CN117650168A - 平面型igbt的结构、制造方法及芯片、电子设备 - Google Patents
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Abstract
一种平面型IGBT的结构、制造方法及芯片、电子设备，属于半导体技术领域，平面型IGBT的结构为：埋氧层位于衬底上表面；漂移层位于埋氧层上表面，第一阱、栅极结构和第二阱位于漂移层中的上侧且从第一侧至第二侧依次设置，第一有源区位于第一阱中的上侧且位于栅极结构侧面，第二有源区位于第一阱中的上侧且位于第一有源区侧面，第三有源区位于第二阱中的上侧，至少一个发射极沟槽结构贯穿第一阱且位于第一阱的第一侧和第二有源区之间间隔设置；发射极沟槽结构为：至少一个第一沟槽贯穿第一阱且位于第一阱的第一侧和第二有源区之间间隔设置，第一介电层覆盖第一沟槽内表面，第一导电柱填充在第一介电层内部；增强了抗闩锁能力及栅控能力。
Description
技术领域
本申请属于半导体技术领域，尤其涉及一种平面型IGBT的结构、制造方法及芯片、电子设备。
背景技术
硅绝缘栅双极晶体管（insulate-gate bipolar transistor ，IGBT）由双极结型晶体管（bipolar junction transistor，BJT）和金氧半场效晶体管（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor,MOSFET）组成，是一种电压控制开关型功率半导体器件。
IGBT既具有高输入阻抗、控制功率小、驱动电路简单、开关速度高等优点，同时又具有双极型功率晶体管的电流密度大、饱和压降低和电流处理能力强等优点。
垂直结构的IGBT在导通损耗方面和***集成方面存在着巨大的提升空间，而采用沟槽栅的平面型结构的IGBT由于其栅极结构底部的空穴积累会产生位移电流从而导致降低器件的抗闩锁能力及栅控能力。
相关的平面型IGBT存在抗闩锁能力及栅控能力差的缺陷。
发明内容
本申请的目的在于提供一种沟槽栅IGBT的结构、制造方法及芯片、电子设备，旨在解决相关平面型IGBT存在抗闩锁能力及栅控能力差的问题。
本申请实施例提供了一种平面型IGBT的结构，包括：
位于所述衬底的上表面的埋氧层；
位于所述埋氧层的上表面的漂移层；
位于所述漂移层中的上侧且从第一侧至第二侧依次设置的第一阱、栅极结构和第二阱；所述第一阱和所述栅极结构接触且所述栅极结构的深度大于所述第一阱的深度；
位于所述第一阱中的上侧且位于所述栅极结构侧面的第一有源区；
位于所述第一阱中的上侧且位于所述第一有源区侧面的第二有源区；
位于所述第二阱中的上侧的第三有源区；
贯穿所述第一阱且位于所述第一阱的第一侧和所述第二有源区之间间隔设置的至少一个发射极沟槽结构；
所述发射极沟槽结构包括：
贯穿所述第一阱且位于所述第一阱的第一侧和所述第二有源区之间间隔设置的至少一个第一沟槽；
覆盖至少一个所述第一沟槽内表面的至少一个第一介电层；
填充在至少一个所述第一介电层内部的至少一个第一导电柱；
其中，所述衬底、所述第一阱、所述第二有源区和所述第三有源区为第一类型；所述漂移层、所述第二有源区和所述第二阱的为第二类型。
在其中一个实施例中，所述栅极结构包括：
与所述第一阱侧面接触的第二沟槽；所述第二沟槽的深度大于所述第一阱的深度；
覆盖所述第二沟槽内表面的第二介电层；
填充在第二介电层内部的第二导电柱。
在其中一个实施例中，所述第一类型为P型，所述第二类型为N型；或者
所述第一类型为N型，所述第二类型为P型。
在其中一个实施例中，还包括：
覆盖在所述第一阱顶部、所述漂移层顶部、所述第二阱顶部、所述第三有源区的部分上表面和所述栅极结构上表面的绝缘层；
覆盖所述绝缘层、所述发射极沟槽结构和所述第一阱顶部的第一金属层；
覆盖部分所述第三有源区上表面的第二金属层；
与所述栅极结构连接的第三金属层；
所述第一金属层为所述平面型IGBT的发射极电极，所述第二金属层为所述平面型IGBT的集电极电极，所述第三金属层为所述平面型IGBT的栅极电极。
在其中一个实施例中，所述栅极结构的材料包括二氧化硅和多晶硅；所述衬底、所述漂移层、所述第一阱、所述第二阱、所述第一有源区、所述第二有源区和所述第三有源区的材料包括硅或碳化硅；所述埋氧层和所述第一介电层的材料包括二氧化硅；所述第一导电柱的材料包括金属。
本申请实施例还提供了一种平面型IGBT的制造方法，所述制造方法包括：
在衬底的上表面形成埋氧层；
在所述埋氧层的上表面形成漂移层；
在所述漂移层中第一侧的上侧形成第一阱，且在所述漂移层中第二侧的上侧形成第二阱；
在所述第一阱中的第二侧的上侧形成第一有源区，在所述第一阱中所述第一有源区的侧面形成第二有源区，并在所述第二阱的上侧形成第三有源区；
在所述漂移层中第一侧和所述第二有源区之间形成贯穿所述第一阱的至少一个第一沟槽，且在所述第一阱中的第二侧的侧面形成第二沟槽；
在所述第二沟槽内形成栅极结构，并在所述第一沟槽内形成发射极沟槽结构；所述发射极沟槽结构包括覆盖所第一沟槽内表面的第一介电层和填充在第一介电层内部的第一导电柱。
在其中一个实施例中，所述在所述第二沟槽内形成栅极结构，并在所述第一沟槽内形成发射极沟槽结构包括：
在所述第一沟槽内表面形成第一介电层，并在所述第二沟槽内表面形成第二介电层；
在所述第一介电层内部填充第一导电柱，并在第二介电层内部填充第二导电柱。
在其中一个实施例中，所述在所述第二沟槽内形成栅极结构，并在所述第一沟槽内形成发射极沟槽结构之后还包括：
在所述第一阱顶部、所述漂移层顶部、所述第二阱顶部、所述第三有源区的部分上表面和所述栅极结构上表面形成绝缘层；
形成覆盖部分所述绝缘层、所述发射极沟槽结构和所述第一阱顶部的第一金属层；
在部分所述第三有源区上表面形成第二金属层；
形成与所述栅极结构连接的第三金属层。
本申请实施例还提供一种芯片，所述芯片包括上述的平面型IGBT的结构。
本申请实施例还提供一种电子设备，所述电子设备包括上述的平面型IGBT的结构。
本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：由于第三有源区作为集电极，第一阱作为栅极，第一有源区和第二有源区作为发射极。当平面型IGBT加正向电压时，集电极和发射极导通；同时，围绕发射极沟槽结构形成了一个第一寄生MOS (栅极结构一侧的第一阱为源极；漂移层为栅极； 远离栅极结构一侧的第一阱为漏极)，集电极和发射极导通时，空穴会积聚在栅极结构的底部以及栅极结构一侧的第一阱中，导致电位上升从而第一寄生MOS开启，空穴从栅极结构一侧的第一阱沿着漂移层、远离栅极结构一侧的第一阱至发射极电极，达到抽取空穴的目的，减小了包括第一有源区、第一阱和漂移层的第二寄生MOS导通的可能性，从而减小了由于其栅极结构底部的空穴积累而导致地抗闩锁能力及栅控能力下降的可能性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术发明，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请一实施例提供的平面型IGBT的结构的一种结构示意图；
图2为本申请一实施例提供的平面型IGBT的结构的另一种结构示意图；
图3为本申请实施例提供的平面型IGBT的制造方法中形成埋氧层的一种示意图；
图4为本申请实施例提供的平面型IGBT的制造方法中形成漂移层的一种示意图；
图5为本申请实施例提供的平面型IGBT的制造方法中形成第一阱和第二阱的一种示意图；
图6为本申请实施例提供的平面型IGBT的制造方法中形成第一有源区至第三有源区的一种示意图；
图7为本申请实施例提供的平面型IGBT的制造方法中形成第一沟槽和第二沟槽的一种示意图；
图8为本申请实施例提供的平面型IGBT的制造方法中形成发射极沟槽结构和栅极结构的一种示意图。
具体实施方式
为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
图1示出了本发明实施例提供的平面型IGBT的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：
平面型IGBT的结构，包括衬底90、埋氧层10、漂移层01、第一阱02、第二阱04、栅极结构03、第一有源区05、第二有源区06、第三有源区07和发射极沟槽结构08。
埋氧层10位于衬底90的上表面。
漂移层01位于埋氧层10的上表面。
第一阱02、栅极结构03和第二阱04位于漂移层01中的上侧且从第一侧至第二侧依次设置；第一阱02和栅极结构03接触且栅极结构03的深度大于第一阱02的深度。
第一有源区05位于第一阱02中的上侧且位于栅极结构03侧面。
第二有源区06位于第一阱02中的上侧且位于第一有源区05侧面。
第三有源区07位于第二阱04中的上侧。
至少一个发射极沟槽结构08贯穿第一阱02且位于第一阱02的第一侧和第二有源区06之间间隔设置。
发射极沟槽结构08包括至少一个第一沟槽081、至少一个第一介电层082和至少一个第一导电柱083。
至少一个第一沟槽081贯穿第一阱02且位于第一阱02的第一侧和第二有源区06之间间隔设置；
第一介电层082覆盖第一沟槽081内表面。
第一导电柱083填充在第一介电层082内部。
其中，衬底90、第一阱02、第二有源区06和第三有源区07为第一类型；漂移层01、第二有源区06和第二阱04的为第二类型。
具体实施中，由于第三有源区07作为集电极，第一阱02作为栅极，第一有源区05和第二有源区06作为发射极。以第一类型为P型且第二类型为N型为例，当平面型IGBT加正向电压时，发射极接低电位，电子依次经发射极电极、第一有源区05、第一阱02、漂移层0101、第二阱04、第三有源区07至集电极电极，空穴依次经集电极电极、第三有源区07、第二阱04、漂移层01、第一阱02、第二有源区06至发射极电极，集电极和发射极导通；同时，围绕发射极沟槽结构08形成了一个第一寄生MOS (栅极结构03一侧的第一阱02为源极；漂移层01为栅极； 远离栅极结构03一侧的第一阱02为漏极)，集电极和发射极导通时，空穴会积聚在栅极结构03的底部以及栅极结构03一侧的第一阱02中，导致电位上升从而第一寄生MOS开启 ，空穴从栅极结构03一侧的第一阱02沿着漂移层01、远离栅极结构03一侧的第一阱02至发射极电极，达到抽取空穴的目的，减小了包括第一有源区05、第一阱02和漂移层01的第二寄生MOS导通的可能性，从而减小了由于其栅极结构03底部的空穴积累而导致地抗闩锁能力及栅控能力下降的可能性。
值得强调的是，当设置了多个发射极沟槽结构08时，从而并联了多个第一寄生MOS（PMOS），故进一步减小了由于其栅极结构03底部的空穴积累而导致地严重抗闩锁能力及关断能力下降的可能性。
需要说明的是，第一侧为左侧，第二侧为右侧；或者
第一侧为右侧，第二侧为左侧。
需要说明的是，第一类型为P型，第二类型为N型；或者
第一类型为N型，第二类型为P型。
如图1所示，栅极结构03包括第二沟槽031、第二介电层032和第二导电柱033。
第二沟槽031与第一阱02侧面接触；第二沟槽031的深度大于第一阱02的深度。
第二介电层032覆盖第二沟槽031内表面。
第二导电柱033填充在第二介电层032内部。
此栅极结构03简单可靠。
如图2所示，平面型IGBT还包括绝缘层60、第一金属层70、第二金属层80和第三金属层。
覆盖在第一阱02顶部、漂移层01顶部、第二阱04顶部、第三有源区07的部分上表面和栅极结构03上表面的绝缘层60。
覆盖绝缘层60、发射极沟槽结构08和第一阱02顶部的第一金属层70；
覆盖部分第三有源区07上表面的第二金属层80。
与栅极结构03连接的第三金属层。
第一金属层70为平面型IGBT的发射极电极，第二金属层80为平面型IGBT的集电极电极，第三金属层为平面型IGBT的栅极电极。
作为示例而非限定，栅极结构03的材料包括二氧化硅和多晶硅；衬底90、漂移层01、第一阱02、第二阱04、第一有源区05、第二有源区06和第三有源区07的材料包括硅或碳化硅；埋氧层10和第一介电层082的材料包括二氧化硅；第一导电柱083的材料包括金属。
与一种平面型IGBT实施例相对应，本发明还提供了一种平面型IGBT的制造方法的一种实施例。
一种平面型IGBT的制造方法，方法包括步骤401至步骤405。
在步骤401中，如图3所示，在衬底90的上表面形成埋氧层10。
在步骤402中，如图4所示，在埋氧层10的上表面形成漂移层01。
在步骤403中，如图5所示，在漂移层01中第一侧的上侧形成第一阱02，且在漂移层01中第二侧的上侧形成第二阱04。
在步骤404中，如图6所示，在第一阱02中的第二侧的上侧形成第一有源区05，在第一阱02中第一有源区05的侧面形成第二有源区06，并在第二阱04的上侧形成第三有源区07。
在步骤404中，如图7所示，在漂移层01中第一侧和第二有源区06之间形成贯穿第一阱02的至少一个第一沟槽081，且在第一阱02中的第二侧的侧面形成第二沟槽031。
在步骤404中，如图8所示，在第二沟槽031内形成栅极结构03，并在第一沟槽081内形成发射极沟槽结构08；发射极沟槽结构08包括覆盖所第一沟槽081内表面的第一介电层082和填充在第一介电层082内部的第一导电柱083。
具体实施中，步骤405包括步骤405-1和步骤405-2。
在步骤405-1中，在第一沟槽内表面形成第一介电层，并在第二沟槽内表面形成第二介电层。
在步骤405-2中，在第一介电层内部填充第一导电柱，并在第二介电层内部填充第二导电柱。
具体实施中，步骤405之后还包括步骤406至步骤408。
在步骤406中，在第一阱顶部、漂移层顶部、第二阱顶部、第三有源区的部分上表面和栅极结构上表面形成绝缘层。
形成覆盖部分绝缘层、发射极沟槽结构和第一阱顶部的第一金属层。
在部分第三有源区上表面形成第二金属层。
形成与栅极结构连接的第三金属层。
值得强调的是，第一金属层为平面型IGBT的发射极电极，第二金属层为平面型IGBT的集电极电极，第三金属层为平面型IGBT的栅极电极。
值得注意的是，金属层可以为金或钯。各个金属层的接触可以为欧姆接触。
本发明实施例包括衬底、埋氧层、漂移层、第一阱、第二阱、栅极结构、第一有源区、第二有源区、第三有源区和发射极沟槽结构；埋氧层位于衬底的上表面；漂移层位于埋氧层的上表面；第一阱、栅极结构和第二阱位于漂移层中的上侧且从第一侧至第二侧依次设置；第一阱和栅极结构接触且栅极结构的深度大于第一阱的深度；第一有源区位于第一阱中的上侧且位于栅极结构侧面；第二有源区位于第一阱中的上侧且位于第一有源区侧面；第三有源区位于第二阱中的上侧；至少一个发射极沟槽结构贯穿第一阱且位于第一阱的第一侧和第二有源区之间间隔设置；发射极沟槽结构包括至少一个第一沟槽、至少一个第一介电层和至少一个第一导电柱；至少一个第一沟槽贯穿第一阱且位于第一阱的第一侧和第二有源区之间间隔设置；第一介电层覆盖第一沟槽内表面；第一导电柱填充在至第一介电层内部；其中，衬底、第一阱、第二有源区和第三有源区为第一类型；漂移层、第二有源区和第二阱的为第二类型；增强了抗闩锁能力及栅控能力。
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。
以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种平面型IGBT的结构，其特征在于，包括：
衬底；
位于所述衬底的上表面的埋氧层；
位于所述埋氧层的上表面的漂移层；
位于所述漂移层中的上侧且从第一侧至第二侧依次设置的第一阱、栅极结构和第二阱；所述第一阱和所述栅极结构接触且所述栅极结构的深度大于所述第一阱的深度；
位于所述第一阱中的上侧且位于所述栅极结构侧面的第一有源区；
位于所述第一阱中的上侧且位于所述第一有源区侧面的第二有源区；
位于所述第二阱中的上侧的第三有源区；
贯穿所述第一阱且位于所述第一阱的第一侧和所述第二有源区之间间隔设置的至少一个发射极沟槽结构；
所述发射极沟槽结构包括：
贯穿所述第一阱且位于所述第一阱的第一侧和所述第二有源区之间间隔设置的至少一个第一沟槽；
覆盖至少一个所述第一沟槽内表面的至少一个第一介电层；
填充在至少一个所述第一介电层内部的至少一个第一导电柱；
其中，所述衬底、所述第一阱、所述第二有源区和所述第三有源区为第一类型；所述漂移层、所述第二有源区和所述第二阱的为第二类型。
2.如权利要求1所述的平面型IGBT的结构，其特征在于，所述栅极结构包括：
与所述第一阱侧面接触的第二沟槽；所述第二沟槽的深度大于所述第一阱的深度；
覆盖所述第二沟槽内表面的第二介电层；
填充在第二介电层内部的第二导电柱。
3.如权利要求1所述的平面型IGBT的结构，其特征在于，所述第一类型为P型，所述第二类型为N型；或者
所述第一类型为N型，所述第二类型为P型。
4.如权利要求1所述的平面型IGBT的结构，其特征在于，还包括：
覆盖在所述第一阱顶部、所述漂移层顶部、所述第二阱顶部、所述第三有源区的部分上表面和所述栅极结构上表面的绝缘层；
覆盖所述绝缘层、所述发射极沟槽结构和所述第一阱顶部的第一金属层；
覆盖部分所述第三有源区上表面的第二金属层；
与所述栅极结构连接的第三金属层；
所述第一金属层为所述平面型IGBT的发射极电极，所述第二金属层为所述平面型IGBT的集电极电极，所述第三金属层为所述平面型IGBT的栅极电极。
5.如权利要求1至4任意一项所述的平面型IGBT的结构，其特征在于，所述栅极结构的材料包括二氧化硅和多晶硅；所述衬底、所述漂移层、所述第一阱、所述第二阱、所述第一有源区、所述第二有源区和所述第三有源区的材料包括硅或碳化硅；所述埋氧层和所述第一介电层的材料包括二氧化硅；所述第一导电柱的材料包括金属。
6.一种平面型IGBT的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括：
在衬底的上表面形成埋氧层；
在所述埋氧层的上表面形成漂移层；
在所述漂移层中第一侧的上侧形成第一阱，且在所述漂移层中第二侧的上侧形成第二阱；
在所述第一阱中的第二侧的上侧形成第一有源区，在所述第一阱中所述第一有源区的侧面形成第二有源区，并在所述第二阱的上侧形成第三有源区；
在所述漂移层中第一侧和所述第二有源区之间形成贯穿所述第一阱的至少一个第一沟槽，且在所述第一阱中的第二侧的侧面形成第二沟槽；
在所述第二沟槽内形成栅极结构，并在所述第一沟槽内形成发射极沟槽结构；所述发射极沟槽结构包括覆盖所第一沟槽内表面的第一介电层和填充在第一介电层内部的第一导电柱。
7.根据权利要求6所述的平面型IGBT的制造方法，其特征在于，所述在所述第二沟槽内形成栅极结构，并在所述第一沟槽内形成发射极沟槽结构包括：
在所述第一沟槽内表面形成第一介电层，并在所述第二沟槽内表面形成第二介电层；
在所述第一介电层内部填充第一导电柱，并在第二介电层内部填充第二导电柱。
8.根据权利要求6所述的平面型IGBT的制造方法，其特征在于，所述在所述第二沟槽内形成栅极结构，并在所述第一沟槽内形成发射极沟槽结构之后还包括：
在所述第一阱顶部、所述漂移层顶部、所述第二阱顶部、所述第三有源区的部分上表面和所述栅极结构上表面形成绝缘层；
形成覆盖部分所述绝缘层、所述发射极沟槽结构和所述第一阱顶部的第一金属层；
在部分所述第三有源区上表面形成第二金属层；
形成与所述栅极结构连接的第三金属层。
9.一种芯片，其特征在于，所述芯片包括如权利要求1至5任意一项所述的平面型IGBT的结构。
10.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括如权利要求1至5任意一项所述的平面型IGBT的结构。
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Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US5796125A (en) * | 1994-09-16 | 1998-08-18 | Kabushiki Kaisha Toshiba | High breakdown voltage semiconductor device using trench grooves |
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| CN114823863A (zh) * | 2022-04-24 | 2022-07-29 | 电子科技大学 | 一种具有阳极槽的低功耗横向功率器件 |
-
2024
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Patent Citations (5)
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