提升抗闩锁能力的低通态压降IGBT的制作方法

本发明涉及一种igbt器件，尤其是一种提升抗闩锁能力的低通态igbt，属于igbt器件的技术领域。

背景技术：

igbt是功率半导体器件中具有代表性的一类器件，具有驱动容易、控制简单、开关频率高、导通电压低、通态电流大、损耗小等优点，是自动控制和功率变换的关键核心部件，而闩锁问题是影响igbt可靠性的重要原因之一。

如图1和图2所示，为基本的igbt结构及其等效电路，由图1看出，以n型igbt结构中包含了由n+发射区3、p型基区7、n型漂移区8和p+集电极区9构成的n-p-n-p的四层三结的晶闸管结构。由图2的等效电路来解释igbt发生闩锁的机制：当igbt正常工作时，寄生晶闸管不会开启，这是由于正常工作电流下n+发射区3和p型基区7形成的短路发射极结构保证了上层npn管的发射结不发生导通(in1>>ip1>>ip2)，igbt电流受到栅极电压的控制，具有饱和特性；当igbt的电流密度过大时，过高的空穴电流流过n+发射区3下方的p型基区7(电流ip2)，该电流在p型基区路径电阻rp-body上产生压降，若压降足够大则会使p型基区7与n+发射区3形成的pn结正偏，上层的npn管开启进入放大区工作，并驱动下层的pnp管，pnp管开启后又反过来对上层npn管形成正反馈，再生反馈效应使得igbt栅极失去对电流的控制能力，电流迅速增大，当电流增大到一定程度后，可能使igbt器件过热烧毁，因此，闩锁现象限制了igbt的最大安全工作电流。

igbt发生闩锁的临界条件是：αnpn+αpnp≥1，其中，αnpn和αpnp分别是上层npn管和下层pnp管的开基极电流增益，由该条件可以看出，要抑制寄生晶闸管的闩锁效应，就必须减小上层npn管和下层pnp管的开基极电流增益，由于宽基区的下层pnp管在igbt正常工作时需要传导通态电流，减小其电流增益会增大igbt的导通压降，而上层npn通常不参与igbt导通态电流的传导，因此，最好是降低上层npn管的电流增益。

目前，采用防止措施是在增加p型基区的掺杂浓度，以减小n+区3下方的p型基区7的路径电阻，以防止n+发射区3/p型基区7结发生正偏，但该方法有可能增加igbt的阈值电压并降低反向耐压。

综上，现有的常规igbt器件具有较高的通态压降以及低抗闩锁能力，尤其是在高压应用时，不利于igbt在高压、高可靠性、低功耗上进一步发展。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种提升抗闩锁能力的低通态压降igbt，其结构紧凑，能在不影响igbt正常工作特性的情况下，提高igbt的抗闩锁能力，实现低通态压降，安全可靠。

按照本发明提供的技术方案，所述提升抗闩锁能力的低通态压降igbt，包括半导体基板以及位于所述半导体基板中心的元胞区，所述半导体基板包括第一导电类型漂移区以及位于所述第一导电类型漂移区内上部的第二导电类型基区；

所述元胞区包括若干元胞沟槽，所述元胞沟槽位于第二导电类型基区内，且元胞沟槽的深度伸入第二导电类型基区下方的第一导电类型漂移区内；在相邻元胞沟槽间的第二导电类型基区内设置第一导电类型源区，第一导电类型源区与相应的元胞沟槽的侧壁接触，元胞沟槽内设置沟槽栅结构；在第一导电类型漂移区上设置发射极结构；

在所述第一导电类型漂移区内还设有第一导电类型的载流子引导体，所述载流子引导体包括位于元胞沟槽正下方的第一导电类型第一载流子引导层以及位于第二导电类型基区下方的第一导电类型第二载流子引导层；

第一导电类型第二载流子引导层在第二导电类型基区下方呈对称分布，第一导电类型第二载流子引导层的上部与第二导电类型基区以及相邻元胞沟槽的外壁接触，第一导电类型第二载流子引导层的下端与第一导电类型第一载流子引导层接触。

在igbt器件的横向方向且从靠近栅极中心指向栅极边缘的方向上，第一导电类型第一载流子引导层的杂质掺杂浓度逐渐降低。

第一导电类型第二载流子引导层呈倒梯形，第一导电类型第二载流子引导层为均匀掺杂或非均匀掺杂；

第一导电类型第二载流子引导层为非均匀掺杂时，在igbt器件的横向上，第一导电类型第二载流子引导层包括n个不同掺杂浓度的子区域，在远离沟槽栅的方向上，子区域的掺杂浓度逐渐降低。

在所述元胞沟槽的正下方还设置第二导电类型浮空区，第二导电类型浮空区位于第一导电类型第一载流子引导层的上方，第二导电类型浮空区与元胞沟槽槽底的外壁以及第一导电类型第二载流子引导层接触。

在相邻元胞沟槽间的第二导电类型基区内还设置第二导电类型发射体，所述第二导电类型发射体包括第二导电类型第一发射区以及位于所述第二导电类型第一发射区下方的第二导电类型第二发射区；

发射极结构包括发射极金属，所述发射极金属与第一导电类型源区、第二导电类型第一发射区欧姆接触，第二导电类型第一发射区与两侧的第一导电类型源区接触，第二导电类型第二发射区的宽度大于第二导电类型第一发射区的宽度。

所述沟槽栅结构包括覆盖于元胞沟槽内壁以及底壁上的绝缘栅氧化层以及填充在所述元胞沟槽内的栅极多晶硅，所述栅极多晶硅通过绝缘栅氧化层与元胞沟槽的侧壁、底壁绝缘隔离；栅极多晶硅通过绝缘介质层与发射极结构绝缘隔离。

还包括设置于半导体基板背面的集电极结构，所述集电极结构为透明阳极结构或短路阳极结构。

所述半导体基板还包括位于第一导电类型漂移区正下方的第一导电类型场截止层，在所述第一导电类型场截止层的正下方设置第二导电类型集电区，在所述第二导电类型集电区上设置集电极金属，所述集电极金属与第二导电类型集电区欧姆接触，第一导电类型场截止层位于第一导电类型漂移层与第二导电类型集电区之间，且第一导电类型场截止层邻接第一导电类型漂移层、第二导电类型集电区。

所述“第一导电类型”和“第二导电类型”两者中，对于n型功率igbt器件，第一导电类型指n型，第二导电类型为p型；对于p型功率igbt器件，第一导电类型与第二导电类型所指的类型与n型半导体器件正好相反。

本发明的优点：第二导电类型基区设置第二导电类型发射体，第二导电类型发射体的第二导电类型第一发射区与发射极金属欧姆接触，通过第二导电类型发射体提供低阻路径，由于第二导电类型发射体在第二导电类型基区中呈倒t形分布，有效地避免了阈值电压与击穿电压降低并提高了抗闩锁能力。在元胞沟槽的下方设置第一导电类型第一载流子引导层，利用自建电场将栅极下方电流向栅极区域两端引导，同时在第二导电类型基区在下方引入的倒梯形分布的第一导电类型第二载流子引导层，第一导电类型第一载流子引导层、第一导电类型第二载流子引导层由于和第一导电类型漂移区具有一定的浓度差，其自建电场可以在横向上对载流子进行引导，使得第一导电类型源区下方的电流密度减小，更大程度上将电流从栅极区域向第二导电类型发射体下方引导，第一导电类型第二载流子引导层在第二导电类型基区中心下方的不连贯分布还有利于保持高耐压，避免了有载流子引导层的高浓度造成的击穿电压下降。另外，第一导电类型第一载流子引导层、第一导电类型第二载流子引导层还具有载流子存储层的作用，有很大程度上降低导通压降，安全可靠。

附图说明

图1为现有igbt器件的结构剖视图。

图2为现有igbt器件的等效电路图。

图3为本发明的结构示意图。

图4为本发明n型第二载流子引导层采用非均匀掺杂的示意图。

图5为本发明设置p型浮空区的示意图。

附图标记说明：1-发射极金属、2-绝缘介质层、3-n+源区、4-p+接触区、5-栅极多晶硅、6-绝缘栅氧化层、7-p型基区、8-型漂移区、9-p+集电区、10-集电极金属、11-n型场截止层、12-p型第一发射区、13-p型第二发射区、14-n型第二载流子引导层、15-n型第一载流子引导层以及16-p型浮空区。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图2所示：为了能在不影响igbt正常工作特性的情况下，提高igbt的抗闩锁能力，实现低通态压降，以n型igbt器件为例，本发明包括半导体基板以及位于所述半导体基板中心的元胞区，所述半导体基板包括n型漂移区8以及位于所述n型漂移区8内上部的p型基区7；

所述元胞区包括若干元胞沟槽，所述元胞沟槽位于p型基区7内，且元胞沟槽的深度伸入p型基区7下方的n型漂移区8内；在相邻元胞沟槽间的p型基区7内设置n+源区3，n+源区3与相应的元胞沟槽的侧壁接触，元胞沟槽内设置沟槽栅结构；在n型漂移区8上设置发射极结构；

在所述n型漂移区8内还设有n型的载流子引导体，所述载流子引导体包括位于元胞沟槽正下方的n型第一载流子引导层15以及位于p型基区7下方的n型第二载流子引导层14；

n型第二载流子引导层14在p型基区7下方呈对称分布，n型第二载流子引导层14的上部与p型基区7以及相邻元胞沟槽的外壁接触，n型第二载流子引导层14的下端与n型第一载流子引导层15接触。

具体地，半导体基板可以采用常用的半导体材料，如硅等，具体可以根据需要进行选择，n型漂移区8的上表面为整个半导体基板的上表面，p型基区7位于n型漂移区8内，一般地，p型基区7从n型漂移区8的上表面垂直向下延伸，p型基区7与n型漂移区8形成上下两层的分布。

采用本技术领域常用的技术手段对半导体基板进行刻蚀，以得到元胞沟槽，元胞沟槽的从n型漂移区8的上表面垂直向下延伸，元胞沟槽的槽底位于p型基区7的下方，从而，元胞区内的p型基区7被间隔在相邻的元胞沟槽间，p型基区7与元胞沟槽的上部外壁接触。

在所述igbt器件的截面上，n+源区3对称分布于p型基区7内，p型基区7内的n+源区3互不接触，n+源区3与紧邻元胞沟槽的外壁接触，元胞沟槽内设置沟槽栅结构，通过沟槽栅能形成igbt器件的栅极。通过发射极结构能形成igbt器件的发射极。

在所述igbt器件的截面上，载流子引导体为n导电类型，n型第一载流子引导层15位于元胞沟槽的正下方，n型第一载流子引导层15在n型漂移区8内呈长条状，n型第一载流子引导层15的长度大于元胞沟槽的宽度，即n型第一载流子引导层15的端部位于p型基区7的下方，n型第一载流子引导层15与p型基区7间存在空间的交叠。n型第二载流子引导层14对称分布于p型基区7的下方，位于p型基区7下方的两n型第二载流子引导层14间互不接触。n型第二载流子引导层14的上端与p型基区7下表面接触，n型第二载流子引导层14的侧面与邻近的元胞沟槽的外壁接触，p型基区7的下表面具体是指p型基区7位于n型漂移区8内且邻近元胞沟槽槽底的一侧表面。

进一步地，在igbt器件的横向方向且从靠近栅极中心指向栅极边缘的方向上，n型第一载流子引导层15的杂质掺杂浓度逐渐降低。本发明实施例中，栅极中心即为元胞沟槽的中心，栅极边缘即为元胞沟槽的侧壁方向。

进一步地，n型第二载流子引导层14呈倒梯形，n型第二载流子引导层14为均匀掺杂或非均匀掺杂；

n型第二载流子引导层14为非均匀掺杂时，在igbt器件的横向上，n型第二载流子引导层15包括n个不同掺杂浓度的子区域，在远离沟槽栅的方向上，子区域的掺杂浓度逐渐降低。

图2中，n型第二载流子引导层14为采用均匀掺杂的情况，图3中，n型第二载流子引导层14采用非均匀掺杂的情况。n型第二载流子引导层14呈倒梯形，具体是指，n型第二载流子引导层14与p型基区7接触一端的宽度大于n型第二载流子引导层14与n型第一载流子引导层15的宽度。当n型第二载流子引导层15采用n个不同掺杂浓度的子区域时，n≥3，在igbt器件的纵向上，每个子区域的掺杂浓度相同；不同子区域的掺杂浓度不同，n型第二载流子引导层15与元胞沟槽外壁接触的一侧为靠近沟槽栅的方向，n型第二载流子引导层15的另一侧为远离沟槽栅的方向。

如图5所示，在所述元胞沟槽的正下方还设置p型浮空区16，p型浮空区16位于n型第一载流子引导层15的上方，p型浮空区16与元胞沟槽槽底的外壁以及n型第二载流子引导层14接触。

本发明实施例中，p型浮空区16可以通过低能注入形成，p型浮空区16包裹元胞沟槽槽底的外壁，且p型浮空区16与n型第二载流子引导层14接触，通过p型浮空区16可以提高耐压，降低元胞沟槽底部的电场，降低反馈电容。

此外，在p型基区7内还设置p型发射体，所述p型发射体包括p型第一发射区12以及位于所述p型第一发射区2下方的p型第二发射区13；

发射极结构包括发射极金属1，所述发射极金属1与n+源区3、p型第一发射区12欧姆接触，p型第一发射区12与两侧的n+源区3接触，p型第二发射区13的宽度大于p型第一发射区12的宽度。

本发明实施例中，p型发射体位于p型基区7内，p型第一发射区12呈竖向分布，p型第二发射区13呈横向分布，p型第一发射区12从n型漂移区8的上表面垂直向下延伸，p型第二发射区13的宽度大于p型第一发射区12的宽度，p型第一发射区12与p型第二发射区13间形成倒t型结构，因此，p型第二发射区13与p型第一发射区12两侧的n+源区3存在空间交叠。p型第一发射区12、p型第二发射区13的掺杂浓度大于p型基区7的掺杂浓度，发射极金属1与n+源区3、p型第一发射区12欧姆接触，从而能形成igbt器件的发射极。

具体实施时，所述沟槽栅结构包括覆盖于元胞沟槽内壁以及底壁上的绝缘栅氧化层6以及填充在所述元胞沟槽内的栅极多晶硅5，所述栅极多晶硅5通过绝缘栅氧化层6与元胞沟槽的侧壁、底壁绝缘隔离；栅极多晶硅5通过绝缘介质层2与发射极结构绝缘隔离。

本发明实施例中，绝缘栅氧化层6可以采用热氧化生长或其他方式设置在元胞沟槽内，绝缘栅氧化层6覆盖元胞沟槽的侧壁以及底壁，栅极多晶硅5填充在元胞沟槽内，栅极多晶硅5通过绝缘介质层2与发射极金属1绝缘隔离，绝缘介质层2一般覆盖于元胞沟槽的槽口，绝缘介质层2支撑在n型漂移区8的上表面。

此外，为了能形成完整的igbt器件，还包括设置于半导体基板背面的集电极结构，所述集电极结构为透明阳极结构或短路阳极结构。

具体地，所述半导体基板还包括位于n型漂移区8正下方的n型场截止层11，在所述n型场截止层11的正下方设置p+集电区9，在所述p+集电区9上设置集电极金属10，所述集电极金属10与p+集电区9欧姆接触，n型场截止层11位于n型漂移层8与p+集电区9之间，且n型场截止层11邻接n型漂移层8、p+集电区9。本发明实施例中，通过集电极金属10、p+集电区9能形成igbt器件的集电极。

本发明p型基区7设置p型发射体，p型发射体的p型第一发射区12与发射极金属1欧姆接触，通过p型发射体提供低阻路径，由于p型发射体在p形基区7中呈倒t形分布，有效地避免了阈值电压与击穿电压降低并提高了抗闩锁能力。在元胞沟槽的下方设置n型第一载流子引导层15，利用自建电场将栅极下方电流向栅极区域两端引导，同时在p形基区7在下方引入的倒梯形分布的n型第二载流子引导层14，n型第一载流子引导层15、n型第二载流子引导层14由于和n型漂移区8具有一定的浓度差，其自建电场可以在横向上对载流子进行引导，使得n+源区3下方的电流密度减小，更大程度上将电流从栅极区域向p型发射体下方引导。另外，n型第一载流子引导层15、n型第二载流子引导层14还具有载流子存储层的作用，有很大程度上降低导通压降，安全可靠。