启时进行反向恢复，导致较大的反向恢复电流，反向恢复时间长。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提供一种具有快速反向恢复功能的沟槽型igbt功率器件，以解决现有技术中的igbt功率器件因少子载流子注入问题造成的反向恢复时间较长的技术问题。

本发明实施例提供的一种沟槽型igbt功率器件，包括：

间隔设置的p型集电极区和n型集电极区，所述p型集电极区和所述n型集电极区均接集电极电压；

位于所述p型集电极区和所述n型集电极区之上的n型场截止区，位于所述n型场截止区之上的n型漂移区，位于所述n型漂移区内的至少两个p型体区，位于所述p型体区内的第一n型源区、第二n型源区和p型体区接触区，通常，所述p型体区接触区设于所述第一n型源区和所述第二n型源区之间；

位于所述p型体区接触区之上的导电层，所述导电层与所述p型体区接触区形成体区接触二极管结构，其中所述导电层为所述体区接触二极管结构的阴极，所述p型体区接触区为所述体区接触二极管结构的阳极；

位于相邻两个所述p型体区之间且凹陷在所述n型漂移区内的栅极沟槽，所述栅极沟槽内设有栅介质层、第一栅极和第二栅极；

位于所述p型体区内且介于所述第一n型源区和所述n型漂移区之间的第一电流沟道，所述第一栅极通过栅极电压来控制所述第一电流沟道的开启和关断；

位于所述p型体区内且介于所述第二n型源区和所述n型漂移区之间的第二电流沟道，所述第二栅极、第一n型源区、第二n型源区、导电层之间电性连接并均接发射极电压，所述第二栅极通过发射极电压来控制所述第二电流沟道的开启和关断。

可选的，所述第一电流沟道的开启电压大于所述第二电流沟道的开启电压。

可选的，所述导电层为位于所述p型体区之上的发射极金属接触层，所述p型体区接触区的掺杂浓度低于所述p型体区的掺杂浓度的最大峰值，所述p型体区接触区与所述发射极金属接触层形成肖特基势垒二极管结构，其中，所述发射极金属接触层为该肖特基势垒二极管的阴极，所述p型体区接触区为该肖特基势垒二极管的阳极。

可选的，所述第二栅极、第一n型源区、第二n型源区均通过所述发射极金属接触层外接发射极电压。

可选的，所述导电层为位于所述p型体区之上的n型多晶硅层，所述n型多晶硅层与所述p型体区接触区形成硅基的体区接触二极管结构，其中，所述n型多晶硅层为该体区接触二极管的阴极，所述p型体区接触区为该体区接触二极管的阳极。

可选的，所述n型多晶硅层与所述第二栅极、第一n型源区、第二n型源区接触连接，所述n型多晶硅层通过发射极金属接触层外接发射极电压。

可选的，所述n型多晶硅层与所述第一n型源区、第二n型源区接触连接，所述第二栅极和所述n型多晶硅层通过发射极金属接触层外接发射极电压。

可选的，所述导电层为位于所述p型体区内的n型掺杂区，所述n型掺杂区位于所述第一n型源区、第二n型源区之间，所述n型掺杂区与所述p型体区接触区形成硅基的体区接触二极管结构，其中，所述n型掺杂区为该体区接触二极管的阴极，所述p型体区接触区为该体区接触二极管的阳极。

可选的，所述第二栅极、第一n型源区、第二n型源区、n型掺杂区均通过发射极金属接触层外接发射极电压。

可选的，所述第一栅极和所述第二栅极设于所述栅极沟槽的内部两侧，所述第一栅极和所述第二栅极在所述栅极沟槽内由绝缘介质层隔离。

可选的，所述栅极沟槽包括第一栅极沟槽和第二栅极沟槽，所述第一栅极沟槽内设有栅介质层和第一栅极，所述第二栅极沟槽内设有栅介质层和第二栅极，所述第一栅极沟槽和所述第二栅极沟槽由所述n型漂移区隔离。

本发明实施例提供的一种沟槽型igbt功率器件在关断时，当发射极-集电极电压大于0v时，体区接触二极管处于负偏压状态，这能够大幅降低流经体二极管的反向电流，从而能够大幅减少体二极管内的少子载流子，进而能够减少沟槽型igbt功率器件的反向恢复电荷和反向恢复时间，使得沟槽型igbt功率器件能够实现快速的反向恢复功能；同时，当发射极-集电极电压达到第二栅极所控制的第二电流沟道的开启电压时，第二电流沟道开启，此时反向电流会由发射极经第二电流沟道流至集电极。

附图说明

为了更加清楚地说明本发明示例性实施例的技术方案，下面对描述实施例中所需要用到的附图做一简单介绍。显然，所介绍的附图只是本发明所要描述的一部分实施例的附图，而不是全部的附图，对于本领域普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图得到其他的附图。

图1是现有技术的一种沟槽型igbt功率器件的剖面结构示意图；

图2是本发明提供的一种沟槽型igbt功率器件的第一个实施例的剖面结构示意图；

图3是本发明提供的一种沟槽型igbt功率器件的第二个实施例的剖面结构示意图；

图4是本发明提供的一种沟槽型igbt功率器件的第三个实施例的剖面结构示意图；

图5是本发明提供的一种沟槽型igbt功率器件的第四个实施例的剖面结构示意图；

图6是本发明提供的一种沟槽型igbt功率器件的第五个实施例的剖面结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将结合本发明实施例中的附图，通过具体方式，完整地描述本发明的技术方案。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下获得的所有其他实施例，均落入本发明的保护范围之内。

应当理解，本发明所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”等术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。同时，为清楚地说明本发明的具体实施方式，说明书附图中所列示意图，放大了本发明所述的层和区域的厚度，且所列图形大小并不代表实际尺寸；说明书附图是示意性的，不应限定本发明的范围。说明书中所列实施例不应仅限于说明书附图中所示区域的特定形状，而是包括所得到的形状如制备引起的偏差等。

本领域的技术人员应当理解，igbt功率器件包括元胞区和终端区，其中，元胞区用于获得低导通电阻，终端区用于提高元胞区中最边缘的元胞的耐压。终端区是igbt功率器件中的通用结构，根据不同产品的要求有不同的设计结构，在本发明实施例中不再展示和描述沟槽型igbt功率器件的终端区的具体结构。本发明实施例中所描述的沟槽型igbt功率器件指的是沟槽型igbt功率器件中元胞区的结构。

图2是本发明提供的一种沟槽型igbt功率器件的第一个实施例的剖面结构示意图，如图2所示，本发明实施例提供的一种沟槽型igbt功率器件包括p型集电极区31和n型集电极区3，p型集电极区31和n型集电极区3均通过集电极金属接触层70接沟槽型igbt功率器件的集电极电压。位于p型集电极区31和n型集电极区3之上的n型场截止区32，位于n型场截止区32之上的n型漂移区30。在n型漂移区30内形成有至少两个p型体区33，在每个p型体区33内分别形成有p型体区接触区38、第一n型源区34a和第二n型源区34b，通常，p型体区接触区38位于第一n型源区34a和第二n型源区34b之间。

在该实施例中仅示例性的示出了三个p型体区33结构，p型体区33与n型漂移区30之间形成沟槽型igbt功率器件中寄生的体二极管结构，其中p型体区33为该体二极管的阳极，n型漂移区30为该体二极管的阴极。

位于p型体区接触区38之上的导电层37，导电层37与p型体区接触区38形成体区接触二极管结构，其中导电层37为该体区接触二极管结构的阴极，p型体区接触区38为该体区接触二极管结构的阳极，由此该体区接触二极管的阳极与寄生的体二极管的阳极连接。

可选的，导电层37可以为n型多晶硅层，也可以为金属层，由此体区接触二极管可以是硅基的体区接触二极管，也可以为肖特基势垒二极管。

位于相邻两个p型体区33之间且凹陷在n型漂移区30内的栅极沟槽，该栅极沟槽的底部可以高于p型体区33的底部，也可以低于p型体区33的底部或者与p型体区33的底部在相同的深度位置，图2仅以栅极沟槽的底部低于p型体区33的底部为例进行示例性说明。栅极沟槽内设有栅介质层35、第一栅极36a和第二栅极36b，第一栅极36a和第二栅极36b位于栅极沟槽的内部两侧，第一栅极36a和第二栅极36b在栅极沟槽内由绝缘介质层80隔离，绝缘介质层80通常为氧化硅。第一栅极36a外接沟槽型igbt功率器件的栅极电压，第二栅极36b、第一n型源区34a、第二n型源区34b、导电层37之间电性连接并均接igbt功率器件的发射极电压。在该实施例中，导电层37与第一n型源区34a、第二n型源区34b直接接触连接，因此只需要将导电层37与第二栅极36b电性连接即可。

位于p型体区33内且介于第一n型源区34a和n型漂移区30之间的第一电流沟道，第一栅极36a通过沟槽型igbt功率器件的栅极电压来控制第一n型源区34a与n型漂移区30之间的第一电流沟道的开启和关断。

位于p型体区33内且介于第二n型源区34b和n型漂移区30之间的第二电流沟道，第二栅极36b通过沟槽型igbt功率器件的发射极电压来控制第二n型源区34b与n型漂移区30之间的第二电流沟道的开启和关断。优选的，第一电流沟道开启电压要大于第二电流沟道的开启电压。

igbt功率器件中的电流沟道是当对栅极施加电压时在p型体区内形成的积累层及反型层，在本发明实施例附图中，沟槽型igbt功率器件中的第一栅极36a控制的第一电流沟道和第二栅极36b控制的第二电流沟道均未示出。

本发明的一种沟槽型igbt功率器件的导通和关断由栅极-发射极电压(即第一栅极-发射极电压)控制，当栅极-发射极电压达到第一电流沟道的开启电压(即沟槽型igbt功率器件的阈值电压)时，沟槽型igbt功率器件中的第一电流沟道开启并为pnp晶体管提供基极电流，使得沟槽型igbt功率器件导通。当栅极-发射极电压小于第一电流沟道的开启电压时，沟槽型igbt功率器件中的第一电流沟道会被关断，pnp晶体管中的基极电流被切断，从而沟槽型igbt功率器件被关断。

本发明的一种沟槽型igbt功率器件在关断时，当发射极电压大于集电极电压时，体区接触二极管处于负偏压状态，这能够大幅度降低流经体二极管的反向电流，从而能够大幅降低体二极管内的少子载流子，进而能够大幅降低沟槽型igbt功率器件的反向恢复电荷和反向恢复时间，使得沟槽型igbt功率器件能够实现快速的反向恢复功能；同时，当发射极-集电极电压达到第二栅极所控制的第二电流沟道的开启电压时，第二栅极所控制的第二电流沟道处于开启状态，从而反向电流由发射极经第二电流沟道流至集电极。

图3是本发明提供的一种沟槽型igbt功率器件的第二个实施例的剖面结构示意图，图3是本发明提供的一种沟槽型igbt功率器件在图2所示的本发明的一种沟槽型igbt功率器件的基础上，体区接触二极管结构采用肖特基势垒二极管结构的一个实施例。如图3所示，在p型体区33之上形成有发射极金属接触层47，发射极金属接触层47即为位于p型体区接触区38之上的导电层，此时，p型体区接触区38的掺杂浓度需要低于p型体区33的掺杂浓度的最大峰值，由此p型体区接触区38和发射极金属接触层47形成肖特基势垒二极管结构，其中，发射极金属接触层47为该肖特基势垒二极管的阴极，p型体区接触区38为该肖特基势垒二极管的阳极。第二栅极36b、第一n型源区34a、第二n型源区34b均通过发射极金属接触层47外接发射极电压，由此第二栅极36b通过发射极电压来控制靠近第二n型源区34b一侧的第二电流沟道的开启和关断。第一栅极36a通过栅极金属接触层(基于剖面的位置关系，栅极金属接触层在图3中未示出)外接栅极电压，由此第一栅极36a通过栅极电压来控制靠近第一n型源区34a一侧的第一电流沟道的开启和关断。发射极金属接触层47与栅极金属接触层之间由层间绝缘层50隔离，层间绝缘层50通常为硅玻璃、硼磷硅玻璃或磷硅玻璃等材料。

如图3所示本发明的一种沟槽型igbt功率器件，当肖特基势垒二极管的接触势垒极低时，肖特基势垒二极管结构可等效为欧姆接触结构，这能够在一定程度上降低流经体二极管的反向电流，从而能够减少体二极管内的少子载流子，进而能够减少沟槽型igbt功率器件的反向恢复电荷和反向恢复时间，使得沟槽型igbt功率器件能够实现快速的反向恢复功能，此时的沟槽型igbt功率器件的反向恢复速度慢于采用高接触势垒的肖特基势垒二极管时的反向恢复速度，但快于没有体区接触二极管结构的传统igbt功率器件的反向恢复速度。

图4是本发明提供的一种沟槽型igbt功率器件的第三个实施例的剖面结构示意图，图4是本发明提供的一种沟槽型igbt功率器件在图2所示的本发明的一种沟槽型igbt功率器件的基础上，体区接触二极管结构采用硅基的体区接触二极管的一个实施例。如图4所示，在p型体区33之上形成有n型多晶硅层57，n型多晶硅层57即为位于p型体区接触区38之上的导电层，由此p型体区接触区38和n型多晶硅层57形成硅基的体区接触二极管结构，其中，n型多晶硅层57为该体区接触二极管的阴极，p型体区接触区38为该体区接触二极管的阳极。n型多晶硅层57与第二栅极36b、第一n型源区34a、第二n型源区34b直接接触连接，n型多晶硅层57通过发射极金属接触层47外接发射极电压。由此第二栅极36b通过发射极电压来控制靠近第二源区34b一侧的第二电流沟道的开启和关断。第一栅极36a通过栅极金属接触层(基于剖面的位置关系，栅极金属接触层在图4中未示出)外接栅极电压，由此第一栅极36a通过栅极电压来控制靠近第一源区34a一侧的第一电流沟道的开启和关断。发射极金属接触层47与栅极金属接触层之间由层间绝缘层50隔离，层间绝缘层50通常为硅玻璃、硼磷硅玻璃或磷硅玻璃等材料。

可选的，当p型体区接触区38和n型多晶硅层57形成硅基的体区接触二极管结构时，n型多晶硅层57可以与第一n型源区34a、第二n型源区34b直接接触连接，然后第二栅极36b与n型多晶硅层57通过发射极金属接触层外接发射极电压。

图5是本发明提供的一种沟槽型igbt功率器件的第四个实施例的剖面结构示意图，图5是本发明提供的一种沟槽型igbt功率器件的体区接触二极管结构采用硅基的体区接触二极管的另一个实施例。如图5所示，本发明的一种沟槽型igbt功率器件包括p型集电极区31和n型集电极区3，p型集电极区31和n型集电极区3均通过集电极金属接触层70接沟槽型igbt功率器件的集电极电压。位于p型集电极区31和n型集电极区3之上的n型场截止区32，位于n型场截止区32之上的n型漂移区30。在n型漂移区30内还形成有至少两个p型体区33，位于p型体区33内的p型体区接触区38、n型掺杂区39、第一n型源区34a和第二n型源区34b，通常，p型体区接触区38和n型掺杂区39均设于第一n型源区34a和第二n型源区34b之间，n型掺杂区39位于p型体区接触区38之上，由此，位于p型体区33内的n型掺杂区39即为位于p型体区接触区38之上的导电层，由此，n型掺杂区39与p型体区接触区38形成硅基的体区接触二极管结构，其中，n型掺杂区39为该体区接触二极管结构的阴极，p型体区接触区38为该体区接触二极管结构的阳极。

位于相邻两个p型体区33之间且凹陷在n型漂移区30内的栅极沟槽，该栅极沟槽的底部可以高于p型体区33的底部，也可以低于p型体区33的底部或者与p型体区33的底部在相同的深度位置，图5仅以栅极沟槽的底部低于p型体区33的底部为例进行示例性说明。栅极沟槽内设有栅介质层35、第一栅极36a和第二栅极36b，第一栅极36a和第二栅极36b位于栅极沟槽的内部两侧，第一栅极36a和第二栅极36b在栅极沟槽内由绝缘介质层80隔离，绝缘介质层80通常为氧化硅。

位于p型体区33内且介于第一n型源区34a和n型漂移区30之间的第一电流沟道，第一栅极36a通过栅极金属接触层(基于剖面的位置关系，栅极金属接触层在图5中未示出)外接沟槽型igbt功率器件的栅极电压，从而第一栅极36a通过沟槽型igbt功率器件的栅极电压来控制第一电流沟道的开启和关断。

位于p型体区33内且介于第二n型源区34b和n型漂移区30之间的第二电流沟道，第二栅极36b、第一n型源区34a、第二n型源区34b与n型掺杂区39均通过发射极金属接触层47外接沟槽型igbt功率器件的发射极电压，由此，第二栅极36b通过沟槽型igbt功率器件的发射极电压来控制第二电流沟道的开启和关断。

发射极金属接触层47与栅极金属接触层之间由层间绝缘层50隔离，层间绝缘层50通常为硅玻璃、硼磷硅玻璃或磷硅玻璃等材料。

本发明提供的一种沟槽型igbt功率器件，第一栅极36a和第二栅极36b可以形成在一个栅极沟槽中(如图2、图3、图4和图5所示)，也可以形成在两个不同的栅极沟槽中，图6是本发明提供的一种沟槽型igbt功率器件的第五个实施例的剖面结构示意图，图6是本发明提供的一种沟槽型igbt功率器件在图2所示的一种沟槽型igbt功率器件的基础上，第一栅极36a和第二栅极3b形成在不同的栅极沟槽中的一个实施例。如图6所示，本发明的沟槽型igbt功率器件的栅极沟槽可以包括第一栅极沟槽和第二栅极沟槽，第一栅极沟槽内设有栅介质层35和第一栅极36a，第二栅极沟槽内设有栅介质层35和第二栅极36b，第一栅极沟槽和第二栅极沟槽由n型漂移区30隔离。第一栅极36a通过栅极电压来控制p型体区33内且靠近第一n型源区34a一侧的第一电流沟道的开启和关断，第二栅极36b通过发射极电压来控制p型体区33内且靠近第二n型源区34b一侧的第二电流沟道的开启和关断。

以上具体实施方式及实施例是对本发明提出的一种沟槽型igbt功率器件技术思想的具体支持，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在本技术方案基础上所做的任何等同变化或等效的改动，均仍属于本发明技术方案保护的范围。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。