一种绝缘栅双极型半导体器件的制作方法
【专利摘要】本发明涉及半导体技术，具体的说是涉及一种绝缘栅双极型半导体器件。本发明所述的绝缘栅双极型半导体器件，采用一个双极型晶体管BJT及一个第二种导电类型的金属-绝缘体-半导体场效应晶体管MISFET组合而成的IGBT，在第二种导电类型的MISFET的第二种导电类型的半导体材料作为漂移区上表面形成了第一种导电类型的体区，在体区中形成了由绝缘材料和半绝缘材料或导体构成的槽栅结构，在体区中还形成了第二种导电类型的半导体作为MISFET的源区；将源区用金属层连接起来形成IGBT发射极电极；将槽栅结构的半绝缘材料或导电材料引出作为IGBT的栅极。本发明的有益效果为，具有低导通压降、快关断的优点。本发明尤其适用于绝缘栅双极型半导体器件。
【专利说明】一种绝缘栅双极型半导体器件
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体技术，具体的说是涉及一种绝缘栅双极型半导体器件。
【背景技术】
[0002]绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是一种由MOS栅极电压控制的双极型晶体管，它具有在高电压下开关大电流的能力。因为IGBT具有电导调制效应从而使其具有低导通压降的优点，但同时IGBT也存在关断速度慢的问题，通常都需要控制集电极空穴注入效率或者采用少子寿命控制技术以降低关断时间，这将不可避免的减弱电导调制效应，从而增大IGBT的导通压降。尤其在漂移区较厚或者集电极注入效率低的IGBT结构中，体区附近的空穴浓度通常较低，电导调制效应较弱，导通压降较高。因此在关断时间和导通压降之间实现折中是非常必要的。
【发明内容】
[0003]本发明所要解决的技术问题，就是提出一种低导通压降、快关断的IGBT结构，使IGBT在导通时降低导通压降，在关断时减少关断时间。
[0004]本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是:一种绝缘栅双极型半导体器件，包括依次层叠设置的集电极金属12、P型半导体材料1、N型半导体材料2、N型漂移区3、第一 P型半导体体区4和发射极金属11，所述第一 P型半导体体区4中包括2个相互独立的发射区5 ;其特征在于，还包括第二 P型半导体区8、N型半导体区9、氧化层6和多晶硅7 ；所述氧化层6覆盖在多晶硅7的外表面分别形成2个槽栅结构，所述2个槽栅结构设置在绝缘栅双极型半导体器件的两端，所述槽栅结构分别与发射区5的侧面和第一 P型半导体体区4的侧面连接并嵌入N型漂移区3的上表面；所述第二 P型半导体区8设置在第一 P型半导体体区4中，所述N型半导体区9设置在第二 P型半导体区8中，在N型半导体区9的上表面设置有电极10，发射区5的上表面设置有发射极电极11，发射极电极11沿第一 P型半导体体区4的上表面延伸到第二 P型半导体区8的上表面。
[0005]本发明总的技术方案，采用由一个双极型晶体管BJT及一个第二种导电类型的金属-绝缘体-半导体场效应晶体管MISFET组合而成的IGBT。其中，第二种导电类型的MISFET有一个第二种导电类型的半导体材料作为漂移区，漂移区上表面形成了第一种导电类型的体区，在体区中形成了由绝缘材料和半绝缘材料或导体构成的槽栅结构，在第一种导电类型体区中还形成了第二种导电类型的半导体作为MISFET的源区；在第一种导电类型体区中还形成了第一种导电类型的半导体区，该区的掺杂浓度高于体区的掺杂浓度；在第一种导电类型体区中还形成了另一个第二种导电类型的半导体区；将源区用金属层连接起来形成IGBT发射极电极；将槽栅结构的半绝缘材料或导电材料引出作为IGBT的栅极，在第一种导电类型体区中的另一个第二种导电类型半导体区上表面形成另一个电极。漂移区作为BJT的基区，所述的体区作为BJT的集电区，在漂移区的下表面形成第二种导电类型的半导体层作为场终止层，在场终止层下面形成了第一种导电类型的半导体区作为BJT的发射区。在BJT的发射区下表面形成金属层作为IGBT集电极电极。
[0006]本发明所述的第一种导电类型半导体为P型半导体，第二种导电类型半导体为N型半导体。
[0007]本发明的关键之处是在所述体区中加入了由第一种导电类型半导体和第二种导电类型半导体形成的PN结结构。
[0008]本发明的有益效果为，具有低导通压降、快关断的优点，同时在IGBT导通和关断时可以改变引入的PN结处的N型半导体区所加电压的大小、方向，从而灵活地控制IGBT的导通压降和关断时间。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1是实施例1的结构示意图；
[0010]图2是实施例2的结构示意图。
【具体实施方式】
[0011]下面结合附图和实施例，详细描述本发明的技术方案:
[0012]本发明提供的绝缘栅双极型半导体器件由一个双极型晶体管BJT及一个第二种导电类型的金属-绝缘体-半导体场效应晶体管MISFET组合而成的IGBT。所述的第二种导电类型的MISFET有一个第二种导电类型的半导体材料作为漂移区，漂移区上表面形成了第一种导电类型的体区，在体区中形成了由绝缘材料和半绝缘材料或导体构成的槽栅结构，在体区中还形成了第二种导电类型的半导体作为MISFET的源区；在体区中还形成了第一种导电类型的半导体区，该区的掺杂浓度高于体区的掺杂浓度；在体区中还形成了另一个第二种导电类型的半导体区；将源区用金属层连接起来形成IGBT发射极电极；将槽栅结构的半绝缘材料或导电材料引出作为IGBT的栅极，在体区中的另一个第二种导电类型半导体区上表面形成另一个电极。所述的漂移区作为BJT的基区，所述的体区作为BJT的集电区，在漂移区的下表面形成第二种导电类型的半导体层作为场终止层，在场终止层下面形成了第一种导电类型的半导体区作为BJT的发射区。在BJT的发射区下表面形成金属层作为IGBT集电极电极。
[0013]本发明的工作原理为:
[0014]在IGBT的集电极和发射极之间加上正的电压，当IGBT槽栅的栅极所加正电压超过IGBT阈值电压时，IGBT导通，电子从IGBT发射区注入漂移区，空穴从IGBT集电区注入漂移区形成电导调制效应从而使得IGBT具有较低的导通压降。但因为在关断时间较短的IGBT中，空穴的注入效率低、空穴的迁移率和寿命也较低，同时，到达体区下表面的空穴从体区中的P型半导体区流向IGBT的发射极，这将使IGBT体区下表面的空穴浓度很低，电导调制效应较弱，从而使该种类型IGBT的导通压降较高。本发明在IGBT的体区中引入PN结结构，当IGBT栅极加正电压、引入PN结的N型区加正电压时，PN结将反偏，使P型半导体区出现耗尽，阻止空穴从该区域流向IGBT发射极，从而增加体区下表面附近的空穴浓度，提高电导调制效应，降低IGBT导通压降；当在IGBT栅极所加的电压低于阈值电压时，IGBT将关断，引入PN结的N型区所加负电压将使由体区中的P型半导体和N型半导体构成的PN结正偏，空穴将快速从该P型半导体中流向IGBT的发射极，从而减少了 IGBT关断时间。[0015]实施例1:
[0016]如图1所示，本例为槽栅结构绝缘栅双极型半导体器件，包括依次层叠设置的集电极金属12、P型半导体材料1、N型半导体材料2、N型漂移区3、第一 P型半导体体区4和发射极金属11，所述第一 P型半导体体区4中包括2个相互独立的发射区5 ;其特征在于，还包括第二 P型半导体区8、N型半导体区9、氧化层6和多晶硅7 ;所述氧化层6覆盖在多晶硅7的外表面分别形成2个槽栅结构，所述2个槽栅结构设置在绝缘栅双极型半导体器件的两端，所述槽栅结构分别与发射区5的侧面和第一 P型半导体体区4的侧面连接并嵌入N型漂移区3的上表面；所述第二 P型半导体区8设置在第一 P型半导体体区4中，所述N型半导体区9设置在第二 P型半导体区8中，在N型半导体区9的上表面设置有电极10，发射区5的上表面设置有发射极电极11，发射极电极11沿第一 P型半导体体区4的上表面延伸到第二 P型半导体区8的上表面。其中，氧化层6和多晶硅7构成槽栅，多晶硅7为槽栅的栅极。
[0017]本例的制造方法为:先在N型半导体单晶3背面进行N型离子注入，形成场终止层2，然后在N型漂移区3的正面进行硼离子注入形成第一 P型半导体体区4，接着在体区中光亥IJ、刻蚀出槽，并热生长氧化层6、淀积多晶硅7，形成槽栅，之后在体区中进行一次硼离子注入形成第二 P型半导体区8，再在该区域中进行N型离子注入形成N型半导体区9，接着在第一种槽栅的两侧进行N型离子注入形成IGBT的发射区5，在硅片背面进行硼离子注入形成IGBT的集电区，最后进行金属化形成IGBT的发射极电极11、集电极电极12以及栅电极、N型半导体上的电极10。
[0018]本例的工作原理为:
[0019]当在集电极金属12和发射极电极11之间加上正向的电压、槽栅的栅极7上所加电压大于IGBT的阈值电压，电子将会从N型发射区5、经槽栅两侧的体区电子导电沟道注入到N型漂移区3，与此同时将会有空穴从I区经2区注入到漂移区，空穴将边复合边向发射极电极11迁移，第一 P型半导体体区4的下表面的空穴浓度将不会很高，如果在N型半导体区9上加正的电压，第二 P型半导体区8将耗尽，耗尽层将阻止空穴向发射极电极11漂移，提高第一 P型半导体体区4下表面附近的电导调制效应，从而降低IGBT的导通压降。当槽栅的栅极7上所加电压小于IGBT的阈值电压时，氧化层6附近的体区将不会出现电子导电沟道，N型发射区5将不能向漂移区注入电子，漂移区内的电子将快速漂移向集电极金属12，而空穴将通过复合及较弱的漂移流向发射极电极11，使IGBT关断，如果在N型半导体区9上加负的电压，由第二 P型半导体区8和N型半导体区9构成的PN结将正向偏置，这将有助于空穴向发射极电极11漂移，使漂移区的空穴迅速减少，从而减少IGBT的关断时间。
[0020]实施例2:
[0021]如图2所示，本例为平面栅结构的绝缘栅双极型半导体器件，相对于实施例1，本例没有槽栅，氧化层6设置在N型漂移区3的上表面和部分第一 P型半导体体区4的上表面，在氧化层6的上表面设置有平面栅电极13。
[0022]本例的制造方法为:
[0023]先在N型半导体单晶3背面进行N型离子注入，形成场终止层2，然后在3的正面进行硼离子注入形成P型体区4，接着在体区中进行一次硼离子注入形成第二 P型半导体区8，再在该区域中进行N型离子注入形成N型半导体区9，接着在硅片表面生长氧化层6、淀积多晶硅、多晶硅刻蚀形成IGBT的栅，形成平面栅电极13，之后进行N型离子注入形成IGBT的发射区5，在硅片背面进行硼离子注入形成IGBT的集电区1，最后进行金属化形成IGBT的发射极电极11、集电极电极12以及N型半导体上电极10。
[0024]本例的工作原理为:
[0025]当在发射极电极11和集电极电极12之间加上正向的电压，发射极电极11上所加电压大于IGBT的阈值电压时，电子将会从N型发射区5经氧化层6下面的体区导电沟道注入到N型漂移区3，与此同时将会有空穴从I区经2区注入到漂移区，空穴将边复合边向发射极电极11迁移，4的下表面的空穴浓度将不会很高，如果在N型半导体上电极10上加正的电压，第二 P型半导体区8，将耗尽，耗尽层将阻止空穴向发射极电极11漂移，提高P型体区4下表面附近的电导调制效应，从而降低IGBT的导通压降。当平面栅电极13上所加电压小于IGBT的阈值电压时，氧化层6下面的体区将不会出现电子导电沟道，N型发射区5将不能向漂移区注入电子，漂移区内的电子将快速漂移向集电极电极12，而空穴将通过复合及较弱的漂移流向发射极电极11，使IGBT关断，如果在N型半导体上电极10上加负的电压，由第二 P型半导体区8和N型半导体区9构成的PN结将正向偏置，这将有助于空穴向发射极电极11漂移，使漂移区的空穴迅速减少，从而减少IGBT的关断时间。
【权利要求】
1.一种绝缘栅双极型半导体器件，包括依次层叠设置的集电极金属(12)、P型半导体材料(1)、N型半导体材料(2)、N型漂移区(3)、第一P型半导体体区(4)和发射极金属(11)，所述第一 P型半导体体区(4)中包括2个相互独立的发射区(5);其特征在于，还包括第二P型半导体区(8)、N型半导体区(9)、氧化层(6)和多晶硅(7);所述氧化层(6)覆盖在多晶硅(7)的外表面分别形成2个槽栅结构，所述2个槽栅结构设置在绝缘栅双极型半导体器件的两端，所述槽栅结构分别与发射区(5)的侧面和第一 P型半导体体区(4)的侧面连接并嵌入N型漂移区(3)的上表面；所述第二 P型半导体区(8)设置在第一 P型半导体体区(4)中，所述N型半导体区(9)设置在第二 P型半导体区(8)中，在N型半导体区(9)的上表面设置有电极(10)，发射区(5)的上表面设置有发射极电极(11)，发射极电极(11)沿第一 P型半导体体区(4)的上表面延伸到第二 P型半导体区(8)的上表面。
2.根据权利要求1所述的一种绝缘栅双极型半导体器件，其特征在于，所述电极(10)与多晶硅(7)短接。
【文档编号】H01L29/739GK103489906SQ201310420393
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年9月16日 优先权日:2013年9月16日
【发明者】李泽宏, 邹有彪, 宋文龙, 李果, 刘建, 吴明进 申请人:电子科技大学