CN107731897A - 一种沟槽栅电荷存储型igbt及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种沟槽栅电荷存储型IGBT及其制造方法,属于功率半导体器件技术领域。本发明通过合理引入***沟槽栅结构和浮空P型体区,在不影响IGBT器件阈值电压和开通的情况下,减小了密勒电容,改善了密勒效应带来的不利影响;降低了整体栅电容,提高了器件开关速度,降低器件的开关损耗,改善传统CSTBT结构正向导通压降与关断损耗之间的折中;避免了器件开启动态过程中的电流、电压振荡和EMI问题,提高了器件的可靠性;改善了沟槽底部电场集中效应,提高了器件的击穿电压;提高器件发射极端的载流子增强效应,改善了漂移区的载流子浓度分布,进一步改善了正向导通压降与关断损耗的折中。此外,本发明提出的制造方法具有实现难度低、产品良率高、成本低的优势。
Description
技术领域
本发明属于功率半导体器件技术领域,涉及绝缘栅双极型晶体管(IGBT),具体涉及一种沟槽栅电荷存储型绝缘栅双极型晶体管(CSTBT)及其制造方法。
背景技术
绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是一种MOS场效应晶体管(MOSFET)和双极型晶体管(BJT)复合的功率半导体器件,兼并了MOS管和BJT的所有优点,不仅具有易于驱动,控制简单,导通压降低,还具有耐高压,通态电流大,电流处理能力强,损耗小一系列的优点。
IGBT自从1980年代公布以来,引起了世界众多半导体制造厂商和研究人员的重视,纷纷投入大量人力物力发展IGBT,到现在已成为核心的功率半导体器件之一,广泛应用在诸如能源、交通、通信、医学、工业、家用电器及航空航天等国民经济的各个领域。
随着IGBT制造工艺和器件结构设计的不断创新,IGBT的发明和应用本身也是一个不断改善的过程。表面结构由V型沟槽栅到平面栅然后到沟槽栅结构,纵向垂直结构也经历了NPT(非穿通型)到PT(穿通型)及FS(场阻止)型等器件结构和工艺的演变历程。图1示出了一种沟槽型IGBT器件的结构,通过挖槽工艺在表面采用沟槽栅结构代替普通的平面栅结构。当器件正向导通时,电流流经路径上的JFET电阻被挖槽工艺刻蚀掉,电流从漂移区直接流入垂直沟道进入发射区,由于剔除JFET电阻器件的导通压降会降低,IGBT的导通性能得到提高。此外,图1所示结构还采用了FS层结构,在与NPT IGBT结构具有同等耐压能力的情况下,该结构的IGBT具有更薄的漂移区,大大降低了漂移区电阻,从而降低了导通压降,提高了器件的开关速度。因此,沟槽IGBT的出现成为本领域技术上的一次革新,它不仅具有前面所述电流密度大,通态压降低等特点,更重要的是因为其很高的元胞密度折中了平面栅IGBT中控制载流子寿命而产生与正向导通压降的矛盾关系。然而,大电流密度使沟槽IGBT的短路饱和电流较大,会在一定程度上降低器件的短路电流能力。在沟槽IGBT的基础上,人们开发出来了载流子存储技术,其主要特点是引入空穴势垒,让器件拥有一个载流子存储区域。其中一种基本的方法是在N-漂移区的上方,利用掩模工艺增加一个低掺杂的N型CS层,用来阻挡P区对空穴的抽取,从而调节整个N-漂移区的载流子分布,增强电导调制效应,基于如图2所示结构的IGBT器件被称之为沟槽栅电荷存储型绝缘栅双极型晶体管(CSTBT)。图2示出的CSTBT器件同时引入了CS层和FS层,既降低了器件的导通压降又提高了器件的开关速度,在不使用载流子寿命控制技术的前提下,降低了器件的正向导通压降,折中了耐压与正向导通之间的矛盾关系,然而随着CS层掺杂浓度的提高会降低器件的击穿电压,为了避免CS层的影响,通常需要提高MOS结构的沟道密度,而高密度的沟槽栅会使得栅极电容明显增加,降低开关速度,增大开关损耗,影响器件导通压降与开关损耗的折中特性,另一方面高密度的沟槽栅还将增加器件的饱和电流密度,使器件短路安全工作区变差。
发明内容
本发明的目的为了在一定的器件沟槽深度和沟槽MOS结构密度的情况下,减小器件的栅极-集电极电容,改善密勒效应带来的不利影响;降低整体栅电容,提高器件开关速度,降低器件的开关损耗,改善传统CSTBT结构正向导通压降与关断损耗之间的折中;避免器件开启动态过程中的电流、电压振荡和EMI问题,提高器件可靠性;改善沟槽底部电场集中效应,提高器件击穿电压,进一步提高器件可靠性;进一步提高器件发射极端的载流子增强效应,改善漂移区的载流子浓度分布,进一步改善正向导通压降与关断损耗的折中。
为了实现上述目的,本发明的技术方案具体如下:
一种沟槽栅电荷存储型IGBT,其元胞结构包括:从下而上依次层叠设置的集电极金属13、P型集电区12、N型电场阻止层11、N型漂移区10和发射极金属1;其特征在于:所述N型漂移区10中具有Nsd区3、Psd区4、P型基区5、N型电荷存储层6和***沟槽栅结构;Nsd区3和Psd区4相互接触且并排位于发射极金属1的下方并与发射极金属1相连;P型基区5位于Nsd区3和Psd区4的下方且与二者相连,N型电荷存储层6位于P型基区5和N型漂移区10之间;所述***沟槽栅结构包括:栅电极81、第一栅介质层82、第二栅介质层83、***电极71、第一***电极介质层72和第二***电极介质层73,***沟槽栅结构向下穿过Nsd区3、P型基区5和N型电荷存储层6并延伸入N型漂移区10;栅电极81的深度大于P型基区5的结深且小于N型电荷存储层6的结深,栅电极81上表面通过第一介质层22与发射极金属1相连,栅电极81通过第一栅介质层82分别与Nsd区3、P型基区5和N型电荷存储层6相接触,***电极71呈“L”型半包围栅电极81设置,***电极71上表面与发射极金属1相连,***电极71通过第二栅介质层83与栅电极81之间相连,***电极71通过第一***电极介质层73与N型漂移区10相接触;栅介质层82、83的厚度不大于***电极介质层72、73的厚度;所述N型漂移区10顶层中还具有浮空P区9,所述浮空P区9通过第二***电极介质层72与***电极71相连,浮空P区9及第二***电极介质层72的上表面具有第二介质层21,第二介质层21与发射极金属1相连。
进一步地,本发明中浮空P区9的结深不小于***槽栅结构的深度。
进一步地,本发明中N型电荷存储层6下方且靠近N型电荷存储层6侧的***电极介质层的侧壁厚度大于N型电荷存储层6下方且远离N型电荷存储层6侧的***电极介质层的侧壁厚度。
在满足N型电荷存储层6下方且靠近N型电荷存储层6侧的***电极介质层的侧壁厚度大于N型电荷存储层6下方且远离N型电荷存储层6侧的***电极介质层的侧壁厚度时,根据本发明实施例,***电极71的形状为阶梯状。
进一步地,本发明中***电极71的材料自上而下依次为N型重掺杂、N型轻掺杂、P型掺杂的多晶硅材料。
进一步地,本发明中***电极71的材料自上而下依次为P型重掺杂、N型轻掺杂、P型掺杂的多晶硅材料。
另一方面,本发明提供一种沟槽绝缘栅双极型晶体管的制造方法:
技术方案一:
一种沟槽绝缘栅双极型晶体管的制造方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1:选取N型单晶硅片,采用外延工艺依次形成N型电场阻止层11和N型漂移区10;
步骤2:在硅片表面生长一层场氧,光刻出有源区,再生长一层预氧后通过离子注入P型杂质并退火处理制备浮空P区9,所述浮空P区9位于N型漂移区10顶层的一侧;
步骤3:在硅片表面生长一层场氧,光刻出有源区,再生长一层预氧后通过离子注入N型杂质磷并退火制备N型电荷存储层6,所述N型电荷存储层6位于N型漂移区10顶层的另一侧,并且N型电荷存储层6的结深小于浮空P区9;然后通过离子注入P型杂质磷并退火制备P型基区5,所述P型基区5位于N型电荷存储层6上表面;
步骤4:在硅片表面淀积保护层,光刻出窗口进行沟槽硅刻蚀,制得位于N型电荷存储层6和浮空P区9之间的沟槽,所述沟槽的深度大于N型电荷存储层6的结深;
步骤5:在所述沟槽内壁形成介质层;
步骤6:在内壁形成介质层的沟槽内淀积多晶硅;
步骤7:在硅片表面淀积保护层,刻蚀沟槽内壁的部分介质层及部分多晶硅形成***电极71,重复步骤5和6形成栅电极81;
步骤8:在硅片正面光刻出接触孔,通过离子注入N型杂质磷并推阱制备Nsd区3,所述Nsd区3位于P型基区5上表面,并通过栅介质层与栅电极81连接;
步骤9:在硅片正面光刻出接触孔,通过离子注入P型杂质磷并推阱制备Psd区4,所述Psd区4位于P型基区5上表面,并与Nsd区3连接;
步骤10:在硅片的正面淀积发射极金属1;
步骤11:翻转硅片,在硅片的背面进行减薄,通过离子注入P型杂质并退火制备P型集电区12
步骤12:在硅片的背面淀积集电极金属电极13。
技术方案二:
一种沟槽绝缘栅双极型晶体管的制造方法,其特征在于:包括以下步骤:
步骤1:选取N型单晶硅片,采用外延工艺依次形成N型电场阻止层11和N型漂移区10;
步骤2:在硅片表面生长一层场氧,光刻出有源区,再生长一层预氧后通过离子注入P型杂质并退火处理制备浮空P区9,所述浮空P区9位于N型漂移区10顶层的一侧;
步骤3:在硅片表面淀积保护层,光刻出窗口进行沟槽硅刻蚀,制得位于N型电荷存储层6和浮空P区9之间的沟槽,所述沟槽的深度大于N型电荷存储层6的结深;
步骤4:在所述沟槽内壁形成介质层;
步骤5:在内壁形成介质层的沟槽内淀积多晶硅;
步骤6:在硅片表面生长一层场氧,光刻出有源区,再生长一层预氧后通过离子注入N型杂质磷并退火制备N型电荷存储层6,所述N型电荷存储层6位于N型漂移区10顶层的另一侧,并且N型电荷存储层6的结深小于浮空P区9;然后通过离子注入P型杂质磷并退火制备P型基区5,所述P型基区5位于N型电荷存储层6上表面;
步骤7:在硅片表面淀积保护层,刻蚀沟槽内壁的部分介质层及部分多晶硅形成***电极71,重复步骤4和5形成栅电极81;
步骤8:在硅片正面光刻出接触孔,通过离子注入N型杂质磷并推阱制备Nsd区3,所述Nsd区3位于P型基区5上表面,并通过栅介质层与栅电极81连接;
步骤9:在硅片正面光刻出接触孔,通过离子注入P型杂质磷并推阱制备Psd区4,所述Psd区4位于P型基区5上表面,并与Nsd区3连接;
步骤10:在硅片的正面淀积发射极金属1;
步骤11:翻转硅片,在硅片的背面进行减薄,通过离子注入P型杂质并退火制备P型集电区12
步骤12:在硅片的背面淀积集电极金属电极13。
本发明通过引入***沟槽栅结构和浮空P型体区,在不影响IGBT器件阈值电压和开通的情况下:
(1).***沟槽栅结构内与发射极等电位的***电极(71)将栅极-集电极电容转换为了栅极-发射极电容,改善了密勒电容的影响;
(2).栅电极(81)的深度大于P型基区5的结深但小于N型电荷存储层6的结深,在不影响IGBT器件开通的情况下减小了整个栅极电容,特别是栅极-集电极电容,提高了器件的开关速度,降低了开关损耗,改善了正向导通电压与关断损耗之间的折中;
(3)厚的***电极介质层避免了沟槽底部电场集中效应,提高了器件的击穿电压;
(4)浮空P型体区进一步减小了空穴的抽取面积,提高了发射极端的载流子增强效应,进一步改善了整个N型漂移区的载流子浓度分布;
(5)在器件开启动态过程中,与***电极介质层接触的半导体表面不会形成积累或反型层,因此器件不会出现负微分电容效应。
综上所述,本发明的有益效果如下:
本发明减小了器件的密勒电容,改善了密勒效应的不利影响;提高了器件的开关速度,同时降低了整体栅极电容,提高了器件的开关速度,降低了开关损耗,改善了正向导通电压与关断损耗之间的折中;本发明改善了沟槽底部电场集中效应,提高了器件的击穿电压,提高了可靠性;本发明在开启动态过程不会出现负微分电容效应,避免了开启动态过程中的电流、电压振荡和EMI问题,降低了噪声影响,避免了EMI效应;本发明进一步改善了整个N型漂移区的载流子浓度分布,进一步改善了正向导通压降和关断损耗之间的折中。
此外,本发明提出的两种制造方法用于制备中低耐压情况下的CSTBT能够降低工艺实现难度,提高产品良率低的同时也降低成本高。采取先制备***电极介质层和***电极71,然后再制备CS层和P型层的方式,能够避免沟槽形成过程中的高温条件导致N型CS层和P型层推结过深影响器件性能,进一步优化了器件结构和性能。
附图说明
图1是传统FS-IGBT的元胞结构示意图;
图2是传统FS–CSTBT的元胞结构示意图;
图3是本发明实施例1提供的元胞结构示意图;
图4是本发明实施例2提供的元胞结构示意图;
图5是本发明实施例3提供的元胞结构示意图;
图6是本发明实施例4提供的元胞结构示意图;
图1至图6中:
1为发射极金属,22为第一介质层,21为第二介质层,3为Nsd区,4为Psd区,5为P型基区,6为N型电荷存储层,71为***电极,72为第二***电极介质层,73为第一***电极介质层,81为栅电极,82为第一栅介质层,83为第二栅介质层,9为浮空P区,10为N型漂移区,11为N型场阻止层,12为P型集电区,13为集电极金属。
图7是本发明实施例5提供具体工艺流程示意图;
图8是本发明实施例5中形成浮空P区后的结构示意图;
图9是本发明实施例5中形成CS层和P型层后的结构示意图;
图10是本发明实施例5中形成***电极介质层后的结构示意图;
图11是本发明实施例5中形成***电极71后的结构示意图;
图12是本发明实施例5中形成栅极沟槽后的结构示意图;
图13是本发明实施例5中形成栅介质层后的结构示意图;
图14是本发明实施例5中形成栅电极81后的结构示意图;
图15是本发明实施例5中形成Nsd区和Psd区后的结构示意图;
图16是本发明实施例5中形成表面隔离介质层后的结构示意图;
图17是本发明实施例5中形成表面发射极金属电极后的结构示意图;
图18是本发明实施例5中完成全部工艺后的结构示意图;
图19是本发明实施例6中形成底部第一部分***电极71后的结构示意图;
图20是本发明实施例6中形成***电极介质层后的结构示意图;
图21是本发明实施例6中形成第二部分***电极71后的结构示意图;
图22是本发明实施例6中形成栅极沟槽后的结构示意图;
图23是本发明实施例6中形成栅介质层后的结构示意图;
图24是本发明实施例6中形成栅电极81后的结构示意图;
图25是是本发明实施例7提供具体工艺流程示意图;
图26是本发明实施例7中形成***电极介质层后的结构示意图;
图27是本发明实施例7中形成***电极71后的结构示意图;
图28是本发明实施例7中形成CS层和P型层后的结构示意图;
图29是本发明实施例7中形成栅介质层后的结构示意图;
图30是本发明实施例7中形成栅电极81后的结构示意图;
图31是本发明实施例7中形成Nsd区和Psd区后的结构示意图;
具体实施方式
实施例1:
本实施例提供一种沟槽栅电荷存储型IGBT,其元胞结构如图3所示,从下而上依次层叠设置的集电极金属13、P型集电区12、N型电场阻止层11、N型漂移区10和发射极金属1;其特征在于:所述N型漂移区10中具有Nsd区3、Psd区4、P型基区5、N型电荷存储层6和***沟槽栅结构;Nsd区3和Psd区4相互接触且并排位于发射极金属1的下方并与发射极金属1相连;P型基区5位于Nsd区3和Psd区4的下方且与二者相连,N型电荷存储层6位于P型基区5和N型漂移区10之间;所述***沟槽栅结构包括:栅电极81、第一栅介质层82、第二栅介质层83、***电极71、第一***电极介质层72和第二***电极介质层73,***沟槽栅结构向下穿过Nsd区3、P型基区5和N型电荷存储层6并延伸入N型漂移区10;栅电极81的深度大于P型基区5的结深且小于N型电荷存储层6的结深,栅电极81上表面通过第一介质层22与发射极金属1相连,栅电极81通过第一栅介质层82分别与Nsd区3、P型基区5和N型电荷存储层6相接触,***电极71呈“L”型半包围栅电极81设置,***电极71上表面与发射极金属1相连,***电极71通过第二栅介质层83与栅电极81之间相连,***电极71通过第一***电极介质层73与N型漂移区10相接触;栅介质层82、83的厚度不大于***电极介质层72、73的厚度;所述N型漂移区10顶层中还具有浮空P区9,所述浮空P区9通过第二***电极介质层72与***电极71相连,浮空P区9及第二***电极介质层72的上表面具有第二介质层21,第二介质层21与发射极金属1相连。
实施例2:
本实施例提供一种沟槽栅电荷存储型IGBT,其元胞结构如图4所示,与实施例1不同的是,***电极右下角一部分被刻蚀掉,形成了阶梯形状的电极结构,进而增加了***栅沟槽结构右下角介质层的厚度,从而获得更高的击穿电压和更好的可靠性。
实施例3:
本实施例提供一种沟槽栅电荷存储型IGBT,其元胞结构如图5所示,与实施例1不同的是,***电极从上至下依次采用N型重掺杂、N型轻掺杂、P型掺杂的多晶硅材料,在阻断状态下多晶硅耗尽,将降低集电极-发射极电容。
实施例4:
本实施例提供一种沟槽栅电荷存储型IGBT,其元胞结构如图6所示,与实施例1不同的是,***电极从上至下依次采用P型重掺杂、N型轻掺杂、P型掺杂的多晶硅材料,在阻断状态下多晶硅耗尽,将降低集电极-发射极电容。
实施例5:
本实施以600V电压等级的沟槽栅电荷存储型IGBT为例进行阐述,图7是本实施例的具体工艺流程图,详细阐述依照本发明技术方案一进行制备的具体操作:
步骤1:选取N型单晶硅片,首先进行掺杂浓度较高的硅外延工艺,用以制备N型电场阻止层11,所述N型电场阻止层的厚度为10~50微米,电阻率为1~4ohm.cm;然后进行轻掺杂的硅外延工艺,以制备N型漂移区10,所述N型漂移区10的厚度为30~80微米,电阻率为5~40ohm.cm;
步骤2:在硅片表面生长一层场氧,光刻出有源区,再生长一层预氧后通过离子注入P型杂质并退火制备沟槽绝缘栅双极型晶体管的浮空P区9,离子注入能量为500~1000keV,注入剂量为5×1011个/cm2~5×1012个/cm2,退火温度为700~1000℃,退火时间为20~50分钟;所述浮空P区9位于N型漂移区10顶层的一侧;
步骤3:在硅片表面生长一层场氧,光刻出有源区,再生长一层预氧后通过离子注入N型杂质磷并退火制备N型电荷存储层6,离子注入能量为800~1200keV,注入剂量为1×1013个/cm2~1×1014个/cm2,退火温度为800~1000℃,退火时间为20~40分钟;所述N型电荷存储层6位于N型漂移区10顶层的另一侧;然后通过离子注入P型杂质硼制备P型基区5,离子注入能量为50~300keV,注入剂量为1×1013个/cm2~1×1014个/cm2;所述P型基区5位于N型电荷存储层6上表面;
步骤4:在硅片的正面通过TEOS淀积并回流形成4000A~8000A的SiO2薄膜,对硅片表面进行曝光并刻蚀沟槽,对沟槽表面进行氧化处理后采用HF腐蚀,得到干净的沟槽表面;所述沟槽的深度大于N型电荷存储层6的结深;
步骤5:在1050℃~1150℃,O2的气氛下在沟槽内侧形成氧化层,形成第一***电极介质层73和第二***电极介质层72;
步骤6:750℃~950℃下在沟槽内积淀填充多晶硅,形成***电极71;
步骤7:调整工艺参数并重复步骤4至步骤6,对硅片表面进行曝光并刻蚀得到沟槽,再对沟槽表面进行氧化处理后采用HF腐蚀,得到干净的沟槽表面,所述沟槽的深度大于P型层6的结深、小于N型电荷存储层6的结深;然后进行氧化,制备栅氧化层,所述栅氧化层的厚度小于第一***电极介质层72和第二***电极介质层73的厚度;然后在沟槽内淀积多晶硅,形成栅电极81;
步骤8:在硅片正面光刻出接触孔,通过离子注入N型杂质磷并推阱制备Nsd区3,注入能量30~80keV,注入剂量为1×1015个/cm2~1×1016个/cm2,推阱所采用温度为800~1000℃,时间为20~45分钟;所述Nsd区3位于P型基区5上表面,并通过栅氧化层与栅电极81连接;
步骤9:在硅片正面光刻出接触孔,通过离子注入P型杂质硼并退火制备Psd区4,注入能量40~100keV,注入剂量为1×1015个/cm2~1×1016个/cm2,退火温度为750~1100℃,退火时间为20~50分钟;所述Psd区4位于P型基区5上表面,并与Nsd区4连接;
步骤10:通过淀积硼磷硅玻璃并致密、刻蚀,制备第一介质层22和第二介质层21;所述第一介质层22位于浮空P区9及其相靠近侧***电极介质层的上表面;所述第二介质层21位于栅电极81和栅介质层的上表面;
步骤11:在硅片的正面淀积和抛光金属铝制备发射极金属1,淀积的金属能够实现良好的接触和覆盖;
步骤12:翻转硅片,在硅片的背面进行减薄,减薄后硅片厚度为30~120微米,然后通过离子注入P型杂质硼并退火制备P型集电区12,典型的注入能量为20~60keV,注入剂量为1×1012个/cm2~1×1013个/cm2,退火温度为200~600℃,退火时间为20~50分钟;
步骤13:在硅片的背面淀积和抛光金属铝制备集电极金属13,淀积的金属能够实现良好的接触和覆盖,至此制得沟槽栅电荷存储型IGBT。
实施例6:
本实施例相比实施例5的不同在于:在步骤6中通过增加光刻步骤形成阶梯状***电极结构,上述操作为现有技术,具体操作在此不再赘述,由此制得如图4所示的器件结构。
实施例7:
本实施同样以600V电压等级的沟槽栅电荷存储型IGBT为例,图24是本实施例的具体工艺流程图,下面详细阐述依照本发明技术方案二进行制备的具体操作:
步骤1:选取N型单晶硅片,首先进行掺杂浓度较高的硅外延工艺,用以制备N型电场阻止层11,所述N型电场阻止层的厚度为10~50微米,电阻率为1~4ohm.cm;然后进行轻掺杂的硅外延工艺,以制备N型漂移区10,所述N型漂移区10的厚度为30~80微米,电阻率为5~40ohm.cm;
步骤2:在硅片表面生长一层场氧,光刻出有源区,再生长一层预氧后通过离子注入P型杂质并退火制备沟槽绝缘栅双极型晶体管的浮空P区9,离子注入能量为500~1000keV,注入剂量为5×1011个/cm2~5×1012个/cm2,退火温度为700~1000℃,退火时间为20~50分钟;所述浮空P区9位于N型漂移区10顶层的一侧;
步骤3:在硅片的正面通过TEOS淀积并回流形成4000A~8000A的SiO2薄膜,对硅片表面进行曝光并刻蚀沟槽,对沟槽表面进行氧化处理后采用HF腐蚀,得到干净的沟槽表面;
步骤4:在1050℃~1150℃,O2的气氛下在沟槽内侧形成氧化层,形成第一***电极介质层73和第二***电极介质层72;
步骤5:750℃~950℃下在沟槽内积淀填充多晶硅,形成***电极71;
步骤6:在硅片表面生长一层场氧,光刻出有源区,再生长一层预氧后通过离子注入N型杂质磷并退火制备N型电荷存储层6,离子注入能量为800~1200keV,注入剂量为1×1013个/cm2~1×1014个/cm2,退火温度为800~1000℃,退火时间为20~40分钟;所述N型电荷存储层6位于N型漂移区10顶层的另一侧;然后通过离子注入P型杂质硼制备P型基区5,离子注入能量为50~300keV,注入剂量为1×1013个/cm2~1×1014个/cm2;所述P型基区5位于N型电荷存储层6上表面;
步骤7:调整工艺参数并重复第3至5步,对硅片表面进行曝光并刻蚀得到沟槽,再对沟槽表面进行氧化处理后采用HF腐蚀,得到干净的沟槽表面,所述沟槽的深度大于P型层6的结深、小于N型电荷存储层6的结深;然后进行氧化,制备栅氧化层,所述栅氧化层的厚度小于第一***电极介质层72和第二***电极介质层73的厚度;然后在沟槽内淀积多晶硅,形成栅电极81;
步骤8:在硅片正面光刻出接触孔,通过离子注入N型杂质磷并推阱制备Nsd区3,注入能量30~80keV,注入剂量为1×1015个/cm2~1×1016个/cm2,推阱所采用温度为800~1000℃,时间为20~45分钟;所述Nsd区3位于P型基区5上表面,并通过栅氧化层与栅电极81连接;
步骤9:在硅片正面光刻出接触孔,通过离子注入P型杂质硼并退火制备Psd区4,注入能量40~100keV,注入剂量为1×1015个/cm2~1×1016个/cm2,退火温度为750~1100℃,退火时间为20~50分钟;所述Psd区4位于P型基区5上表面,并与Nsd区4连接;
步骤10:通过淀积硼磷硅玻璃并致密、刻蚀,制备第一介质层22和第二介质层21;所述第一介质层22位于浮空P区9及其相靠近侧***电极介质层的上表面;所述第二介质层21位于栅电极81和栅介质层的上表面;
步骤11:在硅片的正面淀积和抛光金属铝制备发射极金属1,淀积的金属能够实现良好的接触和覆盖;
步骤12:翻转硅片,在硅片的背面进行减薄,减薄后硅片厚度为30~120微米,然后通过离子注入P型杂质硼并退火制备P型集电区12,典型的注入能量为20~60keV,注入剂量为1×1012个/cm2~1×1013个/cm2,退火温度为200~600℃,退火时间为20~50分钟;
步骤13:在硅片的背面淀积和抛光金属铝制备集电极金属13,淀积的金属能够实现良好的接触和覆盖,至此制得沟槽栅电荷存储型IGBT。
实施例8:
本实施例相比实施例5的不同在于:在步骤6中可通过增加淀积步骤分三次依次从下至上形成由P型多晶硅材料、N型多晶硅材料和N+型多晶硅材料组合而成的***电极71,上述操作为现有技术,具体操作在此不再赘述,由此制得如图5所示的器件结构。
实施例9:
本实施例相比实施例5的不同在于:在步骤6中可通过增加淀积步骤分三次依次从下至上形成由P型重掺杂、N型轻掺杂、P型掺杂多晶硅材料组合而成的***电极71,上述操作为现有技术,具体操作在此不再赘述,由此制得如图6所示的器件结构。
进一步需要说明的是:本发明可直接选用具有N型漂移区10和N型场阻止层11的双层外延材料作为工艺的起始硅片材料。
进一步需要说明的是:步骤1中N型漂移区10和N型场阻止层11的制备可省略。
进一步需要说明的是:第一介质层22、第二介质层21、第一***电极介质层73、第二***电极介质层72,第一栅介质层82和第二栅介质层83的材料可以相同也可以不同,各部分可以是同种材料也可以是不同种材料组合而成。
Claims (7)
1.一种沟槽栅电荷存储型IGBT,其元胞结构包括:从下而上依次层叠设置的集电极金属(13)、P型集电区(12)、N型电场阻止层(11)、N型漂移区(10)和发射极金属(1);其特征在于:所述N型漂移区(10)中具有Nsd区(3)、Psd区(4)、P型基区(5)、N型电荷存储层(6)和***沟槽栅结构;Nsd区(3)和Psd区(4)相互接触且并排位于发射极金属(1)的下方并与发射极金属(1)相连;P型基区(5)位于Nsd区(3)和Psd区(4)的下方且与二者相连,N型电荷存储层(6)位于P型基区(5)和N型漂移区(10)之间;所述***沟槽栅结构包括:栅电极(81)、第一栅介质层(82)、第二栅介质层(83)、***电极(71)、第一***电极介质层(72)和第二***电极介质层(73),***沟槽栅结构向下穿过Nsd区(3)、P型基区(5)和N型电荷存储层(6)并延伸入N型漂移区(10),栅电极(81)的深度大于P型基区(5)的结深且小于N型电荷存储层(6)的结深,栅电极(81)上表面通过第一介质层(22)与发射极金属(1)相连,栅电极(81)通过第一栅介质层(82)分别与Nsd区(3)、P型基区(5)和N型电荷存储层(6)相接触,***电极(71)呈“L”型半包围栅电极(81)设置,***电极(71)上表面与发射极金属(1)相连,***电极(71)通过第二栅介质层(83)与栅电极(81)之间相连,***电极(71)通过第一***电极介质层(73)与N型漂移区(10)相接触;栅介质层82、83的厚度不大于***电极介质层72、73的厚度;所述N型漂移区(10)顶层中还具有浮空P区(9),所述浮空P区(9)通过第二***电极介质层(72)与***电极(71)相连,浮空P区(9)及第二***电极介质层(72)的上表面具有第二介质层(21),第二介质层(21)与发射极金属(1)相连。
2.根据权利要求1所述的一种沟槽栅电荷存储型IGBT,其特征在于:N型电荷存储层(6)下方且靠近N型电荷存储层(6)侧的***电极介质层的侧壁厚度大于N型电荷存储层(6)下方且远离N型电荷存储层(6)侧的***电极介质层的侧壁厚度。
3.根据权利要求1所述的一种沟槽栅电荷存储型IGBT,其特征在于:***电极(71)的材料自上而下依次为N型重掺杂、N型轻掺杂、P型掺杂的多晶硅材料。
4.根据权利要求1所述的一种沟槽栅电荷存储型IGBT,其特征在于:***电极(71)的材料自上而下依次为P型重掺杂、N型轻掺杂、P型掺杂的多晶硅材料。
5.根据权利要求1所述的一种沟槽栅电荷存储型IGBT,其特征在于:浮空P区(9)的结深不小于***槽栅结构的深度。
6.一种沟槽绝缘栅双极型晶体管的制造方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1:选取N型单晶硅片,采用外延工艺依次形成N型电场阻止层(11)和N型漂移区(10);
步骤2:在硅片表面生长一层场氧,光刻出有源区,再生长一层预氧后通过离子注入P型杂质并退火处理制备浮空P区(9),所述浮空P区(9)位于N型漂移区(10)顶层的一侧;
步骤3:在硅片表面生长一层场氧,光刻出有源区,再生长一层预氧后通过离子注入N型杂质磷并退火制备N型电荷存储层(6),所述N型电荷存储层(6)位于N型漂移区(10)顶层的另一侧,并且N型电荷存储层(6)的结深小于浮空P区(9);然后通过离子注入P型杂质磷并退火制备P型基区(5),所述P型基区(5)位于N型电荷存储层(6)上表面;
步骤4:在硅片表面淀积保护层,光刻出窗口进行沟槽硅刻蚀,制得位于N型电荷存储层(6)和浮空P区(9)之间的沟槽,所述沟槽的深度大于N型电荷存储层(6)的结深;
步骤5:在所述沟槽内壁形成介质层;
步骤6:在内壁形成介质层的沟槽内淀积多晶硅;
步骤7:在硅片表面淀积保护层,刻蚀沟槽内壁的部分介质层及部分多晶硅形成***电极(71),重复步骤5和6形成栅电极(81);
步骤8:在硅片正面光刻出接触孔,通过离子注入N型杂质磷并推阱制备Nsd区(3),所述Nsd区(3)位于P型基区(5)上表面,并通过栅介质层与栅电极(81)连接;
步骤9:在硅片正面光刻出接触孔,通过离子注入P型杂质磷并推阱制备Psd区(4),所述Psd区(4)位于P型基区(5)上表面,并与Nsd区(3)连接;
步骤10:在硅片的正面淀积发射极金属(1);
步骤11:翻转硅片,在硅片的背面进行减薄,通过离子注入P型杂质并退火制备P型集电区(12)
步骤12:在硅片的背面淀积集电极金属电极(13)。
7.一种沟槽绝缘栅双极型晶体管的制造方法,其特征在于:包括以下步骤:
步骤1:选取N型单晶硅片,采用外延工艺依次形成N型电场阻止层(11)和N型漂移区(10);
步骤2:在硅片表面生长一层场氧,光刻出有源区,再生长一层预氧后通过离子注入P型杂质并退火处理制备浮空P区(9),所述浮空P区(9)位于N型漂移区(10)顶层的一侧;
步骤3:在硅片表面淀积保护层,光刻出窗口进行沟槽硅刻蚀,制得位于N型电荷存储层(6)和浮空P区(9)之间的沟槽,所述沟槽的深度大于N型电荷存储层(6)的结深;
步骤4:在所述沟槽内壁形成介质层;
步骤5:在内壁形成介质层的沟槽内淀积多晶硅;
步骤6:在硅片表面生长一层场氧,光刻出有源区,再生长一层预氧后通过离子注入N型杂质磷并退火制备N型电荷存储层(6),所述N型电荷存储层(6)位于N型漂移区(10)顶层的另一侧,并且N型电荷存储层(6)的结深小于浮空P区(9);然后通过离子注入P型杂质磷并退火制备P型基区(5),所述P型基区(5)位于N型电荷存储层(6)上表面;
步骤7:在硅片表面淀积保护层,刻蚀沟槽内壁的部分介质层及部分多晶硅形成***电极(71),重复步骤4和5形成栅电极(81);
步骤8:在硅片正面光刻出接触孔,通过离子注入N型杂质磷并推阱制备Nsd区(3),所述Nsd区(3)位于P型基区(5)上表面,并通过栅介质层与栅电极(81)连接;
步骤9:在硅片正面光刻出接触孔,通过离子注入P型杂质磷并推阱制备Psd区(4),所述Psd区(4)位于P型基区(5)上表面,并与Nsd区(3)连接;
步骤10:在硅片的正面淀积发射极金属(1);
步骤11:翻转硅片,在硅片的背面进行减薄,通过离子注入P型杂质并退火制备P型集电区(12)
步骤12:在硅片的背面淀积集电极金属电极(13)。
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