CN103872108B - 一种igbt结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种IGBT结构及其制备方法，属于半导体大功率器件的技术领域。该结构包括n‑漂移区、一个以上的沟槽栅、p基区、n+发射极区、浅p基区、层间氧化层、金属层和p+集电极区；其中，n‑漂移区的上方有至少两个的沟槽栅，p基区分别位于沟槽栅的内侧，沟槽栅之间为浅p基区，层间氧化层在沟槽栅和浅p基区上，n+发射极区分别位于沟槽栅的两侧，金属层在层间氧化层上，p+集电极区在n‑漂移区的背面。本发明拉宽沟槽型IGBT中发射极之间的距离，大大降低了翘曲发生的概率。另外，电流密度比较低，能够降低整个器件的短路电流，拓宽器件安全工作区。
Description
技术领域
本发明属于半导体大功率器件的技术领域，特别涉及一种IGBT结构及其制备方法。
背景技术
IGBT的全称是Insulate Gate Bipolar Transistor，即绝缘栅双极晶体管。它兼具MOSFET和GTR的多项优点，极大的扩展了功率半导体器件的应用领域。作为新型电力半导体器件的主要代表，IGBT被广泛用于工业、信息、新能源、医学、交通、军事和航空领域。
高压IGBT目前还是设计上的一个难点。为了减小器件本身的功率损耗,希望器件的导通压降越小越好；为了达到更高的反向阻断电压，需要增加N-漂移区的厚度及电阻率，而这样势必加大器件的导通压降。为了调和反向阻断电压和导通压降二者的矛盾，要求IGBT各个结构参数做尽可能的最优化设计。
沟槽栅型IGBT是IGBT的一个发展方向，它采用沟槽栅代替平面栅，改善了器件的导通特性，降低了导通电阻，现有技术中IGBT的结构如图1所示，1为n-漂移区，2为沟槽栅（器件的栅极G），其中，两个沟槽栅之间的距离在10um之内，5为层间氧化层，6为发射极金属，7为p+集电极区（器件的集电极C），在沟槽栅结构中，n+发射极区4和p型基区3内形成了垂直于硅片表面的沟道。工作时电流从p+集电极区出发经过N-漂移区1直接流进垂直沟道而进入n+发射极区4。
为了达到更高的电压，需要增加N-漂移区的厚度及电阻率，而这样势必加大器件的导通电阻。而且现有的沟槽IGBT的饱和电流密度过大，也使得短路安全工作区（SCSOA）减小。因为有源区域中沟槽所占比例较高，在圆片制备过程中，发生翘曲的风险很大。翘曲一旦发生，可能会导致后续光刻版无法对准，严重的会导致碎片。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种IGBT结构及其制备方法，解决了现有技术中IGBT结构容易翘曲的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种IGBT结构，包括n-漂移区、一个以上的沟槽栅、p基区、n+发射极区、浅p基区、层间氧化层、金属层和p+集电极区；其中，所述n-漂移区的上方有至少两个的沟槽栅，所述p基区分别位于所述沟槽栅的内侧，所述沟槽栅之间为所述浅p基区，所述层间氧化层在所述沟槽栅和所述浅p基区上，所述n+发射极区分别位于所述沟槽栅的两侧，所述金属层在所述层间氧化层上，所述p+集电极区在所述n-漂移区的背面。
进一步地，所述沟槽栅之间的距离在20um以上。
进一步地，所述浅p基区的深度大于所述沟槽栅的深度。
一种IGBT结构的制备方法，包括如下步骤：
将N-型衬底制备成n-漂移区；在所述n-漂移区的上方刻蚀出一个以上的沟槽栅，在所述沟槽栅之间依次经过离子注入和高温退火形成浅p基区；然后在所述沟槽栅的两侧通过离子注入和高温退火形成p基区和n+发射极区，在所述沟槽栅和浅p基区上通过低压化学沉积方法形成层间氧化层，在所述层间氧化层上淀积金属层，在N-型衬底的背面，通过高能离子注入形成p+集电极区。
进一步地，所述形成浅p基区的离子为B离子。
进一步地，所述B离子的剂量为1e14atom/cm2。
本发明提供的一种IGBT结构，拉宽沟槽型IGBT中发射极之间的距离，增强了电导调制效应，降低了器件的导通压降，降低了整个芯片中，沟槽所占比例，从而大大降低了翘曲发生的概率。另外，电流密度比较低，能够降低整个器件的短路电流，拓宽器件安全工作区。
附图说明
图1为现有技术提供的IGBT结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种IGBT结构示意图；
附图标记：
1、n-漂移区，2、沟槽栅，3、p基区，4、n+发射极区，5、浅p基区，6、层间氧化层，7、金属层，8、p+集电极区。
具体实施方式
参见图1，本发明实施例提供的一种IGBT结构，包括n-漂移区1、一个以上的沟槽栅2、p基区3、n+发射极区4、浅p基区5、层间氧化层6、金属层7和p+集电极区8；其中，n-漂移区1的上方刻蚀至少两个沟槽,形成沟槽栅2，p基区3分别位于沟槽栅2的两侧，沟槽栅2之间为浅p基区5，层间氧化层6在沟槽栅2和浅p基区5上，n+发射极区4分别位于沟槽栅2的两侧，金属层7在层间氧化层6上，p+集电极区8在n-漂移区1的背面。另外，该IGBT结构同时适用于NPT及FS型IGBT器件。
其中，沟槽栅2之间的距离在20um以上。本发明实施例增大了沟槽型IGBT的两个发射极的距离。当IGBT的集射极加以正向电压(VCE>0)，栅射极电压（VGE）超过栅极的阈值电压（VT）时，在p基区与沟槽栅的交界面开始形成导电沟道，电子由n+发射区经沟道流向n-漂移区，导致n-漂移区电位下降，于是IGBT的p+集电极区不断向n-漂移区注入空穴。注入的空穴一部分与沟道过来的电子在这里复合，形成电子电流，一部分会在n-漂移区中扩散，经过p基区最终到达发射极，形成空穴电流。
本发明实施例提供的IGBT结构的制备方法如下：
步骤101：选择N-型衬底，将所述N-型衬底制备成n-漂移区1；
步骤102：使用第二块光刻掩膜版，在n-漂移区的上方刻蚀出一个以上的沟槽栅；
步骤103：使用第一块光刻掩膜版，在沟槽栅之间注入B离子，其中，注入的剂量为1e14atom/cm2,注入的能量80kev，约150min-200min后，经1000℃-1200℃的退火，形成浅p基区5；
步骤104:在在所述沟槽栅的两侧注入B离子，其中，注入的剂量约为1e13atom/cm2,注入的能量为80kev，通过100min后退火，退火温度为1000℃，形成p基区3；
步骤105：使用第四块光刻掩膜版，在沟槽栅的两侧注入AS离子及P离子，形成n+发射极区4，注入能量和剂量分别为80kev和2e15atom/cm2；
步骤106：在N-型衬底表面，采用低压化学淀积工艺，在580℃-650℃下热分解硅烷，形成厚度约为1um的多晶硅层；使用第三块光刻掩膜版，刻蚀除沟槽以外的多晶硅层，形成栅极；
步骤107：使用低压化学沉积工艺，在650℃-750℃下分解正硅酸乙酯，在N-型衬底表面形成层间氧化层6；
步骤108：在层间氧化层上淀积金属层7，该金属层的金属为Al；
步骤109：在N-型衬底的背面，通过高能离子注入形成p+集电极区8；p+集电极区的离子为B元素,离子的能量50kev,离子的剂量1e15atom/cm2。
本发明实施例提出的IGBT结构中，两个沟槽中间间隔较大，且没有连接发射极。因此注入的空穴在n-漂移区扩散过程中，会在浅p基区积累起来，因为浅p基区与n-漂移区电位相连，因此积累的空穴导致n-漂移区的电位升高。为了保持n-漂移区的电中性，n+发射区向n-漂移区注入大量的电子，即产生电导调制效应，此时IGBT体内充满了大量的非平衡载流子。上述过程不断重复，最终达到动态平衡，n-基区充满了非平衡载流子，具有很低的通态压降。
当IGBT的VGE低于阈值电压VT，并降为零或负值时，导电沟道立即消失，从发射极注入的电子电流很快减小到零，此时，n-漂移区中的非平衡载流子除不断复合外，一部分电子进入集电极区，一部分空穴通过扩散进入p基区，直到所有的非平衡截流子复合消失，器件彻底关断。
本发明实施例通过改变栅极结构，在集电极侧空穴注入不增加的情况下，大大增加发射极侧的电子注入量，从而器件内部靠阴极侧的载流子浓度明显提高，其分布类似于通态时的pin二极管。由于注入增强效应引起的是阴极侧的电子注入增强，而集电极侧的空穴注入并没有增强，所以，与传统IGBT相比，本发明的关断时间不会明显增大。
随着现代硅片加工工艺的进步，硅晶片尺寸越来越大，厚度越来越薄。在这样的硅晶片上进行复杂的刻蚀、淀积等操作，以及多步升降温及高温处理，其中产生的机械应力及热应力容易使平整的硅片发生翘曲。翘曲一旦发生，轻则使掩膜版对准困难，光刻图形出现偏差，影响最终器件的性能。重则整枚硅片破碎废片。对沟槽型IGBT来说，沟槽密度越大，则发生翘曲的风险也越高。本发明提出的结构，加大了沟槽间距，因而降低了沟槽密度，能够有效防止翘曲。
如果只是一味的加大沟槽间的距离，则器件的反向阻断电压会随着沟槽间距的增大而降低。在两个沟槽中间注入p型离子，形成掺杂较浅，深度较深（深于沟槽的深度）的p型掺杂区，浅p基区的深度大于沟槽栅的深度，可以平衡电场，保证反向阻断电压不会随沟槽间距的增加而降低。从而保持反向阻断电压不降低。
本发明的优点：
1、本发明在传统IGBT的基础上，拉宽沟槽型IGBT中发射极之间的距离，增强了电导调制效应，降低了器件的导通压降；
2、在相邻的两个沟槽之间，注入B离子，形成浅P基区，此区域深度大于沟槽底部，可以平衡电场，保证反向阻断电压不会随沟槽间距的增加而降低；
3、本发明降低了整个芯片中，沟槽所占比例，从而大大降低了翘曲发生的概率；
4、本发明电流密度比较低，能够降低整个器件的短路电流，拓宽器件安全工作区。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (1)
1.一种IGBT结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将N-型衬底制备成n-漂移区；
在所述n-漂移区的上方刻蚀出两个沟槽栅，在两个所述沟槽栅之间注入B离子，其中，注入的剂量为1e14atom/cm2，注入的能量为80kev，150min-200min后，经过1000℃～1200℃的退火，形成浅p基区；
在左侧的所述沟槽栅的左侧以及右侧的所述沟槽栅的右侧注入B离子，其中，注入的剂量为1e13atom/cm2，注入的能量为80kev，通过100min后退火，退火温度为1000℃，形成p基区；
在左侧的所述沟槽栅的左侧以及右侧的所述沟槽栅的右侧注入As离子及P离子，形成n+发射极区，注入能量和剂量分别为80kev和2e15atom/cm2；
在N-型衬底表面，采用低压化学淀积工艺，在580℃～650℃下热分解硅烷，形成厚度为1um的多晶硅层，刻蚀除沟槽以外的多晶硅层，形成栅极；
使用低压化学沉积工艺，在650℃～750℃下分解正硅酸乙酯，在N-型衬底表面形成层间氧化层；
在层间氧化层上淀积金属层，该金属层的金属为Al；
在N-型衬底的背面，通过高能离子注入形成p+集电极区，其中，p+集电极区的离子为B元素，离子的能量为50kev，离子的剂量为1e15atom/cm2；
其中，两个所述沟槽栅之间的距离在20um以上；
其中，所述浅p基区的深度大于所述沟槽栅的深度。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |