[发明专利]一种绝缘栅双极型晶体管及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体器件技术领域，具体涉及一种绝缘栅双极型晶体管及其制造方法。

背景技术

理想功率开关器件应有如下特性：开关处于关断状态时，流过的漏电流为零；开关处于导通时，开关的电压降为零；开关的关断状态和导通状态的切换时间为零。在实际电路中，为了工作电路的简化，理想开关的驱动电流应该为零。

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的电压驱动式半导体器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和BJT的低导通压降两方面的优点。BJT饱和压降低，载流子密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率小，开关速度快，但导通压降大，载流子密度小。绝缘栅双极型晶体管综合了以上两种器件的优点，驱动电路简单、驱动电流小，同时导通压降小。非常适合用于直流高压的变流系数如变频器、开关电源等领域。

以N型沟道IGBT为例，如图1所示，P型集电极2和N-型漂移区4形成的pn结内建电场方向指向集电极，阻碍电子从N-型漂移区进去集电区。在导通过程中，电子从栅下反型沟道注入到N-型漂移区，内建电场使得漂移区中的载流子密度变大，降低了通态压降。而同时，在关断过程中，由于内建电场阻碍过剩载流子抽取，造成电流拖尾，增大了关断损耗。N-漂移区内的过剩载流子的数量越多，通态压降越低，而关断损耗相应增大。因此，IGBT在通态压降和关断损耗间存在折衷关系。

为缓解通态压降与关断损耗之间的矛盾关系，寻找更合适的折衷点，目前提出了一些改进型的IGBT。穿通型IGBT与非传统型IGBT相比，通过在N-漂移区底端引入N型缓冲层，N型缓冲层与P型集电极相接。在相同耐压下，穿通型IGBT可以大幅度减薄N-漂移区厚度，降低了通态压降。槽型栅IGBT相对于平面栅IGBT，具有沟道密度高，没有JFET效应，有效改善了通态压降和关断损耗的这种关系。CSTBT(Carrier Stored Trench-gate Bipolar Transistor，载流子存储槽型双极型晶体管)是一种新型的IGBT，兼具以上两种器件的优势。该种IGBT如图2所示，在位于两侧槽栅之间的P-body基区底部引入N型CS层(Carrier Stored layer，载流子存储层)5，其浓度高于N-漂移区浓度，形成扩散势，阻止空穴从N-漂移区向上流出器件。为了保持电中性，相应数量的电子通过沟道流入N-漂移区，从而增大整体的过剩载流子浓度，降低导通压降。CS层浓度越高，形成的扩散势越高，导通压降越低。但高浓度的CS层会导致器件的正向耐压比较低，CS浓度不可能无限高。

发明内容

本发明所要解决的，就是针对上述问题，提出一种绝缘栅双极型晶体管及其制造方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种绝缘栅双极型晶体管，如图3所示，包括从下往上依次设置的金属化集电极1、P型集电极区2、N型缓冲层3、N-漂移区4、N型CS层5和P-body区8；所述P-body区8上表面具有金属化发射极11；所述器件还具有槽栅结构，所述槽栅结构由栅氧化层6、多晶硅栅7和金属化栅电极10组成，所述多晶硅栅7位于栅氧化层6中，所述栅氧化层6沿器件垂直方向穿过P-body区8和N型CS层5后与N-漂移区4连接，所述金属化栅电极10位于多晶硅栅7上表面；所述P-body区8上层具有发射极N+区12，所述发射极N+区12与栅氧化层6的侧面连接；其特征在于，所述P-body区中具有N型重掺杂层9，所述N型重掺杂层9与栅氧化层6的侧面连接。

本发明总的技术方案，通过设置在P-body区中的N型重掺杂层9，使器件成为深埋发射极沟槽型IGBT，相当于引入了达林顿管，如图5所示，在开启过程中，J1所在的支路首先导通，电子注入到N-漂移区4，促使阳极P区向漂移区注入空穴，空穴经外延P-body区到达阴极。随着J2电流的增大，Rp两端的压降增大，使得达林顿管开启。在导通状态下，N型CS层5与P型外延区PN结的高空穴密度降低了导通电阻，关断时更容易抽取N-漂移区4的空穴，从而降低了关断时间和关断损耗。

一种绝缘栅双极型晶体管的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：采用N-单晶硅片，制备N-漂移区4；

第二步：在N-漂移区4上表面通过外延生长，形成N型CS层5；

第三步：在N型CS层5上表面通过外延生长，形成P-body区8；

第四步：在P-body区8上表面生长场氧化层13；