Igbt器件及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及IGBT器件，尤其涉及一种具有空穴通路结构和发射极镇流电阻的IGBT器件及其制造方法。
【背景技术】
[0002]绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是一种常用的功率器件，其结构是在传统纵向双扩散金属氧化物半导体晶体管(VDMOS)器件底部加入P型区，形成了一种MOS器件和双极器件的复合结构。IGBT具有电压控制、电容输入、输入阻抗大、驱动电流小、控制电路简单、工作温度高、热稳定性好等特点。现阶段IGBT已经成为电力电子设备的主流器件，在开关电源、整流器、逆变器、UPS等领域有着广泛的应用。
[0003]IGBT器件发展至今，经历了穿通(PT)型、非穿通(NPT)型和场截止(FS)型等一系列的演变。IGBT器件的栅极也由早期的平面栅结构发展到槽栅结构。其中，PT型IGBT器件是在P型重掺杂衬底上生长外延，形成N型缓冲层和N型漂移区，随后通过一系列光刻、注入、氧化和退火等工艺形成器件的正面结构。NPT型IGBT器件直接在N型衬底上制造正面结构，之后通过背注入的方法在衬底底部形成较薄的P型集电区。FS型IGBT器件的P型集电区也由背注入形成，与NPT型IGBT器件的区别在于，其P型集电区之上还存在N型场截止区。
[0004]随着制造工艺的发展，IGBT芯片尺寸不断缩小，单位面积的元胞数目增加，导致单位面积的电流密度增加，影响到器件的抗闩锁能力和短路能力。
[0005]其中，闩锁现象是IGBT使用过程一种常见的失效现象，器件内部存在由N型漂移区、P阱和N型发射区形成寄生NPN型晶体管，该寄生NPN型晶体管在应用环境下可能开启导致器件进入闩锁状态。闩锁状态表现为，集电极电压达到引起闩锁的触发电压后，N型发射区底部的空穴电流密度达到一定程度，形成较高电势，引起寄生NPN型晶体管内部作为基区的P阱和N型发射区形成的二极管导通，寄生晶体管开启而发生闩锁，使得IGBT栅极无法关断电流，最终导致器件烧毁。
[0006]IGBT器件的短路能力为器件工作在高电压情况时，栅极和源极两端突然施加较大的开启电压，产生很大的集电极电流，如果不能有效散热，会造成IGBT失效。在工作电压确定的情况下，IGBT器件的短路能力与器件的饱和电流有关，饱和电流较小时，器件短路瞬间功率越小，产生的热量越少，器件越能够有效进行散热，短路能力越强。
[0007]IGBT器件的元胞采用空穴通路结构将能够有效提高IGBT器件的抗闩锁能力。空穴通路结构起分流空穴电流的作用，此结构IGBT器件只有栅极的一侧存在N型发射区，大部分空穴电流直接由P阱流入，经过高浓度的P型注入区，最后从发射极电极流出，不会引起器件内部寄生NPN型晶体管开启。只有少部分空穴电流从N型发射区下方流过，减小了N型发射区下方空穴电流密度，寄生NPN型晶体管内部P阱和N型发射区形成的二极管不容易开启，从而增加寄生NPN型晶体管开启难度，从而提高了器件抗闩锁能力。该结构允许IGBT器件的集电极流过更多空穴电流。但是，由于二极管开启电压具有负温系数，随着器件温度的升高，抗闩锁能力将逐渐减弱。
【发明内容】
[0008]本发明要解决的问题是提供一种IGBT器件及其制造方法，能够同时改善空穴电流和电子电流，提高常温与高温环境下IGBT器件的抗闩锁能力和短路能力。
[0009]为解决上述技术问题，本发明提供了一种IGBT器件，所述IGBT器件具有空穴通路结构，所述IGBT器件的发射区与所述IGBT器件的发射极金属电极之间串联有发射区镇流电阻。
[0010]根据本发明的一个实施例，所述发射区镇流电阻具有正温度系数。
[0011]根据本发明的一个实施例，所述发射区镇流电阻包括N型电阻区，该N型电阻区的一端与所述发射区连通，另一端与所述发射极金属电极电接触。
[0012]根据本发明的一个实施例，所述发射区和N型电阻区在同一离子注入工艺中形成。
[0013]根据本发明的一个实施例，所述IGBT器件的版图平面具有相互垂直的X方向和Y方向，所述IGBT器件包括:
[0014]多个栅极，在版图平面内沿Y方向延伸；
[0015]所述发射区，在版图平面内沿Y方向延伸，且位于相邻栅极之间；
[0016]N型电阻区，在版图平面内沿Y方向延伸，且位于相邻栅极之间；
[0017]其中，在X方向上，所述发射区位于相邻栅极之间靠近其中一个栅极的一侧，相邻栅极之间靠近另一个栅极的一侧留作空穴通路的一部分；在Y方向上，所述N型电阻区的一端与所述发射区连通，另一端与所述发射极金属电极电接触。
[0018]根据本发明的一个实施例，所述IGBT器件为PT型平面栅IGBT器件，所述IGBT器件包括:
[0019]P型集电区；
[0020]N型缓冲层，位于所述P型集电区的正面；
[0021]N型漂移区，位于所述N型缓冲层上；
[0022]栅介质层，位于所述N型漂移区上；
[0023]多个栅极，位于所述栅介质层上；
[0024]P阱，位于相邻栅极之间的N型漂移区内；
[0025]所述发射区，位于所述P阱内靠近其中一个栅极的一侧，所述P阱内靠近另一个栅极的一侧留作空穴通路的一部分
[0026]N型电阻区，位于所述P阱内，其一端与所述发射区连通，另一端经由通孔与所述发射极金属电极电接触，所述N型电阻区作为所述发射区镇流电阻。
[0027]根据本发明的一个实施例，所述IGBT器件为NPT型平面栅IGBT器件，包括:
[0028]P型集电区；
[0029]N型漂移区，位于所述P型集电区的正面；
[0030]栅介质层，位于所述N型漂移区上；
[0031]多个栅极，位于所述栅介质层上；
[0032]P阱，位于相邻栅极之间的N型漂移区内；
[0033]所述发射区，位于所述P阱内靠近其中一个栅极的一侧，所述P阱内靠近另一个栅极的一侧留作空穴通路的一部分
[0034]N型电阻区，位于所述P阱内，其一端与所述发射区连通，另一端经由通孔与所述发射极金属电极电接触，所述N型电阻区作为所述发射区镇流电阻。
[0035]根据本发明的一个实施例，所述IGBT器件为FS型平面栅IGBT器件，包括:
[0036]P型集电区；
[0037]N型场截止区，位于所述P型集电区的正面；
[0038]N型漂移区，位于所述N型场截止区上；
[0039]栅介质层，位于所述N型漂移区上；
[0040]多个栅极，位于所述栅介质层上；
[0041]P阱，位于相邻栅极之间的N型漂移区内；
[0042]所述发射区，位于所述P阱内靠近其中一个栅极的一侧，所述P阱内靠近另一个栅极的一侧留作空穴通路的一部分
[0043]N型电阻区，位于所述P阱内，其一端与所述发射区连通，另一端经由通孔与所述发射极金属电极电接触，所述N型电阻区作为所述发射区镇流电阻。
[0044]根据本发明的一个实施例，所述IGBT器件为PT型槽栅IGBT器件，包括:
[0045]P型集电区；
[0046]N型缓冲区，位于所述P型集电区的正面；
[0047]N型漂移区，位于所述N型缓冲区上；
[0048]多个沟槽，形成于所述N型漂移区的正面；
[0049]栅介质层，覆盖在所述沟槽的底部和侧壁；
[0050]多个栅极，填充在所述沟槽内且位于所述栅介质层上；
[0051]P阱，位于相邻沟槽之间的N型漂移区内；
[0052]所述发射区，位于所述P阱内靠近其中一个沟槽的一侧，所述P阱内靠近另一个栅极的一侧留作空穴通路的一部分
[0053]N型电阻区，位于所述P阱内，其一端与所述发射区连通，另一端经由通孔与所述发射极金属电极电接触，所述N型电阻区作为所述发射区镇流电阻。
[0054]根据本发明的一个实施例，所述IGBT器件为NPT型槽栅IGBT器件，包括:
[0055]P型集电区；
[0056]N型漂移区，位于所述P型集电区的正面；
[0057]多个沟槽，形成于所述N型漂移区的正面；
[0058]栅介质层，覆盖在所述沟槽的底部和侧壁；
[0059]多个栅极，填充在所述沟槽内且位于所述栅介质层上；
[0060]P阱，位于相邻沟槽之间的N型漂移区内；
[0061 ] 所述发射区，位于所述P阱内靠近其中一个沟槽的一侧，所述P阱内靠近另一个栅极的一侧留作空穴通路的一部分；
[0062]N型电阻区，位于所述P阱内，其一端与所述发射区连通，另一端经由通孔与所述发射极金属电极电接触，所述N型电阻区作为所述发射区镇流电阻。
[0063]根据本发明的一个实施例，所述IGBT器件为FS型槽栅IGBT器件，包括:
[0064]P型集电区；
[0065]N型场截止区，位于所述P型集电区的正面；
[0066]N型漂移区，位于所述N型场截止区的正面；
[0067]多个沟槽，形成于所述N型漂移区的正面；
[0068]栅介质层，覆盖在所述沟槽的底部和侧壁；
[0069]多个栅极，填充在所述沟槽内且位于所述栅介质层上；
[0070]P阱，位于相邻沟槽之间的N型漂移区内；
[0071 ] 所述发射区，位于所述P阱内靠近其中一个沟槽的一侧，所述P阱内靠近另一个栅极的一侧留作空穴通路的一部分；
[0072]N型电阻区，位于所述P阱内，其一端与所述发射区连通，另一端经由通孔与所述发射极金属电极电接触，所述N型电阻区作为所述发射区镇流电阻。
[0073]根据本发明的一个实施例，所述IGBT器件还包括:P型注入区，位于所述P阱内，所述P型注入区包围所述N型电阻区并包围所述发射区的一部分。
[0074]根据本发明的一个实施例，所述IGBT器件还包括:集电区底部金属电极，位于所述P型集电区的背面，与所述P型集电区电接触。
[0075]根据本发明的一个实施例，所述IGBT器件还包括:介质层，覆盖所述栅极和N型漂移层，所述通孔形成于所述介质层中。
[0076]为解决上述技术问题，本发明还提供了一种IGBT器件的制造方法，所述IGBT器件具有空穴通路结构，所述方法包括:形成发射区镇流电阻，所述发射区镇流电阻串联在所述IGBT器件的发射区与所述IGBT器件的发射极金属电极之间。
[0077]根据本发明的一个实施例，所述发射区镇流电阻具有正温度系数。
[0078]根据本发明的一个实施例，形成发射区镇流电阻包括:采用离子注入工艺形成N型电阻区，该N型电阻区的一端与所述发射区连通，另一端与所述发射极金属电极电接触。
[0079]根据本发明的一个实施例，采用同一离子注入工艺形成所述发射区和N型电阻区。
[0080]根据本发明的一个实施例，所述IGBT器件的版图平面具有相互垂直的X方向和Y方向，所述IGBT器件包括:
[0081]多个栅极，在版图平面内沿Y方向延伸；
[0082]所述发射区，在版图平面内沿Y方向延伸，且位于相邻栅极之间；
[0083]N型电阻区，在版图平面内沿Y方向延伸，且位于相邻栅极之间；
[0084]其中，在X方向上，所述发射区位于相邻栅极之间靠近其中一个栅极的一侧，相邻栅极之间靠近另一个栅极的一侧留作空穴通路的一部分；在Y方向上，所述N型电阻区的一端与所述发射区连通，另一端与所述发射极金属电极电接触。
[0085]根据本发明的一个实施例，所述IGBT器件为PT型平面栅IGBT器件，所述方法包括:
[0086]提供P型衬底，所述P型衬底作为所述IGBT器件的P型集电区；
[0087]在所述P型集电区的正面上依次生长N型缓冲层和N型漂移区；
[0088]在所述N型漂移区上形成栅介质层，并在所述栅介质层上形成多个栅极；
[0089]在相邻栅极之间的N型漂移区内形成P阱；
[0090]在同一离子注入工艺中，在所述P阱内形成所述发射区和N型电阻区，所述发射区位于所述P阱内靠近其中一个栅极的一侧，所述P阱内靠近另一个栅极的一侧留作空穴通路的一部分，所述N型电阻区的一端与所述发射区连通，所述N型电阻区作为所述发射区镇流电阻；
[0091]形成介质层，所述介质层覆盖所述栅极和N型漂移区；
[00