[发明专利]一种沟槽绝缘栅双极型晶体管及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的器件结构及制作方法。特别涉及一种具有改进的发射区-基区接触特性和金属布线的沟槽IGBT的器件结构及制作方法。

背景技术

半导体功率器件作为应用广泛的电力电子器件，被用于如混合、电力或者燃料电池机车等电力电子系统中。近些年来，市场对高性能的半导体功率器件的需求日渐增多，特别是对如IGBT等高压半导体功率器件的需求尤为突出。但是，如IGBT等这类传统的高压半导体功率器件目前仍然面临着由于集电极-发射极间的饱和电压的增加而引起的技术困难。特别是当IGBT的制造越来越小型化而使半导体功率器件的单元密度越来越大的时候，上述集电极-发射极间饱和电压增加而引起的困难就更加明显。

在美国专利号6,894,347中，Hattori等人揭示了如图1A所示的IGBT半导体功率器件。该IGBT器件包括在P+集电层40的上表面依次形成的一个N+缓冲层41、一个N-高阻抗的基层42、一个P+重掺杂的基区51和一个P型的基区43。此外，一个n+发射区44选择性地形成于所述P-基区上表面的某个区域。该IGBT器件还包括沟槽45，该沟槽从所述发射区44的上表面，穿过所述发射区44、所述P型基区43和所述P+基区51，向下延伸入所述N-基层42。所述沟槽45的内表面形成栅绝缘层46，并在该栅绝缘层46上形成栅电极47(沟槽栅电极)。该IGBT功率器件中发射区44，从俯视图观察为很多例如带状结构，并且所述沟槽45形成于每两个相邻的发射区44之间。发射极电极48由金属铝线构成，覆盖所述发射区44和所述P型基区43。该发射极电极48一方面与所述栅电极47之间电学绝缘，另一方面在所述发射区44和所述P型基区43之间形成短路。该IGBT器件还包括绝缘层49，该绝缘层形成于所述P型基区43和所述沟槽栅电极47之上。所述发射极电极48通过位于所述绝缘层49中的发射极-基极的接触孔与所述发射区44和所述P型基区43相连。该IGBT器件还包括集电极50，该集电极形成于所述P+集电区40的下表面。沟槽52形成于相邻的两个所述沟槽45之间，且穿过所述P型基区43向下延伸入所述P+基区51，该沟槽52内部填充以发射极电极48。

如图1A所示的现有技术揭示的IGBT器件增强了在低开态电压下抗短路的能力。然而，该IGBT器件的缺点在于所述P+基区51与沟道区之间形成接触，这会引起栅极-发射极阈值电压增高从而反过来使集电极-发射极饱和电压增加。

在美国专利号6,437,399中，Huang等人揭示了如图1B所示的沟槽IGBT半导体功率器件。该沟槽IGBT器件包括沟槽栅26和延伸入接触沟槽的发射极金属36，所述接触沟槽穿过BPSG(硼磷硅玻璃)层30和P型基区14并向下延伸入P+基区35。其中所述P+基区35形成于在P型衬底上表面的N-缓冲层10的内部。Huang等人揭示的该沟槽IGBT器件也存在着自身的不足，由于所述P+基区35的深度大于所述P型基区14的深度，引起相邻的两个所述接触沟槽之间具有较高的JFET电阻，而JFET电阻的增高会引起集电极-发射极间饱和电压的增高。

因此，在功率半导体器件的设计和制作中领域中，提出新的半导体功率器件的制作方法和器件结构来解决上述的问题和局限是非常必要的。

发明内容

本发明克服了现有技术中存在的一些缺点，提供了一种改进的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)功率器件，在不增加栅极-发射极阈值电压的同时增强对闩锁现象的抵抗能力。

根据本发明的实施例，提供了一种沟槽绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，包括：

(a)第一导电类型的外延层，该外延层包括第一导电类型的第一外延层和第一导电类型的第二外延层，所述第一外延层位于所述第二外延层的上方，且所述第一外延层的多数载流子浓度低于所述第二外延层；

(b)第二导电类型的集电层，位于所述外延层的下方；

(c)多个沟槽栅，该沟槽栅同时被第一导电类型的发射区和第二导电类型的基区包围，并向下延伸入所述外延层中，其中所述基区位于所述外延层的上方，所述发射区位于所述基区的上方；

(d)第一绝缘层，该绝缘层覆盖所述沟槽栅和所述发射区的上表面；

(e)发射区-基区接触沟槽，位于两个相邻的所述沟槽栅之间，并且穿过所述第一绝缘层和所述发射区，向下延伸入所述基区，且所述发射区-基区接触沟槽内部填充金属插塞；