CN116960169A - 一种逆导型igbt器件结构及其制备方法 - Google Patents

一种逆导型igbt器件结构及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种逆导型IGBT器件结构及其制备方法，调节注入层位于逆导型IGBT器件结构的漂移区上，第一导电类型的体区位于调节注入层上；多个所述栅结构沿水平方向间隔设置于体区中并向上延伸至体区外，栅结构两侧均设置有发射区；每个栅结构上设置有介电阻隔层；发射极层位于介电阻隔层上并填充发射区之间的空隙。本发明通过在逆导型IGBT的体区下侧注入氢离子，引入缺陷复合中心，控制局部区域的少子寿命，降低快恢复二极管的反向恢复电荷，减小反向恢复损耗；同时通过注入氢离子产生寄生的浅热施主杂质，在IGBT内部形成载流子存储层，改善空穴的浓度分布，降低饱和压降，有利于驱动负载并降低功耗。

Description

一种逆导型IGBT器件结构及其制备方法
技术领域
本发明属于半导体集成电路制造技术领域，特别是涉及一种逆导型IGBT器件结构及其制备方法。
背景技术
如图1所示的逆导型绝缘栅双极型晶体管(RC-IGBT)是在IGBT的集电区设置短路区从而形成内部的快恢复二极管(FRD)，具有成本低、功率密度高等优势，具有取代IGBT和FRD组合使用的趋势。但RC-IGBT同样存在一些问题，如发生电压折回问题、FRD的反向恢复速率问题等，从而增大了FRD的反向恢复损耗。
现有技术中为降低FRD的反向恢复电荷浓度，通常使用全域寿命控制技术，但这不可避免的增加了IGBT的饱和压降(Vcesat)。另外，也有通过降低二极管的阳极注入效率来改善其反向恢复特性的报道，但此方法却增加了二极管的导通压降(VF)。
因此亟待一种可以降低FRD反向恢复损耗同时降低饱和压降的RC-IGBT器件结构。
应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的，不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。
发明内容
鉴于以上现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种逆导型IGBT器件结构及其制备方法，用于解决现有技术中RC-IGBT内的FRD反向恢复损耗高、饱和压降大的问题。
为实现上述目的，本发明提供一种逆导型IGBT器件结构，所述逆导型IGBT器件结构包括：集电极层、集电层、场截止层、漂移区、调节注入层、体区、栅结构、介电阻隔层、发射区、发射极层；
所述集电层位于所述集电极层上，所述集电层包括沿水平方向交替设置的第一导电类型的集电区和第二导电类型的短路区，所述集电极层与所述集电区之间形成有效电连接；
第二导电类型的所述场截止层位于所述集电层上，第二导电类型的所述漂移区位于所述场截止层上，所述调节注入层位于所述漂移区上，第一导电类型的所述体区位于所述调节注入层上；多个所述栅结构沿水平方向间隔设置于所述体区中并向上延伸至所述体区外，延伸至所述体区上方的所述栅结构两侧均设置有所述发射区；每个所述栅结构上设置有介电阻隔层，所述介电阻隔层覆盖对应下方的所述栅结构及其两侧的所述发射区的上表面；所述发射极层位于所述介电阻隔层上并填充所述发射区之间的空隙，所述发射极层与所述发射区之间均形成有效电连接。
可选地，所述第一导电类型为P型，所述第二导电类型为N型。
可选地，所述调节注入层内注入的离子为氢离子。
可选地，所述调节注入层内的氢离子浓度为1e12～1e14。
可选地，所述调节注入层的底部高度低于、高于或齐平于所述栅结构的底部高度。
可选地，相邻两个所述发射区之间设置有欧姆接触层，所述欧姆接触层与其相邻的所述发射区、所述发射极层均形成接触。
本发明还提供一种逆导型IGBT器件结构的制备方法，所述制备方法用于制备上述任意一种逆导型IGBT器件结构，所述制备方法包括：
制备一N型沟道的逆导型IGBT器件结构；
在制备所述逆导型IGBT器件结构中的漂移区后的任意步骤对所述漂移区内注入氢离子，形成调节注入层。
可选地，注入氢离子后，对所述逆导型IGBT器件结构进行退火处理，退火温度200～400℃。
可选地，注入氢离子的能量为100keV～1000keV。
可选地，制备所述N型沟道的逆导型IGBT器件结构的方法包括：
提供一衬底，所述衬底包括相对设置的第一表面和第二表面；
于所述衬底内靠近所述第二表面的部分形成第二导电类型的漂移区；
于所述衬底内的所述漂移区上形成第一导电类型的体区，所述调节注入层与所述体区邻接；
于所述体区内设置多个间隔设置的栅结构；
图形化所述体区，使所述栅结构的顶部高于所述体区的顶部预设高度；
于所述体区上方设置图形化的发射区，所述发射区填充所述栅结构之间的空隙并与所述栅结构齐平；
于所述发射区上方设置介电阻隔层，所述介电阻隔层覆盖所述栅结构和所述发射区的上表面；
于所述介电阻隔层设置凹槽，所述凹槽贯穿所述发射区至所述体区上表面；
于所述凹槽内设置欧姆接触层，所述欧姆接触层的高度低于所述发射区的高度；
于所述欧姆接触层上设置发射极层，所述发射极层覆盖所述发射区之间的空隙。
如上，本发明的逆导型IGBT器件结构及其制备方法，具有以下有益效果：
本发明通过在逆导型IGBT的体区下侧注入氢离子，引入缺陷复合中心，控制局部区域的少子寿命，降低快恢复二极管的反向恢复电荷，减小反向恢复损耗；
本发明通过注入氢离子产生寄生的浅热施主杂质，在IGBT内部形成载流子存储层，改善空穴的浓度分布，降低饱和压降，有利于驱动负载并降低功耗。
附图说明
图1显示为现有技术中逆导型IGBT的结构示意图。
图2显示为本发明实施例一中逆导型IGBT器件结构的结构示意图。
图3显示为本发明实施例一中逆导型IGBT器件结构与现有技术中的逆导型IGBT的反向电流示意图。
元件标号说明
111、集电极层；121、集电区；122、短路区；130、场截止层；140、漂移区；141、调节注入层；142、体区；150、栅结构；151、多晶硅；152、栅氧层；160、介电阻隔层；170、发射区；171、欧姆接触层；180、发射极层。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示装置结构的示意图会不依一般比例作局部放大，而且示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。
在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例一：
如图1所示，本发明提供一种逆导型IGBT器件结构，所述逆导型IGBT器件结构包括：集电极层111、集电层、场截止层130、漂移区140、调节注入层141、体区142、栅结构150、介电阻隔层160、发射区170、发射极层180；
所述集电层位于所述集电极层111上，所述集电层包括沿水平方向交替设置的第一导电类型的集电区121和第二导电类型的短路区122，所述集电极层111与所述集电区121之间形成有效电连接；
第二导电类型的所述场截止层130位于所述集电层上，第二导电类型的所述漂移区140位于所述场截止层130上，所述调节注入层141位于所述漂移区140上，第一导电类型的所述体区142位于所述调节注入层141上；多个所述栅结构150沿水平方向间隔设置于所述体区142中并向上延伸至所述体区142外，延伸至所述体区142上方的所述栅结构150两侧均设置有所述发射区170；每个所述栅结构150上设置有介电阻隔层160，所述介电阻隔层160覆盖对应下方的所述栅结构150及其两侧的所述发射区170的上表面；所述发射极层180位于所述介电阻隔层160上并填充所述发射区170之间的空隙，所述发射极层180与所述发射区170之间均形成有效电连接。
在一个实施例中，所述第一导电类型为P型，所述第二导电类型为N型。
在一个实施例中，所述调节注入层141内注入的离子为氢离子。
如图3所示的传统RC-IGBT(逆导型绝缘栅双极性晶体管)和本发明中的RC-IGBT内IF(正向平均电流)随工作时间的函数变化对比，本发明注入氢离子的逆导型IGBT器件的方案相比现有技术中的RC-IGBT的IF降低，整体功耗降低。本发明通过注入的氢离子控制RC-IGBT内集成的FRD(快恢复二极管)的少子寿命以减小反向恢复损耗，同时利用注入的氢离子产生寄生的浅热施主杂质作为N型杂质在体区142下侧形成空穴势垒，用作载流子存储层，改善空穴的浓度分布，以降低Vcesat(饱和压降)，实现功耗降低；注入其他离子作为调节注入层141也可以产生部分控制少子寿命的作用，但无法同时引入浅热施主杂质，因此本发明的方案使用特殊的氢离子可以从反向恢复电荷和饱和压降两个角度来同时降低功耗，实现的功耗降低效果更好。
在一个实施例中，所述调节注入层141内的氢离子浓度为1e12～1e14。
在一个实施例中，所述调节注入层141的底部高度低于、高于或齐平于所述栅结构150的底部高度。
在一个实施例中，相邻两个所述发射区170之间设置有欧姆接触层171，所述欧姆接触层171与其相邻的所述发射区170、所述发射极层180均形成接触。
在一个实施例中，所述栅结构150包括栅氧层152和多晶硅151，所述栅氧层152包裹所述多晶硅151未接触所述介电阻隔层160的表面。
在一个实施例中，所述栅结构150为沟槽栅或/和平面栅。
在一个实施例中，所述栅结构150向下延伸至所述漂移区140内，所述栅结构150的底部低于所述调节注入层141的底部。
实施例二：
本发明还提供一种逆导型IGBT器件结构的制备方法，所述制备方法用于制备上述实施例一中任意一种所述的逆导型IGBT器件结构，所述制备方法包括：
制备一N型沟道的逆导型IGBT器件结构；
在制备所述逆导型IGBT器件结构中的漂移区140后的任意步骤对所述漂移区140内注入氢离子，形成调节注入层141。
在一个实施例中，注入氢离子后，对所述逆导型IGBT器件结构进行退火处理，退火温度200～400℃。
在一个实施例中，注入氢离子的能量为100keV～1000keV。
在一个实施例中，制备所述N型沟道的逆导型IGBT器件结构的方法包括：
步骤1：提供一衬底，所述衬底包括相对设置的第一表面和第二表面；
步骤2：于所述衬底内靠近所述第二表面的部分形成第二导电类型的漂移区140；
步骤3：于所述衬底内的所述漂移区140上形成第一导电类型的体区142，所述调节注入层141与所述体区142邻接；
步骤4：于所述体区142内设置多个间隔设置的栅结构150；
步骤5：图形化所述体区142，使所述栅结构150的顶部高于所述体区142的顶部预设高度；
步骤6：于所述体区142上方设置图形化的发射区170，所述发射区170填充所述栅结构150之间的空隙并与所述栅结构150齐平；
步骤7：于所述发射区170上方设置介电阻隔层160，所述介电阻隔层160覆盖所述栅结构150和所述发射区170的上表面；
步骤8：于所述介电阻隔层160设置凹槽，所述凹槽贯穿所述发射区170至所述体区142上表面；
步骤9：于所述凹槽内设置欧姆接触层171，所述欧姆接触层171的高度低于所述发射区170的高度；
步骤10：于所述欧姆接触层171上设置发射极层180，所述发射极层180覆盖所述发射区170之间的空隙。
下面将结合附图详细说明本发明的逆导型IGBT器件结构的制备方法，其中，需要说明的是，上述顺序并不严格代表本发明所保护的逆导型IGBT器件结构的制备方法顺序，本领域技术人员可以依据实际制备步骤进行改变。
首先，进行步骤1，提供一衬底，所述衬底包括相对设置的第一表面和第二表面。
然后，进行步骤2，于所述衬底内靠近所述第二表面的部分形成第二导电类型的漂移区140。
接着，进行步骤3，于所述衬底内的所述漂移区140上形成第一导电类型的体区142，所述调节注入层141与所述体区142邻接。
具体地，所述调节注入层141在形成所述漂移区140后的任意步骤中进行，保证最终形成的所述调节注入层141与所述体区142邻接即可。
在一个实施例中，所述第一导电类型为P型，所述第二导电类型为N型。
然后，进行步骤4，于所述体区142内设置多个间隔设置的栅结构150。
接着，进行步骤5，图形化所述体区142，使所述栅结构150的顶部高于所述体区142的顶部预设高度。
然后，进行步骤6，于所述体区142上方设置图形化的发射区170，所述发射区170填充所述栅结构150之间的空隙并与所述栅结构150齐平。
接着，进行步骤7，于所述发射区170上方设置介电阻隔层160，所述介电阻隔层160覆盖所述栅结构150和所述发射区170的上表面。
然后，进行步骤8，于所述介电阻隔层160设置凹槽，所述凹槽贯穿所述发射区170至所述体区142上表面。
接着，进行步骤9，于所述凹槽内设置欧姆接触层171，所述欧姆接触层171的高度低于所述发射区170的高度。
最后，进行步骤10，于所述欧姆接触层171上设置发射极层180，所述发射极层180覆盖所述发射区170之间的空隙。
综上，本发明的逆导型IGBT器件结构及其制备方法，可以通过在逆导型IGBT的体区下侧注入氢离子，引入缺陷复合中心，控制局部区域的少子寿命，降低快恢复二极管的反向恢复电荷，减小反向恢复损耗；同时通过注入氢离子产生寄生的浅热施主杂质，在IGBT内部形成载流子存储层，改善空穴的浓度分布，降低饱和压降，有利于驱动负载并降低功耗。
所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种逆导型IGBT器件结构，其特征在于，所述逆导型IGBT器件结构包括：集电极层、集电层、场截止层、漂移区、调节注入层、体区、栅结构、介电阻隔层、发射区、发射极层；
所述集电层位于所述集电极层上，所述集电层包括沿水平方向交替设置的第一导电类型的集电区和第二导电类型的短路区，所述集电极层与所述集电区之间形成有效电连接；第二导电类型的所述场截止层位于所述集电层上，第二导电类型的所述漂移区位于所述场截止层上，所述调节注入层位于所述漂移区上，第一导电类型的所述体区位于所述调节注入层上；多个所述栅结构沿水平方向间隔设置于所述体区中并向上延伸至所述体区外，延伸至所述体区上方的所述栅结构两侧均设置有所述发射区；每个所述栅结构上设置有介电阻隔层，所述介电阻隔层覆盖对应下方的所述栅结构及其两侧的所述发射区的上表面；所述发射极层位于所述介电阻隔层上并填充所述发射区之间的空隙，所述发射极层与所述发射区之间均形成有效电连接。
2.根据权利要求1所述的逆导型IGBT器件结构，其特征在于，所述第一导电类型为P型，所述第二导电类型为N型。
3.根据权利要求2所述的逆导型IGBT器件结构，其特征在于，所述调节注入层内注入的离子为氢离子。
4.根据权利要求3所述的逆导型IGBT器件结构，其特征在于，所述调节注入层内的氢离子浓度为1e12～1e14。
5.根据权利要求1所述的逆导型IGBT器件结构，其特征在于，所述调节注入层的底部高度低于、高于或齐平于所述栅结构的底部高度。
6.根据权利要求1所述的逆导型IGBT器件结构，其特征在于，相邻两个所述发射区之间设置有欧姆接触层，所述欧姆接触层与其相邻的所述发射区、所述发射极层均形成接触。
7.一种逆导型IGBT器件结构的制备方法，其特征在于，所述制备方法用于制备权利要求1-6中任意一项所述的逆导型IGBT器件结构，所述制备方法包括：
制备一N型沟道的逆导型IGBT器件结构；
在制备所述逆导型IGBT器件结构中的漂移区后的任意步骤对所述漂移区内注入氢离子，形成调节注入层。
8.根据权利要求7所述的逆导型IGBT器件结构的制备方法，其特征在于，注入氢离子后，对所述逆导型IGBT器件结构进行退火处理，退火温度200～400℃。
9.根据权利要求7所述的逆导型IGBT器件结构的制备方法，其特征在于，注入氢离子的能量为100keV～1000keV。
10.根据权利要求7所述的逆导型IGBT器件结构的制备方法，其特征在于，制备所述N型沟道的逆导型IGBT器件结构的方法包括：
提供一衬底，所述衬底包括相对设置的第一表面和第二表面；
于所述衬底内靠近所述第二表面的部分形成第二导电类型的漂移区；
于所述衬底内的所述漂移区上形成第一导电类型的体区，所述调节注入层与所述体区邻接；
于所述体区内设置多个间隔设置的栅结构；
图形化所述体区，使所述栅结构的顶部高于所述体区的顶部预设高度；
于所述体区上方设置图形化的发射区，所述发射区填充所述栅结构之间的空隙并与所述栅结构齐平；
于所述发射区上方设置介电阻隔层，所述介电阻隔层覆盖所述栅结构和所述发射区的上表面；
于所述介电阻隔层设置凹槽，所述凹槽贯穿所述发射区至所述体区上表面；
于所述凹槽内设置欧姆接触层，所述欧姆接触层的高度低于所述发射区的高度；
于所述欧姆接触层上设置发射极层，所述发射极层覆盖所述发射区之间的空隙。
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