一种IGBT器件及智能功率模块的制作方法

本申请涉及半导体技术领域，特别是涉及一种igbt器件及智能功率模块。

背景技术：

绝缘栅双极型晶体管(insulatedgatebipolartransistor，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，目前igbt作为一种新型的电力电子器件被广泛应用到各个领域。

如图1所示的igbt的剖面结构图，在igbt的集电极101和发射极102之间等效存在集电极-发射极电容，在发射极102和栅极103之间等效存在有栅极-发射极电容，在集电极101与栅极103之间等效存在有门极-集电极电容，即米勒电容。在栅极103对栅极-发射极电容和米勒电容的充电阶段，igbt开始导通，集电极101电流开始增加，并达到最大负载电流，同时栅极103电压也达到并维持在米勒电压平台。

由于存在米勒电容，所以在igbt的导通过程中栅极103的电压会维持在米勒电压平台一段时间，在此期间，igbt的开关损耗比较大。

技术实现要素：

本申请主要解决的技术问题是如何减小igbt器件的米勒电容，降低开关损耗，并提高igbt器件的耐压性能。

为解决上述技术问题，本申请采用的一个技术方案是：提供一种igbt器件。该igbt器件包括：沿第一方向依次层叠设置集电极、漂移区、发射极及栅极；栅极在集电极上的投影位于发射极在集电极上的投影内，以使发射极间隔集电极和栅极；其中，响应于igbt导通，发射极靠近栅极的一侧形成沿第一方向朝背离集电极一侧延伸的导电沟道。

为解决上述技术问题，本申请采用的另一个技术方案是：提供一种智能功率模块。该智能功率模块集成有igbt器件及其驱动控制电路，igbt器件为上述igbt器件。

本申请实施例的有益效果是：本申请igbt器件包括：沿第一方向依次层叠设置集电极、漂移区、发射极及栅极；栅极在集电极上的投影位于发射极在集电极上的投影内，以使发射极间隔集电极和栅极；其中，响应于igbt导通，发射极靠近栅极的一侧形成沿第一方向朝背离集电极一侧延伸的导电沟道。本申请实施例igbt器件在栅极与集电极之间设置发射极，能够通过发射极对栅极与集电极进行电位屏蔽，即在米勒电容的两个电极之间设置屏蔽电极，能够通过屏蔽电极减小米勒电容，以缩短米勒电容的充电时间，从而能够降低igbt器件在米勒平台的开关损耗，进而能够降低igbt器件的开关损耗；同时，在igbt器件导通时，发射极靠近栅极的一侧形成的导电沟道沿第一方向朝背离集电极的一侧延伸，使得igbt器件的导电沟道先沿第一方向朝背离集电极的一侧延伸后，再从发射极延伸至集电极，能够有效增加导电沟道的长度，因此能够提升igbt器件的耐压性能。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有igbt器件的结构示意图；

图2是本申请igbt器件一实施例的结构示意图；

图3是本申请igbt器件一实施例的结构示意图；

图4是本申请igbt器件一实施例的工艺结构示意图；

图5是本申请igbt器件一实施例的工艺结构示意图；

图6是本申请igbt器件一实施例的工艺结构示意图；

图7是本申请智能功率模块一实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本申请作进一步的详细描述。特别指出的是，以下实施例仅用于说明本申请，但不对本申请的范围进行限定。同样的，以下实施例仅为本申请的部分实施例而非全部实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

米勒电容是影响igbt器件开通损耗的关键参数之一；米勒电容的大小影响igbt器件开通时，处于米勒平台的时间长短，米勒平台对应时间越长，igbt器件开通损耗越大；减小米勒电容是降低igbt器件开通损耗的重要途径之一。

本申请技术方案能够减小igbt器件的米勒电容，进而能够降低开关损耗，且本申请技术方案能够提升igbt器件的耐压性能。

本申请首先提出一种igbt器件，如图2所示，图2是本申请igbt器件一实施例的结构示意图。本实施例igbt器件10包括：沿第一方向依次层叠设置的集电极110、漂移区120、发射极130及栅极140，栅极140在集电极110上的投影位于发射极130在集电极110上的投影内，以使发射极130间隔集电极110和栅极140；其中，响应于igbt10导通，发射极130靠近栅极140的一侧形成沿第一方向朝背离集电极110一侧延伸的导电沟道。

igbt器件10的开通过程如下：第一阶段：栅极140电流对栅极-发射极电容充电，栅极140电压上升至第一电压，在该阶段，集电极110是没有电流的，集电极110的电压也未发生变化，即该阶段时间为死区时间，栅极140电流只对栅极-发射极电容充电；第二阶段：栅极140电流对栅极-发射极电容充电和米勒电容充电，在该阶段，igbt器件10开始导通，集电极110电流开始增加，并达到最大负载电流，同时栅极140电压也达到并维持在米勒电压平台；第三阶段：栅极140电流继续对栅极-发射极电容充电，第一电压开始逐渐上升，整个igbt器件10完全导通。

可知，在第二阶段，即igbt器件10开始导通阶段，栅极140电压维持在米勒电压平台，以对米勒电容进行充电，因此减小米勒电容，能够缩短栅极140电压在米勒电压平台的时间，能够使得igbt器件10快速进入第三阶段，以实现快速导通。

进一步的，本实施例igbt器件10导通时，形成的导电沟道先沿第一方向朝背离集电极110的一侧延伸后，再从发射极130延伸至集电极110，能够有效增加导电沟道的长度。

区别于现有技术，本实施例igbt器件10在栅极140与集电极110之间设置发射极130，能够通过发射极130对栅极140与集电极110进行电位屏蔽，即在米勒电容的两个电极之间设置屏蔽电极，能够通过屏蔽电极减小米勒电容，以缩短米勒电容的充电时间，从而能够降低igbt器件10在米勒平台的开关损耗，进而能够降低igbt器件10的开关损耗；同时，在igbt器件10导通时，发射极130靠近栅极140的一侧形成的导电沟道沿第一方向朝背离集电极110的一侧延伸，使得igbt器件10的导电沟道先沿第一方向朝背离集电极110的一侧延伸后，再从发射极130延伸至集电极110，能够有效增加导电沟道的长度，因此能够提升igbt器件10的耐压性能。

进一步地，在igbt器件10关断时，漂移区120中的空穴主要通过与漂移区120中的电子复合来消灭，从而实现igbt器件10的关断。

可选地，本实施例的发射极130包括：第一体区131、发射区133及发射电极134，第一体区131与发射区133沿第一方向接触排布，发射区133与发射电极134沿第二方向接触排布，且第二体区132分别与第一体区131和发射电极134接触；栅极140在集电极110上的投影位于发射电极134在集电极110上的投影内，以使发射电极134间隔集电极110与栅极140，且栅极140分别与第一体区131、发射区133及发射电极134接触；其中，第二方向与第一方向垂直。

第一体区131与发射区133沿第一方向接触排布是指第一体区131与发射区133沿第一方向排布，且沿第一方向依次直接接触或者通过导电层间接接触；发射区133与发射电极134沿第二方向接触排布是指发射区133与发射电极134沿第二方向排布，且沿第二方向依次直接接触或者通过导电层间接接触；第二体区132分别与第一体区131和发射电极134直接接触或者通过导电层间接接触；栅极140分别与第一体区131、发射区133及发射电极134直接接触或者通过导电层间接接触。

本实施例的发射电极134间隔集电极110与栅极140，不仅可以使发射电极134对栅极140和集电极110之间进行电位屏蔽，二者能够使栅极140与发射电极134沿第一方向设置，便于同侧引出栅电极141和发射电极134，简化结构。

可选地，本实施例的第一体区131进一步延伸至发射区133背离发射电极134的一侧；漂移区120进一步延伸至第一体区131背离发射区133的一侧，且分别与第一体区131和栅极140接触。

漂移区120分别与第一体区131和栅极140直接接触或者通过导电层间接接触。

第一体区131呈“l”型设置，第一体区131能过间隔漂移区120与发射区133。

可选地，本实施例的igbt器件10进一步包括第二体区132，设置在发射电极134背离栅极140的一侧，且分别与第一体区131、发射区133及发射电极134接触。

第二体区132分别与第一体区131、发射区133及发射电极134直接接触或者通过导电层间接接触。

本实施例的发射极130包括第一体区131和第二体区132，第一体区131通过第二体区132与发射电极134电接触；且第二体区132的掺杂浓度大于第一体区131的掺杂浓度。

本实施例的通过设置第二体区132，能够在igbt器件10关断时，提供少子抽取通道，因此能够加快igbt器件10的关断速度。

当然，在其它实施例中，为简化工艺，可以不设置第二体区，仅设置第一体区即可。

可选地，igbt器件10进一步包括第一氧化层152，设置在漂移区120与第二体区132之间，且分别与第二体区132和漂移区120接触。

第一氧化层152分别与第二体区132和漂移区120直接接触或者通过导电层间接接触。

进一步地，导通特性是影响igbt器件10通态损耗的关键参数之一，降低导通电阻，能有效降低开通损耗。

为此，本实施例的igbt器件10的第二体区132和第一氧化层152形成第一场板结构，能够对漂移区120进行电场调制作用，能够优化漂移区120的电场和浓度分布，从而能够在保证耐压前提下，有效的igbt器件10的降低导通电阻，进而降低开关损耗。

在另一实施例中，如图3所示，本实施例的igbt器件10与图1实施例igbt器件10的区别在于：本实施例igbt器件10进一步包括：半导体区161和第二氧化层162；其中，半导体区161设置在集电极110靠近漂移区120的一侧，且漂移区120进一步延伸至第二半导体区161与集电极110之间；第二氧化层162设置在半导体区161与漂移区120之间，且分别与半导体区161和漂移区120接触。

其中，本实施例的igbt器件10采用硅片制作时，第一氧化层152及第二氧化层162可以是sio2层，第二体区132及半导体区161可以采用多晶硅制作。

其中，第二氧化层162分别与半导体区161和漂移区120直接接触或者通过导电层间接接触。

漂移区120进一步间隔第二氧化层162与集电极110。

进一步地，本实施例的第二氧化层162还与栅极绝缘层142直接接触或者通过导电层间接接触，以缩小igbt器件10沿第二方向的尺寸。

本实施例的半导体区161和第二氧化层162形成第二场板结构，能够对漂移区120进行电场调制作用，能够优化漂移区120的电场和浓度分布，从而能够在保证耐压前提下，有效的igbt器件10的降低导通电阻，进而降低开关损耗。

进一步地，本实施例采用第一场板结构与第二场板结构分别在不同位置对漂移区120进行电场调制，且能够通过第一场板与第二场板的配合调制，使漂移区120的电场和浓度分布优化到最佳状态，从而在保证耐压前提下，有效的降低导通电阻。

igbt器件的板场结构的数量可以依据对igbt器件的性能要求、结构工艺要求进行选择；例如为简化igbt器件的结构及工艺，可以设置一个或者不设置上述场板结构；为进一步提高igbt器件的耐压性能，可以设置两个以上的场板结构。

可选地，继续参阅图2，本实施例的栅极140包括：栅电极141和栅极绝缘层142；其中，栅电极141设于栅极绝缘层142，栅极绝缘层142分别与第一体区131、发射区133及发射电极134接触。

其中，栅极绝缘层142分别与第一体区131、发射区133及发射电极134直接接触或者通过导电层间接接触。

进一步地，本实施例的栅电极141在集电极110上的投影位于发射电极134在集电极110上的投影内，使栅极140与发射电极134沿第一方向设置，便于同侧引出栅电极141和发射电极134，简化结构。

在其它实施例中，还可以将栅电极埋设于栅极绝缘层内，即栅电极被栅极绝缘层包围，能够改善短沟道效应。

其中，栅极绝缘层142可以是氧化层，例如，igbt器件10采用硅片制作时，栅极绝缘层142可以是sio2层，栅电极141可以采用多晶硅制作。

本实施例的漂移区120进一步延伸至集电极110与发射极130之间，以间隔集电极110和发射极130。

可选地，本实施例igbt器件与上述igbt器件10的区别在于：本实施例的栅极绝缘层142沿第二方向的尺寸小于集电极110沿第二方向的尺寸。

这种结构能够将漂移区120延伸至栅极绝缘层142，且与栅极绝缘层142沿第二方向直接接触或者通过导电层间接接触，能够增加漂移区120有效长度，增加igbt器件10的耐压性能。

可选地，本实施例的igbt器件10进一步包括缓冲层170，集电极110包括：集电电极111和集电区112；其中，集电区112设置在集电电极111和缓冲层170之间，且分别与集电电极111和缓冲层170接触，缓冲层170设置在漂移区120与集电区112之间，且进一步与漂移区120接触。

其中，集电区112分别与集电电极111和缓冲层170直接接触或者通过导电层间接接触；缓冲层170漂移区120直接接触或者通过导电层间接接触。

进一步地，第一体区131具有第一掺杂类型，发射区133具有第二掺杂类型，第二体区132的掺杂类型、集电区112的掺杂类型与第一体区131的掺杂类型相同，漂移区120的掺杂类型、缓冲区170的掺杂类型与发射区133的掺杂类型相同，且第二体区132的掺杂浓度大于第一体区131的掺杂浓度，漂移区120的掺杂浓度小于缓冲区的掺杂浓度，发射区133大于缓冲区的掺杂浓度。

具体地，本实施例的第一掺杂类型为p型掺杂，第二掺杂类型为n型掺杂，即igbt器件10的半导体结构由n型掺杂漂移区、n型掺杂发射区、n型掺杂缓冲区、p型掺杂第一体区、p型掺杂第二体区、p型掺杂集电区组成。本实施例的igbt器件10的半导体结构为npn结构，在igbt器件10导通时，形成n沟道。

具体地，在igbt器件10导通时，发射电极134注入的少数载流子为空穴，集电电极111注入的少数载流子为电子；栅电极141上施加的电压大于阈值电压时，发射电极134通过n型掺杂发射区、p型掺杂第一体区、p型掺杂第二体区向n型掺杂漂移区注入高浓度电子，并通过n型掺杂缓冲区、p型掺杂集电区，从而形成电子电流；同时，集电电极111通过p型掺杂集电区、n型掺杂缓冲区向n型掺杂漂移区注入高浓度空穴，并与n型掺杂漂移区的高浓度电子复合，形成空穴电流。电子电流与空穴电流之和，构成了igbt器件10的饱和电流能力。

进一步地，p型掺杂第二体区的掺杂浓度大于p型掺杂第一体区的掺杂浓度，能够在igbt器件10关断时，提供少子抽取通道，因此能够加快igbt器件10的关断速度。

在另一实施例中，第一掺杂类型为p型掺杂，第二掺杂类型为n型掺杂，即的半导体结构由p型掺杂漂移区、p型掺杂发射区、p型掺杂缓冲区、n型掺杂第一体区、n型掺杂第二体区、n型掺杂集电区组成。本实施例的igbt器件10的半导体结构为pnp结构，在igbt器件10导通时，形成p沟道；具体地，在igbt器件导通时，发射电极注入的少数载流子为电子，集电电极注入的少数载流子为空穴；栅电极上施加的电压大于阈值电压时，发射极通过p型掺杂发射区、n型掺杂第一体区、n型掺杂第二体区向p型掺杂漂移区注入高浓度空穴，并通过p型掺杂缓冲区、n型掺杂集电区，从而形成空穴；同时，集电极通过n型掺杂集电区、p型掺杂缓冲区向p型掺杂漂移区注入高浓度电子，并与p型掺杂漂移区的高浓度空穴复合，形成空穴电流。电子电流与空穴电流之和，构成了igbt器件的饱和电流能力。

需要注意的是，本申请实施例igbt器件的各层半导体结构、电极结构的形状及位置可以根据具体产品设计进行适当变化。

可以采用如图4至图6所示的工艺形成图2实施例的igbt器件10。具体地，先通过同向刻蚀和异向刻蚀工艺，在硅片上形成沟槽，如图4所示；接着通过局部氧化形成第一氧化层152，通过沉积多晶硅形成第二体区132，通过斜角掺杂形成第一体区131，如图5所示；然后沉积发射电极134，并通过斜角掺杂形成发射区133，如图6所示；最后通过干氧氧化形成栅极绝缘层142，通过电极多晶硅形成栅电极141，通过背部工艺形成缓冲区170、集电区112及集电电极111，如图2所示。

本申请进一步提出一种智能功率模块，如图7所示，图7是本申请智能功率模块一实施例的结构示意图。本实施例智能功率模块40包括：igbt器件10及其驱动控制电路41，igbt器件10在驱动控制电路41的驱动控制下工作。其中，igbt器件10为上述实施例的igbt器件10，这里不赘述。

智能功率模块是一种由高速、低功耗的igbt、栅极驱动以及相应的保护电路构成的半导体器件，具有大功率晶体管的高电流密度、低饱和电压和耐高压的优点，以及场效应晶体管的高输入阻抗、高开关频率和低驱动功率的优点。而且智能功率模块内部集成了逻辑、控制、检测和保护电路，使用起来方便，不仅减小了系统的体积以及开发时间，也大大增强了系统的可靠性；本实施例智能功率模块可用于家用电器、轨道交通、电力系统等领域。

区别于现有技术，本申请igbt器件包括：沿第一方向依次层叠设置集电极、漂移区、发射极及栅极；栅极在集电极上的投影位于发射极在集电极上的投影内，以使发射极间隔集电极和栅极；其中，响应于igbt导通，发射极靠近栅极的一侧形成沿第一方向朝背离集电极一侧延伸的导电沟道。本申请实施例igbt器件在栅极与集电极之间设置发射极，能够通过发射极对栅极与集电极进行电位屏蔽，即在米勒电容的两个电极之间设置屏蔽电极，能够通过屏蔽电极减小米勒电容，以缩短米勒电容的充电时间，从而能够降低igbt器件在米勒平台的开关损耗，进而能够降低igbt器件的开关损耗；同时，在igbt器件导通时，发射极靠近栅极的一侧形成的导电沟道沿第一方向朝背离集电极的一侧延伸，使得igbt器件的导电沟道先沿第一方向朝背离集电极的一侧延伸后，再从发射极延伸至集电极，能够有效增加导电沟道的长度，因此能够提升igbt器件的耐压性能。

进一步地，本申请实施例的发射极设置有第二体区，且第二体区的掺杂浓度大于第一体区的掺杂浓度，能够在igbt器件关断时，提供少子抽取通道，因此能够加快igbt器件的关断速度。

进一步地，本申请实施例的第二体区和第一氧化层形成第一场板结构，能够对漂移区进行电场调制作用，能够优化漂移区的电场和浓度分布，从而能够在保证耐压前提下，有效的igbt器件的降低导通电阻，进而降低开关损耗。

进一步地，本申请实施例的半导体区和第二氧化层形成第二场板结构，能够对漂移区进行电场调制作用，能够优化漂移区的电场和浓度分布，从而能够在保证耐压前提下，有效的igbt器件的降低导通电阻，进而降低开关损耗；且采用第一场板结构与第二场板结构分别在不同位置对漂移区进行电场调制，且能够通过第一场板与第二场板的配合调制，使漂移区的电场和浓度分布优化到最佳状态，从而在保证耐压前提下，有效的降低导通电阻。

进一步地，本申请实施例将漂移区延伸至栅极绝缘层，且与栅极绝缘层沿第二方向直接接触或者通过导电层间接接触，能够增加漂移区有效长度，增加igbt器件的耐压性能。

以上所述仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效机构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。