CN106409898A - 一种具有埋氧化层的沟槽栅igbt及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种具有埋氧化层的沟槽栅IGBT及其制作方法，该方法包括在N型硅衬底表面进行磷注入形成N型区，N型硅衬底形成N‑漂移区；在N型区的表面进行硼注入，形成P基区；在N型区下部进行高能氧离子注入，形成第一埋氧层和第二埋氧层，经后续高温工艺后，第一埋氧层和第二埋氧层分别形成第一埋氧化层和第二埋氧化层，所述第一埋氧化层和所述第二埋氧化层之间形成具有预设宽度的沟道，所述沟道用于对从所述N‑漂移区和所述P基区之间流出的空穴进行限流；制作沟槽栅并形成IGBT结构。通过在沟槽栅IGBT底部引入埋氧化层，缩小从其源极流出的空穴路径的面积，遏制源极空穴电流大小，降低IGBT导通压降。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件技术领域，特别是涉及一种具有埋氧化层的沟槽栅IGBT及其制作方法。
背景技术
IGBT是双极型器件依靠双载流子导电，其导通电流能力受基区(漂移区)载流子浓度影响。基区载流子浓度越高，其电导调制效应越强，IGBT导通电流能力越强，则其导通压降越低；反之则其导通压降越高。因此，为降低IGBT的导通压降，必须增大其正向导通时体内载流子浓度。然而，IGBT正向导通时，大量空穴直接从Pbase/Ndrift结流出，造成导电载流子损失，增大了其导通压降。为降低IGBT的导通压降，必须限制空穴从该PN结流出。
针对上述问题，现有技术中的一种IGBT结构如图1所示，图1为现有技术中的一种沟槽栅IGBT的结构示意图。通过复杂的刻蚀形成“葫芦”形状的沟槽栅结构(虚线框所包围的区域)，以此减小Pbase/Ndrift结面积，进而遏制空穴的损失，降低IGBT的导通压降。
然而，现有技术中的上述IGBT的工艺实现十分复杂而且困难。首先刻蚀形成下宽上窄的沟槽形结构非常复杂，与普通的一次等离子刻蚀就形成沟槽不同，该“葫芦”状沟槽需要分两步刻蚀，首先需要等离子异向刻蚀，然后需要对刻蚀槽壁进行保护再做同向刻蚀，刻蚀难度复杂而且难以控制；其次刻蚀完毕之后的栅氧质量较差，由于沟槽结构特殊，刻蚀后的缺陷及残留物去除十分困难，会极大降低栅氧质量，最后是沟槽栅的多晶硅填充十分困难，由于该“葫芦”状沟槽下宽上窄，在多晶硅填充过程中必然容易形成空洞及间隙，增大栅电阻。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种具有埋氧化层的沟槽栅IGBT及其制作方法，通过在沟槽栅IGBT底部引入一定厚度的埋氧化层，缩小从其源极流出的空穴路径的面积，从而遏制源极空穴电流大小，降低IGBT的导通压降。
本发明提供的一种具有埋氧化层的沟槽栅IGBT的制作方法，包括：
在N型硅衬底表面进行磷注入形成N型区，所述N型硅衬底形成N-漂移区；
在所述N型区的表面进行硼注入，形成P基区；
在所述N型区的下部进行高能氧离子注入，形成第一埋氧层和第二埋氧层，经后续高温工艺后，所述第一埋氧层和所述第二埋氧层分别形成第一埋氧化层和第二埋氧化层，所述第一埋氧化层和所述第二埋氧化层之间形成具有预设宽度的沟道，所述沟道用于对从所述N-漂移区和所述P基区之间流出的空穴进行限流；
制作沟槽栅并形成IGBT结构。
优选的，在上述具有埋氧化层的沟槽栅IGBT的制作方法中，所述在N型硅衬底表面进行磷注入形成N型区为：
在所述N型硅衬底表面进行磷注入形成掺杂浓度高于所述N型硅衬底的N型增强层。
优选的，在上述具有埋氧化层的沟槽栅IGBT的制作方法中，所述在所述N型区的下部进行高能氧离子注入为：
利用光刻版在所述N型区的下部进行高能氧离子注入。
优选的，在上述具有埋氧化层的沟槽栅IGBT的制作方法中，所述制作沟槽栅包括：
在所述第一埋氧层和所述第二埋氧层的上方分别刻蚀出沟槽；
在所述沟槽中生长氧化层并淀积多晶硅。
优选的，在上述具有埋氧化层的沟槽栅IGBT的制作方法中，所述形成IGBT结构包括：
在所述沟槽栅旁边的位置进行N+注入，形成源极；
淀积钝化层并刻蚀；
在正面淀积金属；
进行背面注入并退火，沉积背面金属。
优选的，在上述具有埋氧化层的沟槽栅IGBT的制作方法中，所述N型增强层为掺杂浓度为1*1015cm-3至1*1016cm-3。
本发明提供的一种具有埋氧化层的沟槽栅IGBT，包括N-漂移区，所述N-漂移区的表面设置有N型区，所述N型区的表面设置有P基区，所述N型区的下部具有第一埋氧化层和第二埋氧化层，所述第一埋氧化层和所述第二埋氧化层之间具有预设宽度的沟道，所述沟道用于对从所述N-漂移区和所述P基区之间流出的空穴进行限流，所述第一埋氧化层和所述第二埋氧化层上分别设置有沟槽栅。
优选的，在上述具有埋氧化层的沟槽栅IGBT中，所述N型区为掺杂浓度高于所述N-漂移区的N型增强层。
优选的，在上述具有埋氧化层的沟槽栅IGBT中，所述沟槽栅包括：
在所述第一埋氧化层和所述第二埋氧化层的上方的沟槽，以及设置于所述沟槽中的氧化层和淀积在所述氧化层上的多晶硅。
优选的，在上述具有埋氧化层的沟槽栅IGBT中，还包括设置于所述沟槽栅旁边的源极；
设置于所述P基区表面的钝化层和正面金属电极；
位于背面的背面金属电极。
通过上述描述可知，本发明提供的具有埋氧化层的沟槽栅IGBT及其制作方法，由于该方法包括：在N型硅衬底表面进行磷注入形成N型区，所述N型硅衬底形成N-漂移区；在所述N型区的表面进行硼注入，形成P基区；在所述N型区的下部进行高能氧离子注入，形成第一埋氧层和第二埋氧层，经后续高温工艺后，所述第一埋氧层和第二埋氧层分别形成第一埋氧化层和第二埋氧化层，所述第一埋氧化层和所述第二埋氧化层之间形成具有预设宽度的沟道，所述沟道用于对从所述N-漂移区和所述P基区之间流出的空穴进行限流；制作沟槽栅并形成IGBT结构，因此能够缩小从其源极流出的空穴路径的面积，从而遏制源极空穴电流大小，降低IGBT的导通压降。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为现有技术中的一种沟槽栅IGBT的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的第一种具有埋氧化层的沟槽栅IGBT的制作方法的示意图；
图3为形成P基区之后的结构示意图；
图4为高能氧离子注入之后的结构示意图；
图5为制作沟槽栅之后的结构示意图；
图6为最终形成的IGBT的结构示意图。
具体实施方式
本发明的核心思想在于提供一种具有埋氧化层的沟槽栅IGBT及其制作方法，通过在沟槽栅IGBT底部引入一定厚度的埋氧化层，缩小从其源极流出的空穴路径的面积，从而遏制源极空穴电流大小，降低IGBT的导通压降。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本申请实施例提供的第一种具有埋氧化层的沟槽栅IGBT的制作方法如图2所示，图2为本申请实施例提供的第一种具有埋氧化层的沟槽栅IGBT的制作方法的示意图。该方法包括如下步骤：
S1：在N型硅衬底表面进行磷注入形成N型区，所述N型硅衬底形成N-漂移区；
具体的，首先进行磷注入，然后进行热扩散，形成N型区。
S2：在所述N型区的表面进行硼注入，形成P基区；
参考图3，图3为形成P基区之后的结构示意图，其中，该结构包括N-漂移区1、N型区2和P基区3，该P基区掺杂浓度范围为1*1017cm-3至3*1017cm-3。
S3：在所述N型区的下部进行高能氧离子注入，形成第一埋氧层和第二埋氧层，经后续高温工艺后，所述第一埋氧层和第二埋氧层分别形成第一埋氧化层和第二埋氧化层，所述第一埋氧化层和所述第二埋氧化层之间形成具有预设宽度的沟道，所述沟道用于对从所述N-漂移区和所述P基区之间流出的空穴进行限流；
参考图4，图4为高能氧离子注入之后的结构示意图，在高能氧离子注入之后，形成了第一埋氧层4和第二埋氧层5。需要说明的是，埋氧层特指氧离子注入的区域，该区域存在大量的氧离子，但未经过高温工艺；经过后面的高温工艺后，该氧离子与硅反应生成二氧化硅，即埋氧化层。另外需要说明的是，这种工艺实现起来并不复杂，易于控制，从理论上来说，也可以将这种埋氧层换成其他的非导电介质层，但在工艺实现的可能性不大。
S4：制作沟槽栅并形成IGBT结构。
需要说明的是，只要在制作IGBT结构时制作上述第一埋氧化层和第二埋氧化层，则不管具体的其他部位的结构如何，均在本实施例的保护范围之内。
通过上述描述可知，本申请实施例提供的第一种具有埋氧化层的沟槽栅IGBT的制作方法，由于包括：在N型硅衬底表面进行磷注入形成N型区，所述N型硅衬底形成N-漂移区；在所述N型区的表面进行硼注入，形成P基区；在所述N型区的下部进行高能氧离子注入，形成第一埋氧层和第二埋氧层，经后续高温工艺后，所述第一埋氧层和第二埋氧层分别形成第一埋氧化层和第二埋氧化层，所述第一埋氧化层和所述第二埋氧化层之间形成具有预设宽度的沟道，所述沟道用于对从所述N-漂移区和所述P基区之间流出的空穴进行限流；制作沟槽栅并形成IGBT结构，因此能够缩小从其源极流出的空穴路径的面积，从而遏制源极空穴电流大小，降低IGBT的导通压降。
本申请实施例提供的第二种具有埋氧化层的沟槽栅IGBT的制作方法，是在上述第一种具有埋氧化层的沟槽栅IGBT的制作方法的基础上，还包括如下技术特征：
所述在N型硅衬底表面进行磷注入形成N型区为：
在所述N型硅衬底表面进行磷注入形成掺杂浓度高于所述N型硅衬底的N型增强层。
需要说明的是，该N型增强层的目的在于提高该处的电子浓度，以改善源极电子注入效率。该N型增强层一方面可成为空穴势垒，进一步阻挡空穴从所述N-漂移区和所述P基区之间的结流出，另一方面减小埋氧化层之间N型区的电阻，为电子电流提供电流通道。与上述埋氧化层之间形成的沟道相互促进，可以明显降低IGBT的导通压降。该层的掺杂浓度越高，则第一埋氧化层和第二埋氧化层之间的预设宽度可以设置的越小，有利于IGBT的正向导通特性，而该区域掺杂浓度越低，则该预设宽度可以设置的越大，有利于IGBT的正向导通特性。
本申请实施例提供的第三种具有埋氧化层的沟槽栅IGBT的制作方法，是在上述第一种具有埋氧化层的沟槽栅IGBT的制作方法的基础上，还包括如下技术特征：
所述在所述N型区的下部进行高能氧离子注入为：
利用光刻版在所述N型区的下部进行高能氧离子注入。
在该步骤中，光刻板的作用在于确定第一埋氧层和第二埋氧层的位置、尺寸和范围，这种方式具有成本低的优点，且易于实现。
本申请实施例提供的第四种具有埋氧化层的沟槽栅IGBT的制作方法，是在上述第一种至第三种具有埋氧化层的沟槽栅IGBT的制作方法中任一种的基础上，还包括如下技术特征：
参考图5，图5为制作沟槽栅之后的结构示意图，所述制作沟槽栅包括：
在所述第一埋氧层和所述第二埋氧层的上方分别刻蚀出沟槽6；
在所述沟槽6中生长氧化层并淀积多晶硅。
需要说明的是，经过这种高温过程之后，第一埋氧层4就变成了第一埋氧化层41，第二埋氧层5就变成了第二埋氧化层51。
本申请实施例提供的第五种具有埋氧化层的沟槽栅IGBT的制作方法，是在上述第四种具有埋氧化层的沟槽栅IGBT的制作方法的基础上，还包括如下技术特征：
参考图6，图6为最终形成的IGBT的结构示意图，所述形成IGBT结构包括：
在所述沟槽栅6旁边的位置进行N+注入，形成源极7；
淀积钝化层8并刻蚀；
在正面淀积金属，形成正面金属电极9并再次刻蚀；
进行背面注入并退火，沉积背面金属，该背面金属可以优选为铝，但不限于铝，形成N-缓冲层10、P-发射区11和背面电极12。
本申请实施例提供的第六种具有埋氧化层的沟槽栅IGBT的制作方法，是在上述第二种具有埋氧化层的沟槽栅IGBT的制作方法的基础上，还包括如下技术特征：
所述N型增强层为掺杂浓度为1*1015cm-3至1*1016cm-3。
需要说明的是，该层的注入剂量约为1*1014cm-2量级，结深为5μm至6μm。
本申请实施例提供的第一种具有埋氧化层的沟槽栅IGBT，继续参考图6，该沟槽栅IGBT包括N-漂移区1，所述N-漂移区1的表面设置有N型区2，所述N型区2的表面设置有P基区3，所述N型区2的下部具有第一埋氧化层41和第二埋氧化层51，所述第一埋氧化层41和所述第二埋氧化层51之间具有预设宽度的沟道，所述沟道用于对从所述N-漂移区1和所述P基区3之间流出的空穴进行限流，所述第一埋氧化层41和所述第二埋氧化层51上分别设置有沟槽栅6。
通过上述描述可知，由于设置了第一埋氧化层和第二埋氧化层，且二者之间具有沟道，利用这种沟道，就能够缩小从其源极流出的空穴路径的面积，从而遏制源极空穴电流大小，降低IGBT的导通压降，这种IGBT的制作工艺更简单，成本更低。
本申请实施例提供的第二种具有埋氧化层的沟槽栅IGBT，是在上述第一种具有埋氧化层的沟槽栅IGBT的基础上，还包括如下技术特征：
所述N型区为掺杂浓度高于所述N-漂移区的N型增强层。
需要说明的是，该N型增强层的目的在于提高该处电子浓度，以改善源极电子注入效率。该N型增强层一方面可成为空穴势垒，进一步阻挡空穴从所述N-漂移区和所述P基区之间的结流出，另一方面减小埋氧化层之间N型区的电阻，为电子电流提供电流通道。与上述埋氧化层之间形成的沟道相互促进，可以明显降低IGBT的导通压降。该层的掺杂浓度越高，则第一埋氧化层和第二埋氧化层之间的预设宽度可以设置的越小，有利于IGBT的正向导通特性，而该区域掺杂浓度越低，则该预设宽度可以设置的越大，有利于IGBT的正向导通特性。
本申请实施例提供的第三种具有埋氧化层的沟槽栅IGBT，是在上述第一种或第二种具有埋氧化层的沟槽栅IGBT的基础上，还包括如下技术特征：
所述沟槽栅包括：
在所述第一埋氧化层和所述第二埋氧化层的上方的沟槽，以及设置于所述沟槽中的氧化层和淀积在所述氧化层上的多晶硅。
本申请实施例提供的第四种具有埋氧化层的沟槽栅IGBT，是在上述第三种具有埋氧化层的沟槽栅IGBT的基础上，还包括如下技术特征：
还包括设置于所述沟槽栅旁边的源极7；
设置于所述P基区表面的钝化层8和正面金属电极9；
位于背面的背面金属电极12，该背面金属可以优选为铝，但不限于铝。
综上所述，该具有埋氧化层的沟槽栅IGBT易于制作，成本低，能够明显提高源极处载流子浓度，降低IGBT导通压降。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种具有埋氧化层的沟槽栅IGBT的制作方法，其特征在于，包括：
在N型硅衬底表面进行磷注入形成N型区，所述N型硅衬底形成N-漂移区；
在所述N型区的表面进行硼注入，形成P基区；
在所述N型区的下部进行高能氧离子注入，形成第一埋氧层和第二埋氧层，经后续高温工艺后，所述第一埋氧层和所述第二埋氧层分别形成第一埋氧化层和第二埋氧化层，所述第一埋氧化层和所述第二埋氧化层之间形成具有预设宽度的沟道，所述沟道用于对从所述N-漂移区和所述P基区之间流出的空穴进行限流；
制作沟槽栅并形成IGBT结构。
2.根据权利要求1所述的具有埋氧化层的沟槽栅IGBT的制作方法，其特征在于，所述在N型硅衬底表面进行磷注入形成N型区为：
在所述N型硅衬底表面进行磷注入形成掺杂浓度高于所述N型硅衬底的N型增强层。
3.根据权利要求1所述的具有埋氧化层的沟槽栅IGBT的制作方法，其特征在于，所述在所述N型区的下部进行高能氧离子注入为：
利用光刻版在所述N型区的下部进行高能氧离子注入。
4.根据权利要求1-3任一项所述的具有埋氧化层的沟槽栅IGBT的制作方法，其特征在于，所述制作沟槽栅包括：
在所述第一埋氧层和所述第二埋氧层的上方分别刻蚀出沟槽；
在所述沟槽中生长氧化层并淀积多晶硅。
5.根据权利要求4所述的具有埋氧化层的沟槽栅IGBT的制作方法，其特征在于，所述形成IGBT结构包括：
在所述沟槽栅旁边的位置进行N+注入，形成源极；
淀积钝化层并刻蚀；
在正面淀积金属；
进行背面注入并退火，沉积背面金属。
6.根据权利要求2所述的具有埋氧化层的沟槽栅IGBT的制作方法，其特征在于，所述N型增强层为掺杂浓度范围为1*1015cm-3至1*1016cm-3。
7.一种具有埋氧化层的沟槽栅IGBT，其特征在于，包括N-漂移区，所述N-漂移区的表面设置有N型区，所述N型区的表面设置有P基区，所述N型区的下部具有第一埋氧化层和第二埋氧化层，所述第一埋氧化层和所述第二埋氧化层之间具有预设宽度的沟道，所述沟道用于对从所述N-漂移区和所述P基区之间流出的空穴进行限流，所述第一埋氧化层和所述第二埋氧化层上分别设置有沟槽栅。
8.根据权利要求7所述的具有埋氧化层的沟槽栅IGBT，其特征在于，所述N型区为掺杂浓度高于所述N-漂移区的N型增强层。
9.根据权利要求7或8所述的具有埋氧化层的沟槽栅IGBT，其特征在于，所述沟槽栅包括：
在所述第一埋氧化层和所述第二埋氧化层的上方的沟槽，以及设置于所述沟槽中的氧化层和淀积在所述氧化层上的多晶硅。
10.根据权利要求9所述的具有埋氧化层的沟槽栅IGBT，其特征在于，
还包括设置于所述沟槽栅旁边的源极；
设置于所述P基区表面的钝化层和正面金属电极；
位于背面的背面金属电极。
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