CN110970497A - Igbt功率器件 - Google Patents

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Abstract

本发明属于IGBT功率器件技术领域，具体公开了一种IGBT功率器件，包括：半导体衬底；位于所述半导体衬底中的至少一组相邻的第一栅沟槽和第二栅沟槽；位于所述第一栅沟槽和第二栅沟槽之间的体区；位于所述体区中的发射极区；分别位于所述第一栅沟槽和第二栅沟槽中的栅介质层和控制栅；位于所述体区上方的一个发射极接触孔，所述发射极接触孔延伸至所述第一栅沟槽上方，所述体区、所述发射极区和所述第一栅沟槽中的控制栅均通过所述发射极接触孔中的发射极金属层外接发射极电压。本发明可以减小IGBT功率器件中相邻的栅沟槽之间的间距，从而可以减小IGBT功率器件芯片的尺寸。

Description

IGBT功率器件
技术领域
本发明属于IGBT功率器件技术领域，特别是涉及一种可以减小相邻的栅沟槽之间的间距的IGBT功率器件。
背景技术
图1是现有技术的一种IGBT功率器件的剖面结构示意图，如图1所示，现有技术的一种IGBT功率器件包括：半导体衬底100，位于半导体衬底100底部的p型集电极区10，位于半导体衬底100中且位于p型集电极区10之上的n型场截止区90，位于半导体衬底100中的多个栅沟槽，位于相邻的所述栅沟槽之间的p型体区16，位于p型体区16中的n型发射极区17，介于p型体区16和n型场截止区90之间的半导体衬底部分是IGBT功率器件的n型漂移区11，位于所述栅沟槽中的栅介质层12、控制栅13、隔离介质层14和屏蔽栅15，控制栅13通常位于栅沟槽的上部的侧壁位置处并通过外部栅极电压来控制n型发射极区17与n型漂移区11之间的电流沟道的开启和关断。屏蔽栅15位于栅沟槽中并通过隔离介质层14与半导体衬底100和控制栅13隔离，屏蔽栅15通过发射极金属层19与n型发射极区17连接，从而屏蔽栅15可以通过外部发射极电压在n型漂移区11内形成横向电场，起到提高耐压的作用。层间绝缘层18用于将发射极金属层19与栅极金属层隔离，基于剖面的位置关系，栅极金属层在图1中未示出。
现有技术的如图1所示的IGBT功率器件，发射极金属层19在p型体区16的中部位置与n型发射极区17和p型体区16接触，发射极金属层19嵌入至p型体区16中，p型体区16中在发射极金属层19的两侧都设有n型发射极区17，受光刻工艺条件的限制，相邻的栅沟槽之间的间距难以缩小。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种IGBT功率器件，以解决现有技术中的IGBT功率器件中相邻的栅沟槽之间的间距难以缩小的问题。
为达到本发明的上述目的，本发明提供了一种IGBT功率器件，包括：
半导体衬底；
位于所述半导体衬底底部的p型集电极区；
位于所述半导体衬底中的至少一组相邻的第一栅沟槽和第二栅沟槽；
位于所述第一栅沟槽和所述第二栅沟槽之间的p型体区；
位于所述p型体区中的n型发射极区；
分别位于所述第一栅沟槽和所述第二栅沟槽中的栅介质层和控制栅；
位于所述p型体区上方的一个发射极接触孔，所述发射极接触孔延伸至所述第一栅沟槽上方，所述p型体区、所述n型发射极区和所述第一栅沟槽中的控制栅均通过所述发射极接触孔中的发射极金属层外接发射极电压。
可选的，本发明的一种IGBT功率器件，所述第一栅沟槽和所述第二栅沟槽依次间隔交替排布。
可选的，本发明的一种IGBT功率器件，位于所述第一栅沟槽两侧的p型体区共用一个发射极接触孔。
可选的，本发明的一种IGBT功率器件，所述发射极金属层嵌入至所述p型体区内。
可选的，本发明的一种IGBT功率器件，还包括位于所述第一栅沟槽中的隔离介质层和屏蔽栅，所述第一栅沟槽中的屏蔽栅通过所述隔离介质层与所述半导体衬底和所述第一栅沟槽中的控制栅隔离，所述第一栅沟槽中的屏蔽栅通过所述发射极接触孔中的发射极金属层外接发射极电压。
可选的，本发明的一种IGBT功率器件，所述第一栅沟槽中的控制栅位于所述第一栅沟槽的上部的侧壁位置处，所述第一栅沟槽中的屏蔽栅覆盖所述第一栅沟槽的下部并向上延伸至所述第一栅沟槽的上部。
可选的，本发明的一种IGBT功率器件，还包括位于所述第二栅沟槽中的隔离介质层和屏蔽栅，所述第二栅沟槽中的屏蔽栅通过所述隔离介质层与所述半导体衬底和所述第二栅沟槽中的控制栅隔离，所述第二栅沟槽中的屏蔽栅外接发射极电压，所述第二栅沟槽中的控制栅外接栅极电压。
可选的，本发明的一种IGBT功率器件，所述第一栅沟槽的开口宽度小于所述第二栅沟槽的开口宽度。
可选的，本发明的一种IGBT功率器件，所述第二栅沟槽中的控制栅位于所述第二栅沟槽的上部的侧壁位置处，所述第二栅沟槽中的屏蔽栅覆盖所述第二栅沟槽的下部并向上延伸至所述第二栅沟槽的上部。
可选的，本发明的一种IGBT功率器件，还包括位于所述半导体衬底中且位于p型集电极区之上的n型场截止区。
本发明提供的一种IGBT功率器件：位于相邻的第一栅沟槽和第二栅沟槽之间的p型体区上方的一个发射极接触孔延伸至第一栅沟槽上方，这样p型体区、n型发射极区和第一栅沟槽中的控制栅可以同时通过该发射极接触孔中的发射极金属层外接发射极电压，从而可以避免在第一栅沟槽和第二栅沟槽之间的p型体区内形成介于发射极金属层与第一栅沟槽之间的n型发射极区，而只在第一栅沟槽和第二栅沟槽之间的p型体区内形成介于发射极金属层和第二栅沟槽之间的n型发射极区，这能够减少光刻工艺条件的限制，可以进一步减小相邻的第一栅沟槽和第二栅沟槽之间的间距，从而可以减小IGBT功率器件芯片的尺寸。
附图说明
为了更加清楚地说明本发明示例性实施例的技术方案，下面对描述实施例中所需要用到的附图做一简单介绍。显然，所介绍的附图只是本发明所要描述的一部分实施例的附图，而不是全部的附图，对于本领域普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图得到其他的附图。
图1是现有技术的一种IGBT功率器件的一个实施例的剖面结构示意图；
图2是本发明提供的一种IGBT功率器件的第一个实施例的剖面结构示意图；
图3是本发明提供的一种IGBT功率器件的第二个实施例的剖面结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将结合本发明实施例中的附图，通过具体方式，完整地描述本发明的技术方案。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下获得的所有其他实施例，均落入本发明的保护范围之内。
应当理解，本发明所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”等术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。同时，为清楚地说明本发明的具体实施方式，说明书附图中所列示意图，放大了本发明所述的层和区域的厚度，且所列图形大小并不代表实际尺寸；说明书附图是示意性的，不应限定本发明的范围。说明书中所列实施例不应仅限于说明书附图中所示区域的特定形状，而是包括所得到的形状如制备引起的偏差等。
图2是本发明提供的一种IGBT功率器件的第一个实施例的剖面结构示意图，如图2所示，本发明的一种IGBT功率器件包括半导体衬底400，半导体衬底400通常具有n型掺杂且其材质通常为硅。位于半导体衬底400底部的p型集电极区40，位于半导体衬底400中且位于p型集电极区40之上的n型场截止区80，位于半导体衬底400中的至少一组相邻的第一栅沟槽401和第二栅沟槽402。优选的，本发明的一种IGBT功率器件包含多组相邻的第一栅沟槽401和第二栅沟槽402，且第一栅沟槽401和第二栅沟槽402依次间隔交替排布，图2中仅示例性的示出了一组相邻的第一栅沟槽401和第二栅沟槽402。
位于半导体衬底400中且位于第一栅沟槽401和第二栅沟槽402之间的p型体区44，位于p型体区44中的n型发射极区45。位于p型体区44和n型场截止区80之间的半导体衬底部分为IGBT功率器件的n型漂移区41。
分别位于第一栅沟槽401和第二栅沟槽402中的栅介质层42和控制栅43，即第一栅沟槽401和第二栅沟槽402中均形成有栅介质层42和控制栅43。栅介质层42的材质通常为氧化硅，控制栅43的材质通常为掺杂的多晶硅。
位于p型体区44上方的一个发射极接触孔404，发射极接触孔404形成于层间绝缘层46中，层间绝缘层46的材质通常为硅玻璃、硼磷硅玻璃或磷硅玻璃。位于层间绝缘层46中的发射极接触孔404延伸至第一栅沟槽401上方，从而使得p型体区44、n型发射极区45和第一栅沟槽401中的控制栅43均通过发射极接触孔404中的发射极金属层47外接发射极电压。优选的，发射极金属层47可以嵌入至p型体区44中，如图2所示。
位于第二栅沟槽402中的控制栅43通过栅极金属层外接栅极电压，第二栅沟槽402中的控制栅43通过栅极电压来控制n型发射极区45和n型漂移区41之间的电流沟道的开启和关断，基于图2所示的IGBT功率器件的剖面位置关系，栅极金属层在图2中未示出，层间绝缘层46用于将发射极金属层47和栅极金属层隔离。
如图2所示的本发明提供的一种IGBT功率器件，位于相邻的第一栅沟槽401和第二栅沟槽402之间的p型体区44上方的一个发射极接触孔404延伸至第一栅沟槽401上方，这样p型体区44、n型发射极区45和第一栅沟槽401中的控制栅43可以同时通过该发射极接触孔401中的发射极金属层47外接发射极电压，从而可以避免在第一栅沟槽401和第二栅沟槽402之间的p型体区44内形成介于发射极金属层47与第一栅沟槽401之间的n型发射极区，而只在第一栅沟槽401和第二栅沟槽402之间的p型体区44内形成介于发射极金属层47和第二栅沟槽402之间的n型发射极区45，这能够减少光刻工艺条件的限制，可以进一步减小相邻的第一栅沟槽401和第二栅沟槽402之间的间距，进而可以减小IGBT功率器件芯片的尺寸。
图3是本发明提供的一种IGBT功率器件的第二个实施例的剖面结构示意图。如图3所示，本发明实施例提供的一种IGBT功率器件包括一个半导体衬底200，半导体衬底200的材料通常为硅且具有n型掺杂。位于半导体衬底200底部的p型集电极区20，位于半导体衬底200中且位于p型集电极区20之上的n型场截止区60。
可选的，本发明的IGBT功率器件还可以在半导体衬底200的底部形成有n型集电极区，且n型集电极区和p型集电极区依次间隔交替排布，该结构是现有技术中的通用结构，本发明实施例中不再具体展示。
位于半导体衬底200中的多个栅沟槽，多个栅沟槽中应包含至少一组相邻的第一栅沟槽和第二栅沟槽，图3中仅示例性的示出了三组相邻的第一栅沟槽201和第二栅沟槽202，且第一栅沟槽201和第二栅沟槽202依次间隔交替排布。
位于相邻的第一栅沟槽201和第二栅沟槽202之间的p型体区26，位于p型体区26中的n型发射极区27，位于p型体区26和n型场截止区60之间的半导体衬底部分为IGBT功率器件的n型漂移区21。
位于每一个第一栅沟槽201和每一个第二栅沟槽202中的栅介质层22、控制栅23、隔离介质层24和屏蔽栅25，控制栅23通过栅介质层22与半导体衬底200隔离，屏蔽栅25通过隔离介质层24与控制栅23和半导体衬底200隔离。通常，栅介质层22和隔离介质层24的材质分别为氧化硅，控制栅23和屏蔽栅25的材质分别为掺杂的多晶硅。
第一栅沟槽201中：控制栅23位于第一栅沟槽201的上部的侧壁位置处，屏蔽栅25覆盖第一栅沟槽201的下部并向上延伸至栅沟槽201的上部，屏蔽栅25通过隔离介质层24与半导体衬底200和控制栅23隔离。屏蔽栅25与半导体衬底200之间的隔离介质层24的厚度可以和屏蔽栅25与控制栅23之间的隔离介质层24的厚度相同，也可以大于屏蔽栅25与控制栅23之间的隔离介质层24的厚度，图3中，仅示例性的示出了屏蔽栅25与半导体衬底200之间的隔离介质层24的厚度和屏蔽栅25与控制栅23之间的隔离介质层24的厚度相同的结构。
位于第一栅沟槽201和第二栅沟槽202之间的p型体区26上方的一个发射极接触孔203，发射极接触孔203形成于层间绝缘层28中，发射极接触孔203延伸至第一栅沟槽201上方。由于第一栅沟槽201和第二栅沟槽202依次间隔交替排布，因此位于第一栅沟槽201两侧的p型体区26可以共用一个发射极接触孔203，即发射极接触孔203的宽度大于第一栅沟槽201的开口宽度，由此，位于第一栅沟槽201中的控制栅23、屏蔽栅25以及位于第一栅沟槽201两侧的p型体区26及n型发射极区27均通过该发射极接触孔203中的发射极金属层29外接发射极电压。
第二栅沟槽202中：控制栅23位于第二栅沟槽202的上部的侧壁位置处，屏蔽栅25覆盖第二栅沟槽202的下部并向上延伸至栅沟槽202的上部，屏蔽栅25通过隔离介质层24与半导体衬底200和控制栅23隔离。屏蔽栅25与半导体衬底200之间的隔离介质层的厚度可以和屏蔽栅25与控制栅23之间的隔离介质层24的厚度相同，也可以大于屏蔽栅25与控制栅23之间的隔离介质层24的厚度，图3中，仅示例性的示出了屏蔽栅25与半导体衬底200之间的隔离介质层24的厚度和屏蔽栅25与控制栅23之间的隔离介质层24的厚度相同的结构。
第二栅沟槽202中的屏蔽栅25通过发射极金属层29外接发射极电压，第二栅沟槽202中的控制栅23通过栅极金属层外接栅极电压，从而第二栅沟槽202中的控制栅23通过栅极电压来控制n型发射极区27和n型漂移区21之间的电流沟道的开启和关断。基于图3所示的IGBT功率器件的剖面位置关系，栅极金属层在图3中未示出。层间绝缘层28的材质通常为硅玻璃、硼磷硅玻璃或磷硅玻璃，层间绝缘层28用于将发射极金属层29和栅极金属层隔离。
如图3所示本发明的一种IGBT功率器件，优选的，发射极金属层29嵌入至p型体区26内。可选的，发射极金属层29可以不嵌入至p型体区26中，而是在p型体区26内形成高掺杂浓度的接触区，发射极金属层29通过该高掺杂浓度的接触区与p型体区26接触连接，该结构为现有技术中经常使用的结构，本发明实施例中不再具体展示。
图3所示的本发明的一种IGBT功率器件中，在第一栅沟槽201中，发射极金属层29在一个发射极接触孔203的下方直接与屏蔽栅25和控制栅23接触连接，因此能够避免在屏蔽栅25和控制栅23上方分别形成单独的接触孔结构，这能够减小光刻工艺条件的限制，缩小第一栅沟槽201中的控制栅23和屏蔽栅25的宽度，使得第一栅沟槽201的开口宽度可以小于第二栅沟槽202的开口宽度，进而能够减小IGBT功率器件芯片的面积。
图3所示的本发明的一种IGBT功率器件，位于第一栅沟槽201和第二栅沟槽202中的控制栅23和屏蔽栅25也可以是上下结构，该结构为现有技术中常用的一种结构，本发明实施例中不再具体描述。
以上具体实施方式及实施例是对本发明提出的一种IGBT功率器件的技术思想的具体支持，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在本技术方案基础上所做的任何等同变化或等效的改动，均仍属于本发明技术方案保护的范围。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种IGBT功率器件，其特征在于，包括：
半导体衬底；
位于所述半导体衬底底部的p型集电极区；
位于所述半导体衬底中的至少一组相邻的第一栅沟槽和第二栅沟槽；
位于所述第一栅沟槽和所述第二栅沟槽之间的p型体区；
位于所述p型体区中的n型发射极区；
分别位于所述第一栅沟槽和所述第二栅沟槽中的栅介质层和控制栅；
位于所述p型体区上方的一个发射极接触孔，所述发射极接触孔延伸至所述第一栅沟槽上方，所述p型体区、所述n型发射极区和所述第一栅沟槽中的控制栅均通过所述发射极接触孔中的发射极金属层外接发射极电压。
2.如权利要求1所述的一种IGBT功率器件，其特征在于，所述第一栅沟槽和所述第二栅沟槽依次间隔交替排布。
3.如权利要求2所述的一种IGBT功率器件，其特征在于，位于所述第一栅沟槽两侧的p型体区共用一个发射极接触孔。
4.如权利要求1所述的一种IGBT功率器件，其特征在于，所述发射极金属层嵌入至所述p型体区内。
5.如权利要求1所述的一种IGBT功率器件，其特征在于，还包括位于所述第一栅沟槽中的隔离介质层和屏蔽栅，所述第一栅沟槽中的屏蔽栅通过所述隔离介质层与所述半导体衬底和所述第一栅沟槽中的控制栅隔离，所述第一栅沟槽中的屏蔽栅通过所述发射极接触孔中的发射极金属层外接发射极电压。
6.如权利要求5所述的一种IGBT功率器件，其特征在于，所述第一栅沟槽中的控制栅位于所述第一栅沟槽的上部的侧壁位置处，所述第一栅沟槽中的屏蔽栅覆盖所述第一栅沟槽的下部并向上延伸至所述第一栅沟槽的上部。
7.如权利要求1所述的一种IGBT功率器件，其特征在于，还包括位于所述第二栅沟槽中的隔离介质层和屏蔽栅，所述第二栅沟槽中的屏蔽栅通过所述隔离介质层与所述半导体衬底和所述第二栅沟槽中的控制栅隔离，所述第二栅沟槽中的屏蔽栅外接发射极电压，所述第二栅沟槽中的控制栅外接栅极电压。
8.如权利要求7所述的一种IGBT功率器件，其特征在于，所述第一栅沟槽的开口宽度小于所述第二栅沟槽的开口宽度。
9.如权利要求7所述的一种IGBT功率器件，其特征在于，所述第二栅沟槽中的控制栅位于所述第二栅沟槽的上部的侧壁位置处，所述第二栅沟槽中的屏蔽栅覆盖所述第二栅沟槽的下部并向上延伸至所述第二栅沟槽的上部。
10.如权利要求1所述的一种IGBT功率器件，其特征在于，还包括位于所述半导体衬底中且位于p型集电极区之上的n型场截止区。
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