CN109801911A - 一种混合元胞型集成igbt器件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种混合元胞型集成IGBT器件，其有源区包括沟槽元胞区(2)和平面元胞区(3)，沟槽元胞区由沟槽型IGBT元胞构成，平面元胞区由平面型IGBT元胞构成。本发明的混合元胞型集成IGBT器件，单一芯片内同时具有沟槽型和平面型IGBT元胞结构，并具有两个独立的控制栅极，结合了两者的优点，具有更优的器件性能。

Description

一种混合元胞型集成IGBT器件

技术领域

本发明涉及一种IGBT器件，尤其涉及一种混合元胞型集成IGBT器件。

背景技术

传统的平面栅IGBT由栅氧化层、平面多晶硅栅电极、JFET区、发射极电极、绝缘介质层、N+发射区、P阱区、P+深阱区、N-漂移区、P型集电极区以及集电极组成。传统的平面绝缘栅双极型晶体管器件结构上部附近的电导调制作用较差，自身特性决定了其正面载流子浓度较小。电流从P阱区上部流过会产生JFET阻抗，因此其具有较高的通态电压以及通态损耗。传统的平面绝缘栅双极型晶体管器件由于其有源区中元胞面积较大，造成器件导通时有效沟道宽度较小，电流密度也较小。为了增大平面栅IGBT的电流密度，通常采取增加平面栅IGBT导电沟道面积，减少PIN区面积的方法，但这样做也会造成通态电压增大。而传统的沟槽栅IGBT，由于栅极和源极交叠面积非常大，使得输入电容也非常大，造成器件开关时，栅极充放电时间较长，动态损耗也比较大。此外，传统的沟槽栅IGBT的元胞面积较小，器件导通时有效沟道宽度较大，从而导致饱和电流密度较大，器件短路耐量小。沟槽栅极和衬底之间的电容，使得沟槽IGBT器件具有较高的Crss（Reverse transfer capacitance，反向传输电容）。IGBT器件的高Crss降低了器件的开关速度，也使开关能量损耗较高。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种单一元胞内同时具有沟槽型和平面型IGBT元胞结构的混合元胞型集成IGBT器件。此外，本发明还涉及该混合元胞型集成IGBT器件的制备方法。

本发明的混合元胞型集成IGBT器件，其有源区包括沟槽元胞区和平面元胞区，所述沟槽元胞区由沟槽型IGBT元胞构成，所述平面元胞区由平面型IGBT元胞构成。

进一步的，本发明的混合元胞型集成IGBT器件，所述沟槽元胞区设有第一栅极，所述平面元胞区设有与所述第一栅极绝缘的第二栅极。

进一步的，本发明的混合元胞型集成IGBT器件，还包括芯片本体，芯片本体的边缘设有绕沟槽元胞区和平面元胞区设置的终端保护区，所述沟槽元胞区的表面设有第一栅极PAD，所述平面元胞区的表面设有第二栅极PAD，沟槽元胞区和平面元胞区上还设有芯片发射极，芯片本体的背面设有集电极。

进一步的，本发明的混合元胞型集成IGBT器件，所述沟槽型IGBT元胞包括第一衬底，第一衬底的表面设有沟槽，沟槽的内侧面上设有第一栅氧化层，所述第一栅极位于沟槽内，沟槽的两侧为第一P型基区，第一P型基区的中间为第一N+发射区，第一N+发射区的中间为第一P+深阱区，第一P型基区上沉积第一绝缘介质层，第一绝缘介质层上沉积一层发射极金属作为沟槽型IGBT元胞的发射极，沟槽元胞区内各沟槽型IGBT元胞的发射极金属相互连接并与芯片本体表面的发射极连接，各沟槽型IGBT元胞的第一栅极互接后与第一栅极PAD连接，第一衬底的背面为第一P型集电极区，第一P型集电极区下方沉积一层金属作为第一集电极金属。

进一步的，本发明的混合元胞型集成IGBT器件，所述平面型IGBT元胞包括第二衬底、位于第二衬底上方的第二栅极，第二衬底与第二栅极之间设有第二栅氧化层，第二衬底的表面设有位于第二栅极正下方的JFET区，JFET区两侧设有第二P型基区，第二P型基区的中间为第二N+发射区，第二N+发射区的中间为第二P+深阱区，第二P型基区上沉积第二绝缘介质层，第二绝缘介质层上沉积一层发射极金属作为平面型IGBT元胞的发射极，平面元胞区内各平面型IGBT元胞的发射极互连后与芯片本体的发射极连接，各平面型IGBT元胞的第二栅极互连后与第二栅极PAD连接，第二衬底的背面为第二P型集电极区，第二P型集电极区的底面沉积一层金属作为第二集电极金属。

借由上述方案，本发明至少具有以下优点：本发明的混合元胞型集成IGBT器件，本发明的混合元胞型集成IGBT器件，将两种具有不同应用特点的IGBT结构集成在单一IGBT芯片中，结合了两种IGBT的优点，使其既有沟槽型IGBT导通压降低，电流密度大的优点，又有平面型IGBT饱和电流小，短路耐量高，可靠性高的优点。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是本发明的混合元胞型集成IGBT器件的芯片正面结构示意图；

图2是具有另一版图结构的混合元胞型集成IGBT器件的芯片正面结构示意图；

图3是混合元胞型集成IGBT器件的元胞区纵向剖视结构示意图；

图4是混合元胞型集成IGBT器件中沟槽型IGBT元胞纵向剖视结构示意图；

图5是混合元胞型集成IGBT器件中平面型IGBT元胞纵向剖视结构示意图；

图6是底部改进的混合元胞型集成IGBT器件的元胞区纵向剖视结构示意图；

图7是底部进一步改进的混合元胞型集成IGBT器件的元胞区纵向剖视结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

参见图1至图7，本发明一较佳实施例的一种混合元胞型集成IGBT器件，有源区包括沟槽元胞区2和平面元胞区3，沟槽元胞区由沟槽型IGBT元胞构成，平面元胞区由平面型IGBT元胞构成。

本发明的混合元胞型集成IGBT器件，将两种具有不同应用特点的IGBT结构集成在单一IGBT芯片中，结合了两种IGBT的优点，使其既有沟槽型IGBT导通压降低，电流密度大的优点，又有平面型IGBT饱和电流小，短路耐量高，可靠性高的优点。

作为优选，本发明的混合元胞型集成IGBT器件，沟槽元胞区设有第一栅极12-A，平面元胞区设有与第一栅极绝缘的第二栅极12-B。

两种IGBT结构各自采用单独的栅极控制，使其栅电压稳定一致，且均匀分布，击穿电压也稳定一致。具体的，两个独立的栅极通过绝缘介质层分隔开来，两种元胞区的栅极都是通过多晶硅来互连，并与各自的栅极PAD相连，其中第一栅极与第一栅极PAD连接，第二栅极与第二栅极PAD连接。

作为优选，本发明的混合元胞型集成IGBT器件，还包括芯片本体1，芯片本体的边缘设有绕沟槽元胞区和平面元胞区设置的终端保护区4，沟槽元胞区的表面设有第一栅极PAD5，平面元胞区的表面设有第二栅极PAD6，沟槽元胞区和平面元胞区上还设有芯片发射极，芯片本体的背面设有集电极。

上述各电极之间通过对芯片表面金属化层刻蚀而间隔开来。

作为优选，本发明的混合元胞型集成IGBT器件，沟槽型IGBT元胞包括第一衬底201，第一衬底的表面设有沟槽202，沟槽的内侧面上设有第一栅氧化层203，第一栅极204位于沟槽内，沟槽的两侧为第一P型基区205，第一P型基区的中间为第一N+发射区206，第一N+发射区的中间为第一P+深阱区207，第一P型基区上沉积第一绝缘介质层208，第一绝缘介质层上沉积一层发射极金属作为沟槽型IGBT元胞的发射极209，沟槽元胞区内各沟槽型IGBT元胞的发射极金属相互连接并与芯片本体表面的发射极11连接，各沟槽型IGBT元胞的第一栅极互接后与第一栅极PAD连接，第一衬底的背面为第一P型集电极区210，第一P型集电极区下方沉积一层金属作为第一集电极金属211。

作为优选，本发明的混合元胞型集成IGBT器件，平面型IGBT元胞包括第二衬底301、位于第二衬底上方的第二栅极304，第二衬底与第二栅极之间设有第二栅氧化层303，第二衬底的表面设有位于第二栅极正下方的JFET区302，JFET区两侧设有第二P型基区305，第二P型基区的中间为第二N+发射区306，第二N+发射区的中间为第二P+深阱区307，第二P型基区上沉积第二绝缘介质层308，第二绝缘介质层上沉积一层发射极金属作为平面型IGBT元胞的发射极309，平面元胞区内各平面型IGBT元胞的发射极互连后与芯片本体的发射极11连接，各平面型IGBT元胞的第二栅极互连后与第二栅极PAD连接，第二衬底的背面为第二P型集电极区310，第二P型集电极区的底面沉积一层金属作为第二集电极金属311。

本发明的混合元胞型集成IGBT器件，相邻元胞之间沉积有绝缘介质层，通过绝缘介质层隔离各个元胞的栅极与发射极；绝缘介质层上再沉积一层金属电极，金属电极互连后形成IGBT芯片发射极；绝缘介质层的厚度为1-1.5um；金属电极的厚度为1-5um，该金属电极材料可以采用AlSi、AlSiCu或其他材质，绝缘介质层可以为二氧化硅材料。作为进一步改进，沟槽型IGBT元胞的元胞结构可以采用PT-IGBT、NPT-IGBT、CSTBT或其他结构，这都应在本发明的保护范围内；作为进一步改进，制备IGBT的方法有扩散法、离子注入法和外延法等方法，用各种方法制备的IGBT结构，这都应在本发明的保护范围内，具体的，本发明的混合元胞型集成IGBT器件的制作方法如下描述：

1)采用N型单晶硅材料或N型外延硅材料作为衬底材料，充当IGBT器件的漂移区。

2)忽略终端区域的形成过程，在有源区中形成沟槽IGBT和平面IGBT元胞结构。

3)利用光刻版图形成JFET注入窗口，向JFET注入窗口注入高能磷离子并高温推阱，在平面IGBT区域的元胞中形成JFET区，同时也可在沟槽IGBT区域的元胞中形成CS区。

4)利用光刻版图形成沟槽刻蚀窗口，用厚氧化层来充当沟槽刻蚀阻挡层向下刻蚀硅槽，在沟槽IGBT区域中刻蚀形成深沟槽。

5)去除衬底表面的氧化层。

6)在有源区内通过高温氧化形成栅氧化层。

7)沉积多晶硅，用多晶硅覆盖沟槽和衬底表面。

8)利用光刻版图刻蚀多晶硅和栅氧化层。仅保留沟槽内的多晶硅和栅氧化层，以及平面IGBT区域中多晶硅掩膜层区域的多晶硅和栅氧化层。

9)利用多晶硅层自对准形成P型基区的注入窗口。

10)向P型基区的注入窗口中注入高能硼离子并高温推阱，形成P型基区。

11)利用多晶硅层自对准形成N+发射区的注入窗口。

12)向N+发射区的注入窗口中注入高能砷离子并高温推阱，形成N+发射区。

13)在器件表面淀积绝缘介质层。

14)刻蚀绝缘介质层形成发射极金属接触孔窗口。

15)向发射极接触孔窗口中注入硼离子，形成P+深阱。高掺杂的N+发射区和P+深阱区交叠设置，共同构成IGBT发射极的接触区确保接触电阻足够小。

16)淀积发射极金属，刻蚀形成发射极金属层。使得发射区高掺杂硅与金属之间形成欧姆接触，减小接触电阻。

17)待完成功率器件的正面金属化后，翻转芯片，进行背面减薄。

18)在衬底背面进行硼离子注入并高温推阱，形成背面P型集电极区；P型集电极区起到控制空穴发射效率的作用。

19)功率器件的背面金属化，形成集电极金属。

以上仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种混合元胞型集成IGBT器件，其特征在于：其有源区包括沟槽元胞区和平面元胞区，所述沟槽元胞区由沟槽型IGBT元胞构成，所述平面元胞区由平面型IGBT元胞构成。

2.根据权利要求1所述的混合元胞型集成IGBT器件，其特征在于：所述沟槽元胞区设有第一栅极，所述平面元胞区设有与所述第一栅极绝缘的第二栅极。

3.根据权利要求2所述的混合元胞型集成IGBT器件，其特征在于：还包括芯片本体，芯片本体的边缘设有绕沟槽元胞区和平面元胞区设置的终端保护区，所述沟槽元胞区的表面设有第一栅极PAD，所述平面元胞区的表面设有第二栅极PAD，沟槽元胞区和平面元胞区上还设有芯片发射极，芯片本体的背面设有集电极。

4.根据权利要求3所述的混合元胞型集成IGBT器件，其特征在于：所述沟槽型IGBT元胞包括第一衬底，第一衬底的表面设有沟槽，沟槽的内侧面上设有第一栅氧化层，所述第一栅极位于沟槽内，沟槽的两侧为第一P型基区，第一P型基区的中间为第一N+发射区，第一N+发射区的中间为第一P+深阱区，第一P型基区上沉积第一绝缘介质层，第一绝缘介质层上沉积一层发射极金属作为沟槽型IGBT元胞的发射极，沟槽元胞区内各沟槽型IGBT元胞的发射极金属相互连接并与芯片本体表面的发射极连接，各沟槽型IGBT元胞的第一栅极互接后与第一栅极PAD连接，第一衬底的背面为第一P型集电极区，第一P型集电极区下方沉积一层金属作为第一集电极金属。

5.根据权利要求4所述的混合元胞型集成IGBT器件，其特征在于：所述平面型IGBT元胞包括第二衬底、位于第二衬底上方的第二栅极，第二衬底与第二栅极之间设有第二删氧化层，第二衬底的表面设有位于第二栅极正下方的JFET区，JFET区两侧设有第二P型基区，第二P型基区的中间为第二N+发射区，第二N+发射区的中间为第二P+深阱区，第二P型基区上沉积第二绝缘介质层，第二绝缘介质层上沉积一层发射极金属作为平面型IGBT元胞的发射极，平面元胞区内各平面型IGBT元胞的发射极互连后与芯片本体的发射极连接，各平面型IGBT元胞的第二栅极互连后与第二栅极PAD连接，第二衬底的背面为第二P型集电极区，第二P型集电极区的底面沉积一层金属作为第二集电极金属。