可双端控制的沟槽型绝缘栅双极型晶体管及其制备方法
【专利摘要】本发明公开一种可双端控制的沟槽型绝缘栅双极型晶体管，包括衬底，器件的两端设置有形状相同，但参数可变的结构，本发明还公开一种可双端控制的沟槽型绝缘栅双极型晶体管的制备方法，本发明中提出的结构有效解决了常规沟槽型IGBT反向阻断能力弱的问题以和关断时间长的问题，提供了一种适用性极强的可双端控制的双向型器件，可替代以多个半导体器件组成具有双向特性的小型电路，极大的节约了能源和提升了电能的利用率，缓解我国目前供电紧张的当务之急。
【专利说明】可双端控制的沟槽型绝缘栅双极型晶体管及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电力半导体器件设计和应用领域，具体涉及一种可双端控制的沟槽型绝缘栅双极型晶体管，本发明还涉及一种可双端控制的沟槽型绝缘栅双极型晶体管的制备方法。
【背景技术】
[0002]绝缘栅双极型晶体管(IGBT),是一种由双极型晶体管与MOS场效应管复合而成的由栅极电压控制的功率半导体器件。
[0003]IGBT是20世纪80年代初为解决电力电子器件尤其是电力场效应晶体管MOSFET的高导通压降、难以制成兼有高阻断电压和大通态电流特性、电力晶体管GTR工作频率低、驱动电流大等不足而出现的复合器件。IGBT兼具MOSFET和GTR的优点，具有MOSFET的高开关速度、高输入阻抗、小的驱动功率和驱动电路简单等优点，又具有双极型晶体管的大电流、高阻断电压、低通态压降等优点，有着极好的发展前景。
[0004]大功率电力电子器件是现代电力电子技术的核心硬件，它的发展已成为衡量一个国家电力电子技术应用及发展水平的一个重要标志。从目前应用的角度看，在主流功率器件中无论是半控型的还是全控型的，绝大多数都是单向型器件，而双向型器件相对较少，但是在一些应用领域中，往往要求功率器件必须是双向型的，目前没有合适的电力电子器件能满足电路中的这些需求，通常是通过设计一个电路来代替，这会增加电路功耗，增加电路工作时候的风险，所以目前研究双向型器件是必然趋势。
[0005]IGBT的用途非常广泛，小到变频空调、静音冰箱、洗衣机、电磁炉、微波炉等家用电器，大到电力机车牵引系统都处于研制阶段。与国外相比，IGBT的制造工艺技术至少落后十年，IGBT的国产化形式相当紧迫，而且现有IGBT的正向阻断能力与反向阻断能力都较差，且其关断时间较长的问题依然没有得到解决，因此，开展IGBT的研发工作对我国国民经济和国防工业的发展具有十分重要的意义。
[0006]从目前应用的角度看，在主流功率器件中绝大多数都是单向型器件，双向型器件相对较少，但是在实际应用中，往往要求功率器件必须是双向型的，设计者通常是通过设计一个简单的电路来代替，这会增加电路功耗，对电路工作时的安全性也造成威胁。目前常规沟槽型IGBT已被广泛应用，但常规沟槽型IGBT正向阻断能力和反向阻断能力的提高一直有待解决，关断时间长与拖尾电流大的问题也一直备受关注，也有研究者提出平面栅双向型IGBT，但平面栅结构存在的各种弊端尤其是在闩锁效应方面的问题对电路正常工作造成了很大的威胁，针对平面栅双向型IGBT及常规沟槽型IGBT的缺点展开研究已发展为必然趋势。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是提供一种可双端控制的沟槽型绝缘栅双极型晶体管，解决了现有技术中双向型器件较少以及常规沟槽型IGBT的正向阻断能力弱以及反向阻断能力弱的问题。
[0008]本发明的另一个目的是提供一种可双端控制的沟槽型绝缘栅双极型晶体管的制备方法。
[0009]本发明所采用的第一种技术方案是:一种可双端控制的沟槽型绝缘栅双极型晶体管，包括N-Sub型衬底，N-Sub型衬底的上下表面中部分别刻蚀有第一沟槽和第二沟槽，第一沟槽和第二沟槽内分别设置有第一 SiO2栅氧层和第二 SiO2栅氧层，第一 SiO2栅氧层和第二 SiO2栅氧层上分别淀积有第一多晶硅栅和第二多晶硅栅，第一多晶硅栅和第二多晶硅栅的外表面分别设置有第一电极和第二电极，第一 SiO2栅氧层两侧对称设置有P+阱，第
一SiO2栅氧层和第一 P+阱之间设置有第一 N+阱；第二 SiO2栅氧层两侧对称设置有第二P+阱，第二 SiO2栅氧层和第二 P+阱之间设置有第二 N+阱；第一沟槽的两侧且在可双端控制的沟槽型绝缘栅双极型晶体管的上表面分别设置有第三电极；第二沟槽的两侧且在可双端控制的沟槽型绝缘栅双极型晶体管的下表面分别设置有第四电极。
[0010]本发明的特点还在于，
[0011]第一 P+阱和第二 P+阱的掺杂剂为B离子，所述的N-SUb衬底、第一 N+阱、第二 N+阱、第一多晶硅栅、第二多晶硅栅的掺杂剂为P离子。
[0012]第一多晶硅栅和第二多晶硅栅的掺杂浓度均为I X 1019cm_3-l X IO21CnT3 ;第一多晶娃栅和第二多晶娃栅槽深均为4 μ m?10 μ m,宽度均为4 μ m?10 μ m,且第一多晶娃栅和第二多晶硅栅的参数相同。
[0013]第一多晶硅栅和第二多晶硅栅的掺杂浓度均为I X 1019cm_3-l X IO21CnT3 ;第一多晶娃栅和第二多晶娃栅槽深均为4 μ m?10 μ m,宽度均为4 μ m?10 μ m,且第一多晶娃栅和第二多晶硅栅的参数不同。
[0014]第一 P+阱和第二 P+阱的掺杂浓度均为lX1017cnT3-3X1019cnT3 ;第一 P+阱和第二P+讲的讲深均为4μ m?8 μ m,宽度均为8 μ m?18 μ m ;且第一 P+讲和第二 P+讲的参数相同。
[0015]第一 P+阱和第二 P+阱的掺杂浓度均为lX1017cnT3-3X1019cnT3 ;所述第一 P+阱和第二 P+阱的阱深均为4μ m?8 μ m,宽度均为8 μ m?18 μ m ;且第一 P+阱和第二 P+阱的参数不同。
[0016]N-Sub型衬底的浓度为I X IO13CnT3-1 X IO14CnT3 ;厚度为300μπι以上，宽度为20μηι?40μηι;第一 SiO2栅氧层和第二 SiO2栅氧层的厚度0.2μηι?0.8μηι,宽度为
0.2 μ m ?0.8 μ m。
[0017]本发明所采用的第二种技术方案是，一种可双端控制的沟槽型绝缘栅双极型晶体管的制备方法，制备得到一种可双端控制的沟槽型绝缘栅双极型晶体管，包括N-Sub型衬底，N-Sub型衬底的上下表面中部分别刻蚀有第一沟槽和第二沟槽，第一沟槽和第二沟槽内分别设置有第一 SiO2栅氧层和第二 SiO2栅氧层，第一 SiO2栅氧层和第二 SiO2栅氧层上分别淀积有第一多晶硅栅和第二多晶硅栅，第一多晶硅栅和第二多晶硅栅的外表面分别设置有第一电极和第二电极，第一 SiO2栅氧层两侧对称设置有P+阱，第一 SiO2栅氧层和第一 P+阱之间设置有第一 N+阱；第二 SiO2栅氧层两侧对称设置有第二 P+阱，第二 SiO2栅氧层和第二 P+阱之间设置有第二 N+阱；第一沟槽的两侧且在可双端控制的沟槽型绝缘栅双极型晶体管的上表面分别设置有第三电极；所述第二沟槽的两侧且在可双端控制的沟槽型绝缘栅双极型晶体管的下表面分别设置有第四电极，具体按照以下步骤实施:
[0018]步骤1、选取浓度为I X IO13CnT3-1 X IO14CnT3的N型衬底片，掺杂剂为P离子，厚度为300 μ m以上，宽度为20 μ m~40 μ m，作为器件的N-Sub型衬底；
[0019]步骤2、双面加掩膜版并双面刻蚀形成深度为4 μ m~10 μ m，宽度为4 μ m~10 μ m的第一沟槽和第二沟槽，然后去除掩膜版；
[0020]步骤3、双面氧化形成SiO2层，厚度0.2 μ m~0.8 μ m，宽度0.2 μ m~0.8 μ m，时间为30min温度为1200°C ；
[0021]步骤4、双面淀积多晶硅，厚度为4μπι~1(^111，宽度为44 111~10 μ m，掺杂剂为P，形成掺杂浓度为lX1019Cm_3-5 X 1022Cm_3的多晶硅栅极并进行平坦化；
[0022]步骤5、双面刻蚀多晶硅栅极与5102层，以形成第一多晶硅栅和第二多晶硅栅以及第一 SiO2栅氧层和第二 SiO2栅氧层和SiO2层；
[0023]步骤6、双面氧化Si形成掩蔽层，时间60min，温度1000°C ；
[0024]步骤7、在第一多晶硅栅和第二多晶硅栅上分别加掩膜版进行B离子注入，形成掺杂浓度为I X 1017cnT3-3 X IO19CnT3的第一 P+阱和第二 P+讲，阱深均为4 μ m~8 μ m，宽度均为8 μ m~18 μ m,并进行退火,时间为IOOmin,温度为1150°C ；
[0025]步骤8、在第一 P+阱和第二 P+阱边缘加掩膜版进行P离子注入，形成掺杂浓度为I X IO19Cm 3-1 X IO21Cm 3的第一 N+讲和第二 N+讲，讲深均为I μ m~3 μ m,宽度均为2 μ m~6 μ m，并进行退火，时间为60min，温度1150°C ；
[0026]步骤9、去除掩膜版，在第一 SiO2栅氧层和第二 SiO2栅氧层上方及其两侧加掩膜版进行P离子注入，形成掺杂 浓度为I X IO19CnT3-1 X IO21CnT3的第一多晶硅栅和第二多晶硅栅，槽深均为4μηι~ΙΟμπι,宽度均为4μηι~10 μ m,并进行退火，时间为120min,温度为1150。。；
[0027]步骤10、去除掩膜版，去除掩蔽层；
[0028]步骤11、在第一 SiO2栅氧层和第二 SiO2栅氧层上方加掩膜版，淀积铝形成第一电极和第二电极以及第三电极和第四电极，去除掩膜；
[0029]经过上述步骤即形成可双端控制的沟槽型绝缘栅双极型晶体管。
[0030]本发明的有益效果是:发明一种可双端控制的沟槽型绝缘栅双极型晶体管，首先是减少了现有平面栅双向型IGBT存在的闩锁效应；其次是解决了常规沟槽型IGBT的正向阻断能力差和反向阻断能力差的问题以及常规沟槽型IGBT关断时间长的问题；再者是提供一种可双端控制的双向型半导体功率器件，缓解目前双向型器件缺乏所带来的一系列问题。主要表现在于，我们可以用可双端控制的沟槽型绝缘栅双极型晶体管代替现有平面栅双向型IGBT，减少器件在电路动态工作中可能产生的器件局部过热、工作电流过大等可能引起电路失效的问题，确保电路的安全性；双向型器件在关断速度方面也有一定的优势，能够快速消除器件关断时产生的拖尾电流，使得器件在动态电路中工作时能够获得更小的功率损耗，缩短了器件的关断时间，减少了器件拖尾电流对电路造成的威胁，保证了电路在正常工作时的安全性。我们还可用可双端控制的沟槽型绝缘栅双极型晶体管代替原有的以多个半导体器件组成具有双向特性的小型电路，减少工作电路中半导体器件的数量，让电路设计者可更简单的确保电路 在工作时的安全性、正确性，在集成电路的封装方便也更加便捷；也通过可双端控制的沟槽型绝缘栅双极型晶体管来代替原本具有多个器件的双向功能电路，减少在动态电路中工作时产生的功率损耗。
[0031 ] 本发明的有益效果还在于，可双端控制的沟槽型绝缘栅双极型晶体管是一种可双端控制的双向型半导体器件，在器件的设计过程中，我们可根据用户的实际需求，给器件的衬底的两端设置不同的掺杂浓度和尺寸参数，在使用过程中可根据需要选择接入端与控制端，让器件成为一种适用性极强的新型器件，能够更好的满足用户的需求。
【专利附图】
【附图说明】
[0032]图1是本发明用于对比的常规沟槽型绝缘栅双极型晶体管的纵向剖面图；
[0033]图2是本发明可双端控制的沟槽型绝缘栅双极型晶体管的纵向剖面图；
[0034]图3是本发明可双端控制的沟槽型绝缘栅双极型晶体管制备方法工艺流程图；
[0035]图4是本发明现有常规沟槽型IGBT与可双端控制的沟槽型绝缘栅双极型晶体管的正向阻断特性的对比曲线图；
[0036]图5是本发明现有常规沟槽型IGBT与可双端控制的沟槽型绝缘栅双极型晶体管的反向阻断特性的对比曲线图；
[0037]图中，1.第一电极,2.第三电极,3.第一 N+讲,4.第一 P+讲,5.第二 P+讲,6.第二 N+阱，7.第四电极，8.第二电极，9.第一 5102栅氧层，10.第一多晶硅栅，11.栅极端电极，12.发射极端电极，13.N+阱，14.P+阱，15.SiO2栅氧层，16.P+层，17.集电极端电极，18.多晶硅栅，19.N-Sub型衬底，20.第二 SiO2栅氧层，21.第二多晶硅栅。
【具体实施方式】`
[0038]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进行详细说明。
[0039]本发明提供一种可双端控制的沟槽型绝缘栅双极型晶体管，如图2所示，包括N-Sub型衬底19，N-Sub型衬底19的上下表面中部分别刻蚀有第一沟槽和第二沟槽，第一沟槽和第二沟槽内分别设置有第一 SiO2栅氧层9和第二 SiO2栅氧层20，第一 SiO2栅氧层9和第二 SiO2栅氧层20上分别淀积有第一多晶硅栅10和第二多晶硅栅21，第一多晶硅栅10和第二多晶硅栅21的外表面分别设置有第一电极I和第二电极8，第一 SiO2栅氧层9两侧对称设置有P+阱4，第一 SiO2栅氧层9和第一 P+阱4之间设置有第一 N+阱3 ;第二 SiO2栅氧层20两侧对称设置有第二 P+阱5，第二 SiO2栅氧层20和第二 P+阱5之间设置有第
二N+阱6 ;第一沟槽的两侧且在可双端控制的沟槽型绝缘栅双极型晶体管的上表面分别设置有第三电极2 ;第二沟槽的两侧且在可双端控制的沟槽型绝缘栅双极型晶体管的下表面分别设置有第四电极7。
[0040]第一 P+阱4和第二 P+阱5的掺杂剂为B离子，N-sub衬底19、第一 N+阱3、第二N+阱6、第一多晶硅栅10、第二多晶硅栅21的掺杂剂为P离子。
[0041]第一多晶硅栅10和第二多晶硅栅21的掺杂浓度均为I X 1019cm_3-l X IO21CnT3 ;第一多晶硅栅10和第二多晶硅栅21槽深均为4μπι~1(^111，宽度均为44 111~10 μ m，且第一多晶硅栅10和第二多晶硅栅21的参数相同。
[0042]第一多晶硅栅10和第二多晶硅栅21的掺杂浓度均为I X 1019cm_3-l X IO21CnT3 ;第一多晶硅栅10和第二多晶硅栅21槽深均为4μπι~1(^111，宽度均为44 111~10 μ m，且第一多晶硅栅10和第二多晶硅栅21的参数不同。[0043]P+阱4和倒P+阱5的掺杂浓度均为I X 1017cnT3-3 X IO19CnT3 ；P+阱4和P+阱5的讲深均为4 μ m?8 μ m,宽度均为8 μ m?18 μ m ;且P+讲4和P+讲5参数相同。
[0044]P+阱4和P+阱5的掺杂浓度均为I X 1017cnT3-3 X IO19CnT3 ；P+阱4和P+阱5的阱深均为4 μ m?8 μ m,宽度均为8 μ m?18 μ m ;且P+讲4和P+讲5参数不同。
[0045]第一 N+阱3和第二 N+阱6的掺杂浓度均为I X IO19CnT3-1 X IO21Cm-3,第一 N+阱3和第二 N+阱6的阱深均为I μ m?3 μ m,宽度均为2 μ m?6 μ m ;且第一 N+阱3和第二 N+阱6参数相同。
[0046]第一 N+阱3和第二 N+阱6的掺杂浓度均为I X IO19CnT3-1 X IO21Cm-3,第一 N+阱3和第二 N+阱6的阱深均为I μ m?3 μ m,宽度均为2 μ m?6 μ m ;且第一 N+阱3和第二 N+阱6参数不同。
[0047]N-Sub型衬底19的浓度为I X 1013cm_3-l X 1014cm_3 ;厚度为300 μ m以上，宽度为20 μ m?40 μ m ;第一 SiO2栅氧层9和第二 SiO2栅氧层20的厚度0.2 μ m?0.8 μ m,宽度为 0.2 μ m ?0.8 μ m。
[0048]常规沟槽型IGBT见图1，全部是硅材料构成，图中11为栅极端电极，12为发射极端电极，17为集电极端电极，13为N+阱，14为P+阱，15为SiO2层即栅氧层，16为P+层，18为多晶硅栅。区别在于本发明中的可双端控制的沟槽型绝缘栅双极型晶体管是在常规沟槽型IGBT的P+层16处进行结构创新，具体参照图2，本发明会使常规沟槽型IGBT成为一个可双端控制的双向型器件，让常规IGBT的正向阻断能力差与反向阻断能力差的问题得到改善。
[0049]本发明所提供的可双端控制的沟槽型绝缘栅双极型晶体管是通过第一电极I和第二电极8两个电极来控制器件的开通与关断方向的，第三电极2和第四电极7可分别接高低电位来充当常规IGBT的发射极和集电极，具体为当第三电极2上加正电压时第四电极7上接负电压，可通过第二电极8控制器件的开通与关断；当第四电极7上加正电压时第三电极2上接负电压，通过第一电极I控制器件的开通与关断；具体工作原理可参照常规IGBT的工作原理。
[0050]本发明N-Sub衬底19的掺杂浓度及尺寸参数的改变对器件的正反向阻断特性的影响非常大，衬底的掺杂浓度越低、器件尺寸越厚，正向导通压降越大，反向阻断特性越好，因此为了增强其阻断能力，我们通常选用较厚且掺杂浓度较低的Si片来做衬底。器件双面的P+阱、N+阱、多晶硅栅的掺杂浓度以及尺寸的变化对器件各项参数影响均有影响，我们可根据需要制作双面参数不对称的沟槽栅IGBT，其中包括改变多晶硅栅极结构、P+阱、N+阱的尺寸与掺杂浓度以及栅氧层的厚度。
[0051]本发明主要针对现有平面栅双向型IGBT存在的弊端及常规沟槽型IGBT的正向阻断能力的提高与反向阻断能力的提高进行研究，研究发现，可双端控制的沟槽型绝缘栅双极型晶体管可消除平面栅双向型IGBT存在的各种弊端，尤其是在闩锁效应方面；在常规沟槽型IGBT的正向阻断特性与反向阻断特性方面都比同规模的常规沟槽型IGBT的特性好，具体结果见图3和图4。本发明中的可双端控制的沟槽型绝缘栅双极型晶体管的结构结合理论会得出，双向型器件在关断速度方面也有一定的优势，能够快速消除器件关断时产生的拖尾电流，使得器件在动态电路中工作时能够获得更小的功率损耗，极大的节约了能源和提升了电能的利用率，缩短了器件的关断时间，减少了器件拖尾电流对电路造成的威胁，保证了电路在正常工作时的安全性。
[0052]本发明的另一个目的是提供一种可双端控制的沟槽型绝缘栅双极型晶体管的制备方法，制备得到一种可双端控制的沟槽型绝缘栅双极型晶体管，包括N-Sub型衬底19，N-Sub型衬底19的上下表面中部分别刻蚀有第一沟槽和第二沟槽，第一沟槽和第二沟槽内分别设置有第一 SiO2栅氧层9和第二 SiO2栅氧层20，第一 SiO2栅氧层9和第二 SiO2栅氧层20上分别淀积有第一多晶娃栅10和第二多晶娃栅21,第一多晶娃栅10和第二多晶娃栅21的外表面分别设置有第一电极I和第二电极8，第一 SiO2栅氧层9两侧对称设置有P+阱4，第一 SiO2栅氧层9和第一 P+阱4之间设置有第一 N+阱3 ;第二 SiO2栅氧层20两侧对称设置有第二 P+阱5，第二 SiO2栅氧层20和第二 P+阱5之间设置有第二 N+阱6 ;第一沟槽的两侧且在可双端控制的沟槽型绝缘栅双极型晶体管的上表面分别设置有第三电极2 ；第二沟槽的两侧且在可双端控制的沟槽型绝缘栅双极型晶体管的下表面分别设置有第四电极7，具体按照如下步骤实施:
[0053]步骤1、选取浓度为I X IO13CnT3-1 X IO14CnT3的N型衬底片，掺杂剂为P离子，厚度为300 μ m以上，宽度为20 μ m~40 μ m，作为器件的N-Sub型衬底19 ；
[0054]步骤2、双面加掩膜版并双面刻蚀形成深度为4 μ m~10 μ m，宽度为4 μ m~10 μ m
的第一沟槽和第二沟槽，然后去除掩膜版；
[0055]步骤3、双面氧化形成SiO2层，厚度0.2 μ m~0.8 μ m,宽度0.2 μ m~0.8 μ m,时间为30min温度为12000C ；
[0056]步骤4、双面淀积多晶硅，厚度为4μπι~1(^111，宽度为44 111~10 μ m，掺杂剂为P，形成掺杂浓度为lX1019Cm_3-5 X 1022Cm_3的多晶硅栅极并进行平坦化；
[0057]步骤5、双面刻`蚀多晶硅栅极与SiO2层，以形成第一多晶硅栅10和第二多晶硅栅21以及第一 SiO2栅氧层9和第二 SiO2栅氧层20和SiO2层9 ；
[0058]步骤6、双面氧化Si成掩蔽层，时间60min，温度1000°C ；
[0059]步骤7、在第一多晶硅栅10和第二多晶硅栅21上分别加掩膜版进行B离子注入，形成掺杂浓度为I X 1017cnT3-3 X IO19CnT3的P+阱4和P+阱5，阱深均为4 μ m~8 μ m，宽度均为8 μ m~18 μ m,并进行退火,时间为IOOmin,温度为1150。。；
[0060]步骤8、在第一 P+阱4和第二 L型P+阱5边缘加掩膜版进行P离子注入，形成掺杂浓度为I X IO19CnT3-1 X IO21CnT3的第一 N+阱3和第二 N+阱6，阱深均为I μ m~3 μ m，宽度均为2 μ m~6 μ m,并进行退火,时间为60min,温度1150°C ；
[0061]步骤9、去除掩膜版，在第一 SiO2栅氧层9和第二 SiO2栅氧层20上方及其两侧加掩膜版进行P离子注入，形成掺杂浓度为IX IO19CnT3-1 X IO21CnT3的第一多晶硅栅10和第二多晶娃栅21,槽深均为4 μ m~10 μ m,宽度均为4 μ m~10 μ m,并进行退火，时间为120min,温度为1150。。；
[0062]步骤10、去除掩膜版，去除掩蔽层；
[0063]步骤11、在第一 SiO2栅氧层9和第二 SiO2栅氧层20上方加掩膜版，淀积铝形成第一电极I和第二电极8以及第三电极2和第四电极7，去除掩膜；
[0064]经过上述步骤即形成可双端控制的沟槽型绝缘栅双极型晶体管。
[0065]本发明的特点在于，该可双端控制的沟槽型绝缘栅双极型晶体管是一种双端可控的双向型器件，是在常规沟槽型IGBT的P+层16处进行结构创新，具体参照图2，包括常规常规沟槽型IGBT器件栅极两侧的N+阱13，且该可双端控制的沟槽型绝缘栅双极型晶体管的结构及制备方法可被广泛应用于平面栅IGBT、平面-沟槽栅IGBT、GTR、MOSFET等常规器件中。
[0066]本发明的优点是:发明一种可双端控制的沟槽型绝缘栅双极型晶体管，首先是减少了现有平面栅双向型IGBT存在的闩锁效应；其次是解决了常规沟槽型IGBT的正向阻断能力差和反向阻断能力差的问题以及常规沟槽型IGBT关断时间长的问题；再者是提供一种可双端控制的双向型半导体功率器件，缓解目前双向型器件缺乏所带来的一系列问题。主要表现在于，我们可以用可双端控制的沟槽型绝缘栅双极型晶体管代替现有平面栅双向型IGBT，减少器件在电路动态工作中可能产生的器件局部过热、工作电流过大等可能引起电路失效的问题，确保电路的安全性；双向型器件在关断速度方面也有一定的优势，能够快速消除器件关断时产生的拖尾电流，使得器件在动态电路中工作时能够获得更小的功率损耗，缩短了器件的关断时间，减少了器件拖尾电流对电路造成的威胁，保证了电路在正常工作时的安全性。我们还可用可双端控制的沟槽型绝缘栅双极型晶体管代替原有的以多个半导体器件组成具有双向特性的小型电路，减少工作电路中半导体器件的数量，让电路设计者可更简单的确保电路在工作时的安全性、正确性，在集成电路的封装方便也更加便捷；也通过可双端控制的沟槽型绝缘栅双极型晶体管来代替原本具有多个器件的双向功能电路，减少在动态电路中工作时产生的功率损耗。
[0067]本发明的有益效果还在于，可双端控制的沟槽型绝缘栅双极型晶体管是一种可双端控制的双向型半导体器件，在器件的设计过程中，我们可根据用户的实际需求，给器件的两端设置不同的掺杂浓度和尺寸参数，在使用过程中可根据需要选择接入端与控制端，让器件成为一种适用性极强的新型器件，能够更好的满足用户的需求。且该可双端控制的沟槽型绝缘栅双极型晶体管的结构及制备方法可被广泛应用于平面-沟槽栅IGBT、GTR、MOSFET等常规器件中，更好的促进我国电力电子技术的发展。
【权利要求】
1.一种可双端控制的沟槽型绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，包括N-Sub型衬底(19)，N-Sub型衬底(19)的上下表面中部分别刻蚀有第一沟槽和第二沟槽，所述第一沟槽和第二沟槽内分别设置有第一 SiO2栅氧层(9)和第二 SiO2栅氧层(20)，第一 SiO2栅氧层(9)和第二 SiO2栅氧层(20)上分别淀积有第一多晶硅栅(10)和第二多晶硅栅(21)，第一多晶硅栅(10)和第二多晶硅栅(21)的外表面分别设置有第一电极(I)和第二电极(8)，所述第一 SiO2栅氧层(9)两侧对称设置有P+阱(4)，第一 SiO2栅氧层(9)和第一 P+阱(4)之间设置有第一 N+阱(3);所述第二 SiO2栅氧层(20)两侧对称设置有第二 P+阱(5)，第二SiO2栅氧层(20)和第二 P+阱(5)之间设置有第二 N+阱(6);所述第一沟槽的两侧且在可双端控制的沟槽型绝缘栅双极型晶体管的上表面分别设置有第三电极(2);所述第二沟槽的两侧且在可双端控制的沟槽型绝缘栅双极型晶体管的下表面分别设置有第四电极(7)。
2.根据权利要求1所述的可双端控制的沟槽型绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，所述的第一 P+阱(4)和第二 P+阱(5)的掺杂剂为B离子，所述的N-sub衬底(19)、第一 N+阱(3)、第二N+阱(6)、第一多晶硅栅(10)、第二多晶硅栅(21)的掺杂剂为P离子。
3.根据权利要求1所述的可双端控制的沟槽型绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，所述的第一多晶硅栅(10)和第二多晶硅栅(21)的掺杂浓度均为I X IO19CnT3-1 X IO21CnT3 ;第一多晶硅栅(10)和第二多晶硅 栅(21)槽深均为4μπι~ΙΟμπι，宽度均为4μπι~ΙΟμπι，且第一多晶硅栅(10)和第二多晶硅栅(21)的参数相同。
4.根据权利要求1所述的可双端控制的沟槽型绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，所述的第一多晶硅栅(10)和第二多晶硅栅(21)的掺杂浓度均为I X 1019cm_3-l X IO21CnT3 ;第一多晶硅栅(10)和第二多晶硅栅(21)槽深均为4μπι~ΙΟμπι，宽度均为4μπι~ΙΟμπι，且第一多晶硅栅(10)和第二多晶硅栅(21)的参数不同。
5.根据权利要求1所述的可双端控制的沟槽型绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，所述第一 P+阱(4)和第二 P+阱(5)的掺杂浓度均为IX 1017cnT3-3X IO19CnT3 ;所述第一 P+阱(4)和第二P+讲(5)的讲深均为4 μ m~8 μ m,宽度均为8 μ m~18 μ m ;且第一 P+讲(4)和第二 P+阱(5)的参数相同。
6.根据权利要求1所述的可双端控制的沟槽型绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，所述第一 P+阱(4)和第二 P+阱(5)的掺杂浓度均为IX 1017cnT3-3X IO19CnT3 ;所述第一 P+阱(4)和第二 P+讲(5)的讲深均为4 μ m~8 μ m,宽度均为8 μ m~18 μ m ;且第一 P+讲(4)和第二 P+阱(5)的参数不同。
7.根据权利要求1所述的可双端控制的沟槽型绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，所述第一 N+阱(3)和第二 N+阱(6)的掺杂浓度均为I X IO19CnT3-1 X 1021cnT3，所述第一 N+阱(3)和第二 N+阱(6)的阱深均为I μ m~3 μ m,宽度均为2 μ m~6 μ m ;且第一 N+阱(3)和第二 N+阱(6)参数相同。
8.根据权利要求1所述的可双端控制的沟槽型绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，所述第一 N+阱(3)和第二 N+阱(6)的掺杂浓度均为IX IO19CnT3-1X 1021cnT3，所述第一 N+阱(3)和第二 N+阱(6)的阱深均为I μ m~3 μ m,宽度均为2 μ m~6 μ m ;且第一 N+阱(3)和第二 N+阱(6)参数不同。
9.根据权利要求1所述的可双端控制的沟槽型绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，所述N-Sub型衬底(19)的浓度为I X IO13CnT3-1 X IO14CnT3 ;厚度为300μπι以上，宽度为.20 μ m~40 μ m ;所述第一 SiO2栅氧层(9)和第二 SiO2栅氧层(20)的厚度0.2 μ m~0.8 μ m,宽度为0.2 μ m~0.8 μ m。
10.一种可双端控制的沟槽型绝缘栅双极型晶体管的制备方法，其特征在于，制备得到一种可双端控制的沟槽型绝缘栅双极型晶体管，包括N-Sub型衬底(19), N-Sub型衬底(19)的上下表面中部分别刻蚀有第一沟槽和第二沟槽，所述第一沟槽和第二沟槽内分别设置有第一 SiO2栅氧层(9)和第二 SiO2栅氧层(20)，第一 SiO2栅氧层(9)和第二 SiO2栅氧层(20)上分别淀积有第一多晶硅栅(10)和第二多晶硅栅(21)，第一多晶硅栅(10)和第二多晶硅栅(21)的外表面分别设置有第一电极(I)和第二电极(8)，所述第一 SiO2栅氧层(9)两侧对称设置有P+阱(4)，第一 SiO2栅氧层(9)和第一 P+阱(4)之间设置有第一 N+阱(3);所述第二 SiO2栅氧层(20)两侧对称设置有第二 P+阱(5)，第二 SiO2栅氧层(20)和第二 P+阱(5)之间设置有第二 N+阱(6);所述第一沟槽的两侧且在可双端控制的沟槽型绝缘栅双极型晶体管的上表面分别设置有第三电极(2);所述第二沟槽的两侧且在可双端控制的沟槽型绝缘栅双极型晶体管的下表面分别设置有第四电极(7)，具体按照以下步骤实施: 步骤1、选取浓度为I X IO13CnT3-1 X IO14CnT3的N型衬底片，掺杂剂为P离子，厚度为.300 μ m以上，宽度为20μπι~40μπι，作为器件的N-Sub型衬底(19)； 步骤2、双面加掩膜版并双面刻蚀形成深度为4 μ m~10 μ m，宽度为4 μ m~10 μ m的第一沟槽和第二沟槽，然后去除掩膜版； 步骤3、双面氧化形成SiO2层，厚度0.2 μ m~0.8 μ m，宽度0.2 μ m~0.8 μ m，时间为30min 温度为 1200°C ； 步骤4、双面淀积多 晶硅，厚度为4 μ m~10 μ m，宽度为4 μ m~10 μ m，掺杂剂为P，形成掺杂浓度为lX1019Cm_3-5 X 1022Cm_3的多晶硅栅极并进行平坦化； 步骤5、双面刻蚀多晶硅栅极与SiO2层，以形成第一多晶硅栅(10)和第二多晶硅栅(21)以及第一 SiO2栅氧层(9)和第二 SiO2栅氧层(20)和SiO2层(9)； 步骤6、双面氧化Si形成掩蔽层，时间60min，温度1000°C ； 步骤7、在第一多晶硅栅(10)和第二多晶硅栅(21)上分别加掩膜版进行B离子注入，形成掺杂浓度为lX1017cm_3-3X1019cm_3的第一 P+阱(4)和第二 P+阱(5)，阱深均为4 μ m~.8 μ m,宽度均为8 μ m~18 μ m,并进行退火,时间为IOOmin,温度为1150°C ； 步骤8、在第一 P+阱(4)和第二 P+阱(5)边缘加掩膜版进行P离子注入，形成掺杂浓度为I X IO19CnT3-1 X IO21CnT3的第一 N+讲(3)和第二 N+讲(6),讲深均为Iym~3μηι,宽度均为2 μ m~6 μ m,并进行退火,时间为60min,温度1150°C ； 步骤9、去除掩膜版，在第一 SiO2栅氧层(9)和第二 SiO2栅氧层(20)上方及其两侧加掩膜版进行P离子注入，形成掺杂浓度为I X IO19CnT3-1 X IO21CnT3的第一多晶硅栅(10)和第二多晶娃栅(21),槽深均为4μηι~ΙΟμπι,宽度均为4μηι~10 μ m,并进行退火,时间为.120min，温度为 1150。。； 步骤10、去除掩膜版，去除掩蔽层； 步骤11、在第一 SiO2栅氧层(9)和第二 SiO2栅氧层(20)上方加掩膜版，淀积铝形成第一电极(I)和第二电极(8)以及第三电极(2)和第四电极(7)，去除掩膜； 经过上述步骤即形成可双端控制的沟槽型绝缘栅双极型晶体管。
【文档编号】H01L21/28GK103762162SQ201310712725
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2013年12月20日 优先权日:2013年12月20日
【发明者】杨媛, 王秀慜, 冯松, 谢加强, 马丽, 高勇 申请人:西安理工大学