绝缘栅双极型晶体管的制作方法

本实用新型涉及半导体技术领域，具体的，本实用新型涉及绝缘栅双极型晶体管。

背景技术：

目前，绝缘栅双极型晶体管(InsulatedGateBipolarTransistor，简称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(即巨型晶体管，简称GTR)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，所以IGBT作为一种新型的电力电子器件被广泛应用到各个领域。

现阶段，图1为现有绝缘栅双极晶体管的剖面结构图，当IGBT开通时，电子从发射极300注入到漂移区100、空穴从集电极600注入到漂移区100，电子和空穴在漂移区100发生电导调制效应，使得IGBT的导通压降较低；而在IGBT关断时，漂移区100中的空穴主要通过与漂移区中的电子复合来消灭，从而实现IGBT的关断。

技术实现要素：

本实用新型旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

本实用新型是基于发明人的下列发现而完成的：

本实用新型的发明人在研究过程中发现，IGBT的性能可分为动态特性和静态特征。动态特性主要体现在IGBT的开关时间上，即开关时间越短，则IGBT的开关功耗越小、IGBT动态特性越好；而静态特性主要体现在IGBT的导通压降上，即导通压降越低，则IGBT的通态功耗越低、IGBT的静态特性越好。其中，IGBT的开关时间与寄生电容Cge(栅极与发射极之间的寄生电容)和Cgc(栅极与集电极之间的寄生电容)密切相关，寄生电容越小则IGBT的开通时间越短。可通过增加沟槽氧化层的厚度来减小IGBT的寄生电容，但是随着沟槽氧化层厚度的增加，会导致IGBT的阈值电压升高，进而造成导通压降上升、静态特性变差。

本实用新型的发明人经过深入研究发现，可将IGBT的栅极设置为PN结，如此，可减小栅极与集电极之间的寄生电容Cgc，从而缩短IGBT的开通时间，进而减小IGBT的开通损耗。而且，还可将漂移区设计为普通漂移区和低迁移率漂移区，如此，在IGBT开通时，普通漂移区为电子、空穴的漂移提供电阻较小的通道，而不会影响到IGBT的导通压降；在IGBT关断时，低迁移率漂移区可加快电子和空穴复合速度，从而缩短IGBT的关断时间，进而减小IGBT的关断功耗。

有鉴于此，本实用新型的一个目的在于提出一种降低寄生电容、缩短开关时间或者不影响导通电压的绝缘栅双极型晶体管。

在本实用新型的第一方面，本实用新型提出了一种绝缘栅双极型晶体管。

根据本实用新型的实施例，所述绝缘栅双极型晶体管包括：漂移区；P阱区，所述P阱区设置在所述漂移区的一侧；N⁺发射极，所述N⁺发射极设置在所述P阱区远离所述漂移区的一侧；两个沟槽，每个所述沟槽开设在所述N⁺发射极、所述P阱区和所述漂移区内，且贯穿所述N⁺发射极和所述P阱区；沟槽氧化层，所述沟槽氧化层设置在所述两个沟槽中，且覆盖每个所述沟槽的表面；两个多晶硅栅极，每个所述多晶硅栅极填充在所述沟槽氧化层远离所述漂移区的一侧，并且，每个所述多晶硅栅极包括依次层叠设置的N型子栅极和P型子栅极。

发明人经过研究发现，本实用新型实施例的绝缘栅双极型晶体管，其栅极为由N型子栅极和P型子栅极组成的PN结，如此，可减小栅极与集电极之间的寄生电容Cgc，从而在不增加导通压降的前提下缩短IGBT的开通时间，进而减小IGBT的开通损耗。

另外，根据本实用新型上述实施例的绝缘栅双极型晶体管，还可以具有如下附加的技术特征：

根据本实用新型的实施例，所述绝缘栅双极型晶体管进一步包括：绝缘层，所述绝缘层设置在所述多晶硅栅极远离所述漂移区的表面，且所述绝缘层在所述漂移区上的正投影覆盖所述多晶硅栅极在所述漂移区上的正投影；P⁺集电极层，所述P⁺集电极层设置在所述漂移区远离所述P阱区的一侧。

根据本实用新型的实施例，所述N型子栅极靠近所述P型子栅极的表面到所述沟槽的底壁的距离小于所述P阱区靠近所述漂移区的表面到所述沟槽的底壁的距离。

根据本实用新型的实施例，所述N型子栅极的掺杂浓度大于1*10¹⁸/cm³，所述P型子栅极的掺杂浓度小于5*10¹⁷/cm³。

根据本实用新型的实施例，所述漂移区包括：两个第一漂移区，所述第一漂移区与所述沟槽接触；第二漂移区，所述第二漂移区设置在所述两个第一漂移区之间，且形成所述第二漂移区的材料是对所述第一漂移区的材料通过低迁移率处理获得的。

根据本实用新型的实施例，所述沟槽的宽度为1.5微米，且所述第一漂移区的宽度为5微米，所述第二漂移区的宽度为2微米。

根据本实用新型的实施例，所述漂移区包括多个所述第二漂移区和多个第三漂移区，所述多个第二漂移区与所述多个第三漂移区在所述两个第一漂移区之间相间分布，且所述第三漂移区的材料与所述第一漂移区的材料相同。

根据本实用新型的实施例，所述沟槽的宽度为1.5微米，所述第一漂移区的宽度为5微米，且所述第二漂移区和所述第三漂移区的宽度都为0.3微米。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是现有技术的绝缘栅双极型晶体管的截面结构示意图；

图2是本实用新型一个实施例的绝缘栅双极型晶体管的截面结构示意图；

图3是本实用新型另一个实施例的绝缘栅双极型晶体管的截面结构示意图；

图4是本实用新型另一个实施例的绝缘栅双极型晶体管的截面结构示意图。

附图标记

100 漂移区

110 第一漂移区

120 第二漂移区

130 第三漂移区

200 P阱区

300 N⁺发射极

410 沟槽

420 沟槽氧化层

431 N型子栅极

432 P型子栅极

440 绝缘层

500 P⁺集电极

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，本技术领域人员会理解，下面实施例旨在用于解释本实用新型，而不应视为对本实用新型的限制。除非特别说明，在下面实施例中没有明确描述具体技术或条件的，本领域技术人员可以按照本领域内的常用的技术或条件或按照产品说明书进行。

在本实用新型的一个方面，本实用新型提出了一种绝缘栅双极型晶体管。

根据本实用新型的实施例，参照图2，该绝缘栅双极型晶体管包括：漂移区100，P阱区200，N⁺发射极300，两个沟槽410，沟槽氧化层420和两个多晶硅栅极；其中，P阱区200设置在漂移区100的一侧；N⁺发射极300设置在P阱区200远离漂移区100的一侧；每个沟槽410开设在N⁺发射极300、P阱区200和漂移区100内，且贯穿N⁺发射极300和P阱区200；沟槽氧化层420设置在两个沟槽410中，且覆盖每个沟槽410的表面；每个多晶硅栅极填充在沟槽氧化层420远离漂移区100的一侧，并且，每个多晶硅栅极包括依次层叠设置的N型子栅极431和P型子栅极432。

本实用新型的发明人经过研究发现，可将IGBT的栅极设置为PN结，如此，在施加栅压时，栅极PN结反偏，而使N型多晶硅栅极与P型多晶硅栅极之间相当于构成一个电容C1，P型多晶硅栅极与集电极之间又构成一电容C2。因此，IGBT的栅极与集电极之间的寄生电容Cgc’等于电容C1于C2的串联电容，即Cgc’＝C1*C2/(C1+C2)。可看出将IGBT的栅极设置为PN结后，其寄生电容Cgc’小于C2(即现有技术的寄生电容Cgc)。所以，将IGBT的多晶硅栅极设置为PN结，可有效地减小IGBT的栅极与集电极之间的寄生电容Cgc，从而在不影响导通电压的前提下缩短IGBT的开通时间，进而减小IGBT的开通损耗。

根据本实用新型的实施例，参照图3，绝缘栅双极型晶体管可进一步包括绝缘层440和P⁺集电极层500；其中，绝缘层440设置在多晶硅栅极远离漂移区100的表面，且绝缘层440在漂移区100上的正投影覆盖多晶硅栅极在漂移区100上的正投影；而P⁺集电极层500设置在漂移区100远离P阱区200的一侧。如此，可获得结构与功能都更完善的IGBT，且绝缘层440可在制作过程中或使用过程中充分保护多晶硅栅极，从而使该异质结碳化硅绝缘栅极晶体管的器件稳定性更好。

根据本实用新型的实施例，形成绝缘栅双极型晶体管的具体材料类型不受特别的限制，本领域常用的IGBT基材均可，本领域技术人员可根据该绝缘栅双极型晶体管的具体电性能要求进行相应地选择。在本实用新型的一些实施例中，形成漂移区100、P阱区200、N⁺发射极300和P⁺集电极层500的材料可为Si，如此，硅基的绝缘栅双极型晶体管的长期使用稳定性更佳、电压较低且适应性强。在本实用新型的另一些实施例中，形成漂移区100、P阱区200、N⁺发射极300和P⁺集电极层500的材料可为SiC，如此，碳化硅的绝缘栅双极型晶体管的耐电压性能更好、电流更大且电压更高。

根据本实用新型的实施例，参照图3，N型子栅极431靠近P型子栅极432的表面A到沟槽410的底壁B的距离小于P阱区200靠近漂移区100的表面C到沟槽410的底壁B的距离，如此，可确保P型子栅极432低于P阱区200，从而使由N型子栅极431与P型子栅极432组成的多晶硅栅极可更好地控制电导调制效应。

根据本实用新型的实施例，N型子栅极431和P型子栅极432的具体掺杂浓度不受特别的限制，只要该浓度的掺杂浓度能使多晶硅栅极形成PN结即可，本领域技术人员可根据PN结缩短开通时间的实际效果进行相应地调整。在本实用新型的一些实施例中，N型子栅极的掺杂浓度可大于1*10¹⁸/cm³，P型子栅极的掺杂浓度可小于5*10¹⁷/cm³，如此，可使N型子栅极431与P型子栅极432之间的耗尽区更多地向P型子栅极432扩展，并确保该耗尽区低于p阱区200，进而保证IGBT的开通可靠性。

根据本实用新型的实施例，参照图3，漂移区100(图中未标出)可包括两个第一漂移区110和第二漂移区120，其中，第一漂移区110与沟槽410接触，第二漂移区120设置在两个第一漂移区110之间，并且，形成第二漂移区120的材料是对第一漂移区110的材料通过低迁移率处理获得的。需要说明的是，本文中“低迁移率处理”具体是指使半导体材料中的电子和空穴的迁移率降低的处理方式，且“接触”具体是指第一漂移区110与沟槽410之间没有其他结构且直接相连。

本实用新型的发明人经过深入研究发现，还可将漂移区100划分为第一漂移区110和第二漂移区120，如此，在IGBT开通时，作为普通漂移区的第一漂移区110可为电子、空穴的漂移提供电阻较小的通道，而不会影响到IGBT的导通压降；在IGBT关断时，作为低迁移率(即空穴、电子寿命短)漂移区的第二漂移区120可加快电子和空穴复合速度，从而缩短IGBT的关断时间，进而减小IGBT的关断功耗。

根据本实用新型的实施例，低迁移率处理的具体方法不受特别的限制，本领域技术人员可根据绝缘栅双极型晶体管的具体基材种类进行相应地选择。在本实用新型的一些实施例中，对于Si基或SiC材料，低迁移率处理的方法可选择电子辐射法或离子轰击法，如此，采用上述低迁移率处理方法可快速、高效地降低第二漂移区120中的电子和空穴的迁移率。

根据本实用新型的实施例，绝缘栅双极型晶体管中每个沟槽410、第一漂移区110和第二漂移区120的具体宽度都不受特别的限制，只要第一漂移区110能与沟槽410接触且第二漂移区120不与沟槽410接触即可，本领域技术人员可根据该绝缘栅双极型晶体管的实际关断时间进行相应地调整。在本实用新型的一些实施例中，沟槽410的宽度可为1.5微米，且第一漂移区110的宽度可为5微米，第二漂移区120的宽度可为2微米，如此，对于10微米尺寸的绝缘栅双极型晶体管可同时获得很好的动态性能和静态性能。

根据本实用新型的实施例，参照图4，漂移区100(图中未标出)还可包括多个第二漂移区120和多个第三漂移区130，其中，多个第二漂移区120与多个第三漂移区130在两个第一漂移区100之间是相间分布的，并且，第三漂移区130的材料与第一漂移区110的材料相同，如此，间隔分布的低迁移率漂移区同样可加快关断时电子和空穴的复合速度，并且，第二漂移区120之间的第三漂移区130可更进一步保证导通时导通压降的整体稳定性。需要说明的是，本文中“多个”具体是指两个或两个以上。

根据本实用新型的实施例，绝缘栅双极型晶体管中第二漂移区120与第三漂移区130具体的宽度比不受特别的限制，本领域技术人员可根据该绝缘栅双极型晶体管的实际关断时间进行相应地调整。在本实用新型的一些实施例中，对于沟槽的宽度为1.5微米、第一漂移区110的宽度为5微米的情况，第二漂移区120和第三漂移区130的宽度都可为0.3微米，如此，对于0微米尺寸的绝缘栅双极型晶体管可同时获得更好的动态性能和静态性能。

根据本实用新型的实施例，每个沟槽410的具体深度不受特别的限制，具体例如6.5微米等，本领域技术人员可根据该P阱区200的具体厚度进行相应地设计，在此不再赘述。根据本实用新型的实施例，两个沟槽410之间的具体间距也不受特别的限制，具体例如5.5微米等，本领域技术人员可根据该绝缘栅双极型晶体管的具体电性能要求进行相应地设计，在此不再赘述。

根据本实用新型的实施例，沟槽氧化层420的具体厚度不受特别的限制，具体例如0.15微米等，本领域技术人员可根据该绝缘栅双极型晶体管的具体电性能要求进行相应地设计，在此不再赘述。根据本实用新型的实施例，沟槽氧化层420的具体材料也不受特别的限制，具体例如二氧化硅等，本领域技术人员可根据基材的具体种类进行相应地氧化形成，在此不再赘述。

根据本实用新型的实施例，P阱区200的具体厚度不受特别的限制，具体例如2.8微米等，本领域技术人员可根据该P阱区的具体厚度进行相应地设计，在此不再赘述。根据本实用新型的实施例，N⁺发射极300的具体厚度也不受特别的限制，具体例如0.5微米等，本领域技术人员可根据该P阱区的具体厚度进行相应地设计，在此不再赘述。根据本实用新型的实施例，漂移区100的具体厚度也不受特别的限制，具体例如70微米等，本领域技术人员可根据该该绝缘栅双极型晶体管的具体电性能要求进行相应地设计，在此不再赘述。根据本实用新型的实施例，P⁺集电极层500的具体厚度也不受特别的限制，具体例如0.5微米等，本领域技术人员可根据该该绝缘栅双极型晶体管的具体电性能要求进行相应地设计，在此不再赘述。

根据本实用新型的实施例，漂移区100、P阱区200、N⁺发射极300和P⁺集电极层500的具体掺杂浓度都不受特别的限制，具体例如漂移区100的掺杂浓度可为1.5*10¹⁴/cm³、P阱区200的掺杂浓度可为4*10¹⁶/cm³、N⁺发射极300的掺杂浓度可为5*10¹⁹/cm³或P⁺集的掺杂浓度可为1.5*10¹⁴/cm³、电极层500的掺杂浓度可为8*10¹⁷/cm³，等等，本领域技术人员可根据该该绝缘栅双极型晶体管实际的电性能进行相应地调整，在此不再赘述。

综上所述，根据本实用新型的实施例，本实用新型提出了一种绝缘栅双极型晶体管，其栅极为由N型子栅极和P型子栅极组成的PN结，如此，可减小栅极与集电极之间的寄生电容Cgc，从而在不增加导通压降的前提下缩短IGBT的开通时间，进而减小IGBT的开通损耗。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

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实用新型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。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。