一种IGBT双向开关器件结构及其制作方法与流程

本发明属于半导体功率器件，特别是涉及一种igbt双向开关器件结构及其制作方法。

背景技术：

1、现有功率变换系统中，双向开关器件主要用于控制电能在两个方向上的导通和关断，常见于车载充电机、储能变流器、微电网、不间断电源、光伏逆变系统等设备中。电动汽车、分布式能源和储能系统发展较快，电能传输方式由单向供电逐渐转向双向流动。功率开关器件不仅需要完成普通通断控制，还需要适应充电、放电、并网、离网等工作状态。现有技术中，双向开关功能常采用两个单向功率器件背对背连接实现，例如两个mosfet或两个igbt反向串联，使正向和反向电流路径分别由相应功率器件承担开关控制。背对背连接方案可利用成熟的硅基功率器件和现有封装工艺，电路结构直观，器件选型灵活，在工程应用中已有较多使用。另有技术方案采用碳化硅、氮化镓等宽禁带半导体材料，在单一芯片上构建双向控制结构，借助宽禁带材料的高击穿场强、高热导率和高频开关特性，适用于高压、高频场景下的双向能量控制。

2、现有双向开关技术的核心不足在于导通损耗较高。背对背分立器件方案需要两个单向功率芯片共同形成双向电流路径，电流在任一方向导通时均需经过串联的功率器件结构，通态压降随之增加，器件发热也随之增加。宽禁带半导体单片双向开关虽然采用单芯片结构，但受器件结构、驱动方式和工艺成熟度限制，工程应用中的导通损耗控制仍受制约。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种igbt双向开关器件结构及其制作方法，该发明要解决的技术问题是：如何通过在同一硅基基体内集成深槽隔离的双 igbt 开关单元、二极管元胞区及背面共集电极结构，解决现有双向开关器件通态压降高、导通损耗大及发热增加的问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种igbt双向开关器件结构，包括：

3、硅基半导体基体，所述硅基半导体基体具有相对设置的正面和背面，所述硅基半导体基体包括作为漂移区的n型外延层；

4、深槽隔离结构，所述深槽隔离结构形成于所述n型外延层内，并将所述n型外延层分隔为第一有源区和第二有源区；

5、第一开关单元，所述第一开关单元设置于所述第一有源区，所述第一开关单元包括第一igbt元胞区和第一二极管元胞区，所述第一igbt元胞区包括第一沟槽栅结构、第一p阱区、第一n型发射区、第一栅极金属层和第一发射极金属层，所述第一二极管元胞区包括第一p型阳极区，所述第一发射极金属层形成第一发射极端；

6、第二开关单元，所述第二开关单元设置于所述第二有源区，所述第二开关单元包括第二igbt元胞区和第二二极管元胞区，所述第二igbt元胞区包括第二沟槽栅结构、第二p阱区、第二n型发射区、第二栅极金属层和第二发射极金属层，所述第二二极管元胞区包括第二p型阳极区，所述第二发射极金属层形成第二发射极端；

7、背面共集电极结构，所述背面共集电极结构设置于所述硅基半导体基体的背面，所述背面共集电极结构包括n型缓冲层、p型集电区、n型阴极区和背面金属层，所述p型集电区对应所述第一igbt元胞区和所述第二igbt元胞区，所述n型阴极区对应所述第一二极管元胞区和所述第二二极管元胞区，所述背面金属层形成共用集电极端；

8、所述第一开关单元和所述第二开关单元由所述深槽隔离结构分隔，并共用所述背面共集电极结构；所述第一发射极端和所述第二发射极端分别作为双向能量变换电路的两个功率连接端，所述第一发射极端、所述第二发射极端和所述共用集电极端构成三功率端双向开关结构。

9、本发明进一步设置为，所述深槽隔离结构内填充二氧化硅，所述深槽隔离结构的隔离深度大于所述第一沟槽栅结构和所述第二沟槽栅结构的沟槽深度，且所述深槽隔离结构未贯穿所述硅基半导体基体。

10、本发明进一步设置为，所述第一igbt元胞区还包括第一载流子存储层，所述第二igbt元胞区还包括第二载流子存储层；所述第一二极管元胞区和所述第二二极管元胞区均未设置n型发射区。

11、本发明进一步设置为，所述p型集电区包括第一p型集电区和第二p型集电区，所述n型阴极区包括第一n型阴极区和第二n型阴极区；所述第一p型集电区对应所述第一igbt元胞区，所述第二p型集电区对应所述第二igbt元胞区，所述第一n型阴极区对应所述第一二极管元胞区，所述第二n型阴极区对应所述第二二极管元胞区，所述背面金属层位于所述第一p型集电区、所述第二p型集电区、所述第一n型阴极区和所述第二n型阴极区的背面侧。

12、一种igbt双向开关器件结构的制作方法，包括：

13、s1.提供硅基半导体基体，所述硅基半导体基体具有相对设置的正面和背面，所述硅基半导体基体包括n型外延层，所述n型外延层作为漂移区；在所述硅基半导体基体的正面刻蚀形成深槽，并在所述深槽内填充介质材料，形成深槽隔离结构，所述深槽隔离结构将所述n型外延层分隔为第一有源区和第二有源区；

14、s2.在所述第一有源区形成第一开关单元的正面元胞结构，在所述第二有源区形成第二开关单元的正面元胞结构；其中，所述第一开关单元包括第一igbt元胞区和第一二极管元胞区，所述第二开关单元包括第二igbt元胞区和第二二极管元胞区；所述第一igbt元胞区形成有第一沟槽栅结构、第一p阱区和第一n型发射区，所述第二igbt元胞区形成有第二沟槽栅结构、第二p阱区和第二n型发射区，所述第一二极管元胞区形成有第一p型阳极区，所述第二二极管元胞区形成有第二p型阳极区；

15、s3.在所述硅基半导体基体的正面形成金属层，并对所述金属层进行图形化处理，形成第一栅极金属层、第一发射极金属层、第二栅极金属层和第二发射极金属层；

16、s4.对所述硅基半导体基体的背面进行掺杂处理，在所述n型外延层靠近所述背面的一侧形成n型缓冲层，并在所述n型缓冲层靠近所述背面的一侧形成p型集电区和n型阴极区；所述p型集电区对应所述第一igbt元胞区和所述第二igbt元胞区设置，所述n型阴极区对应所述第一二极管元胞区和所述第二二极管元胞区设置；

17、s5.在所述硅基半导体基体的背面沉积背面金属层，形成背面共集电极结构和共用集电极端。

18、本发明进一步设置为，所述介质材料为二氧化硅；形成所述深槽隔离结构时，先在所述硅基半导体基体的正面形成隔离槽图形，再沿所述隔离槽图形对所述n型外延层进行干法刻蚀，在刻蚀所得深槽内沉积二氧化硅并进行平坦化处理；所述深槽隔离结构的槽底低于所述第一沟槽栅结构和所述第二沟槽栅结构的槽底，且所述深槽隔离结构未贯穿至所述硅基半导体基体的背面。

19、本发明进一步设置为，所述第一沟槽栅结构和所述第二沟槽栅结构均由沟槽刻蚀、栅介质层形成和多晶硅填充制得；在形成所述第一p阱区和所述第二p阱区之前，分别在所述第一igbt元胞区和所述第二igbt元胞区形成第一载流子存储层和第二载流子存储层；所述第一p阱区和所述第一p型阳极区由同一p型掺杂步骤形成，所述第二p阱区和所述第二p型阳极区由同一p型掺杂步骤形成；所述第一n型发射区仅形成于所述第一igbt元胞区内，所述第二n型发射区仅形成于所述第二igbt元胞区内。

20、本发明进一步设置为，所述掺杂处理包括：先在所述硅基半导体基体的背面进行n型掺杂以形成所述n型缓冲层，再利用背面光刻图形分别进行p型掺杂和n型掺杂，以形成所述p型集电区和所述n型阴极区；所述p型集电区包括与所述第一igbt元胞区对应的第一p型集电区和与所述第二igbt元胞区对应的第二p型集电区，所述n型阴极区包括与所述第一二极管元胞区对应的第一n型阴极区和与所述第二二极管元胞区对应的第二n型阴极区；形成所述背面共集电极结构时，所述背面金属层形成于所述第一p型集电区、所述第二p型集电区、所述第一n型阴极区和所述第二n型阴极区的背面侧。

21、本发明的有益效果如下：本发明通过在硅基半导体基体的n型外延层内形成深槽隔离结构，将n型外延层分隔为第一有源区和第二有源区，并分别在两个有源区内形成第一开关单元和第二开关单元，同时在背面形成由n型缓冲层、p型集电区、n型阴极区和背面金属层构成的背面共集电极结构，使第一发射极端、第二发射极端和共用集电极端构成三功率端双向开关结构，从而实现了两个igbt开关单元在同一芯片内的双向开关集成，减少了分立器件连接数量，有利于降低器件体积、寄生参数和封装互连复杂度。

22、本发明采用深槽隔离结构对第一开关单元和第二开关单元进行电隔离，并采用背面共集电极结构实现两个开关单元的背面共用连接，既能够抑制两个有源区之间的横向漏电和相互干扰，提高器件工作可靠性，又能够通过第一二极管元胞区和第二二极管元胞区配合对应的n型阴极区形成续流通路，改善双向能量变换过程中的电流导通能力和反向恢复特性；同时，igbt元胞区内设置载流子存储层，有利于增强载流子存储效应，降低导通压降，提高器件的导通性能和能量转换效率。