CN110571268B - 具有部分宽禁带材料/硅材料异质结的igbt及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种具有部分宽禁带材料/硅材料异质结的IGBT及其制作方法，该IGBT器件主要是在宽禁带材料P+型衬底上外延生长形成掺杂浓度较低的N型宽禁带外延层，对N型宽禁带外延层进行部分刻蚀与P+型衬底整体形成凸字型结构，再以该凸字型结构为基础生长N型硅材料外延层，刻蚀凹槽深入N型宽禁带外延层顶部，采用硅成熟工艺形成IGBT器件的有源区。利用宽禁带材料的高临界击穿电场特性，通过击穿点转移技术，将槽栅拐角处栅氧的强电场引入宽禁带材料中，抬高了器件的纵向电场峰，IGBT器件可承担更高的击穿电压，同时宽禁带材料的高热导率特性有利于器件散热，提高了器件可靠性，有效改善了器件性能。
Description
技术领域
本发明涉及功率半导体器件领域，尤其涉及一种IGBT结构及其制作方法。
背景技术
半导体功率器件是指主要用于电力设备的电能变换和控制电路方面的大功率电子器件。随着半导体功率技术的快速发展，功率半导体器件已经广泛应用于现代工业控制和国防装备中。绝缘栅双极晶体管(IGBT，Insulate-Gate Bipolar Transistor)起源并发展于20世纪80年代早期，它是一种可以代替双极结型功率晶体管的改良型功率器件。IGBT混合了MOSFET结构的工作机理和双极结型晶体管的工作机理，代表了真正的MOS双极集成。在IGBT发明后，人们立刻认识到它的一种能力，即成比例的增加IGBT的额定电压时，它的导通压降只有适度的增加。这个特性强有力地推动了成比例增加IGBT结构的额定电压。
发明内容
本发明提出了一种具有部分宽禁带材料/硅材料异质结的IGBT及其制作方法，旨在进一步提高IGBT的击穿电压，改善器件性能。
本发明的技术方案如下：
该具有部分宽禁带材料/硅材料异质结的IGBT，包括：
宽禁带材料的P+型衬底；
宽禁带材料的N型外延层，简记为N型宽禁带外延层，位于所述P+型衬底上表面中间区域，与P+型衬底整体构成凸字型结构；
基于凸字型结构表面形成的N型硅外延层，N型硅外延层的上部左、右两端区域分别形成P型基区，每一处P型基区中形成N+型源区和P+沟道衬底接触以及相应的沟道；
所述N型硅外延层的中间区域刻蚀形成凹槽，凹槽的宽度小于N型宽禁带外延层的宽度，凹槽底部深入N型宽禁带外延层上部中间区域，凹槽深度大于P型基区与N型硅外延层之间PN结的深度；
栅氧化层，覆盖所述凹槽的内壁；
栅极，填充于所述栅氧化层内；
钝化层，覆盖所述栅极的上表面；
源极，覆盖P+沟道衬底接触与N+型源区相接区域的上表面；两处源极共接；
漏极，位于所述P+型衬底下表面；
所述N型宽禁带外延层和N型硅外延层的厚度和掺杂浓度由器件的耐压要求决定，其中，N型宽禁带外延层和N型硅外延层的掺杂浓度低于P+型衬底的掺杂浓度。
基于以上方案，本发明还进一步作了如下优化：
两处源极通过覆盖于钝化层上表面的同材料金属(即与源级材料相同的金属)连成一体。
所述凹槽底部深入N型宽禁带外延层上部中间区域，相应的N型宽禁带外延层刻蚀深度Ln为0.5μm～2μm。
N型硅外延层和N型宽禁带外延层的掺杂浓度比P+型衬底的掺杂浓度小4-6个数量级。
N型硅外延层的掺杂浓度为1×1015～3×1015，N型宽禁带外延层的掺杂浓度为3×1015～6×1015cm-3。
所述凹槽底部与所述PN结之间的高度差Lm为2μm～4μm。
所述凹槽到N型宽禁带外延层侧面的宽度Wn为0.5μm～2μm。
N型硅外延层是通过异质外延技术或键合技术在P+型衬底和N型宽禁带外延层上表面形成的；所述P型基区及其N+型源区和P+沟道衬底接触，是在N型硅外延层上部采用离子注入技术形成的。
栅极为多晶硅栅极，源极为金属化源极，漏极为金属化漏极。
上述宽禁带材料为氮化镓、碳化硅或金刚石。
本发明的有益效果如下：
本发明将宽禁带材料与硅材料相结合，采用宽禁带材料作IGBT的衬底，在宽禁带材料P+型衬底上外延生长形成掺杂浓度较低的N型宽禁带外延层，对N型宽禁带外延层进行部分刻蚀形成凸字型结构，再以该N型宽禁带外延层为基础异质外延生长(或利用键合技术形成)N型硅材料外延层，采用硅成熟工艺形成IGBT器件的有源区。利用宽禁带材料的高临界击穿电场特性，通过击穿点转移技术，将器件槽栅拐角处栅氧的强电场引入宽禁带材料中，抬高了器件的纵向电场峰，IGBT器件可承担更高的击穿电压，突破了传统硅基IGBT器件受单一硅材料临界击穿电场的限制，同时宽禁带材料的高热导率特性有利于器件散热，提高了器件可靠性，有效改善了器件性能。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
其中，1-N+型源区；2-P+沟道衬底接触(P+型体区)；3-栅极；4-钝化层；5-源极；6-栅氧化层；7-P型基区；8-N型宽禁带外延层；9-N型硅外延层；10-P+型衬底；11-漏极。
具体实施方式
下面结合附图以N沟道IGBT为例介绍本发明。
如图1所示，本实施例包括：
宽禁带材料的P+型衬底10；
在P+型衬底10上表面形成的N型宽禁带外延层8；该N型宽禁带外延层8是经过了部分刻蚀与P+型衬底10形成了凸字型结构；
在P+型衬底10和N型宽禁带外延层8上表面异质外延生长或利用键合技术形成的N型硅外延层9；
分别在N型硅外延层9上部的左、右两端区域形成的两处P型基区7；每一处P型基区7中形成沟道以及N+型源区2和P+沟道衬底接触1；在N型硅外延层位于两处N+型源区2之间的区域刻槽至N型硅外延层9中，同时满足刻槽深度大于P型基区7与N型硅外延层9之间PN结的深度，刻槽延伸到N型宽禁带外延层8中，刻槽的深度根据不同的耐压等级设定，在刻槽内壁淀积有栅氧化层6；
栅极3设置于栅氧化层6的内壁；栅极3的上表面覆盖有钝化层4；
源极5，覆盖P+沟道衬底接触1与N+型源区2相接区域的上表面；两处源极5共接；
漏极11，位于P+型衬底10下表面。
其中，凹槽底部深入N型宽禁带外延层上部中间区域，相应的N型宽禁带外延层刻蚀深度Ln为0.5μm～2μm；凹槽底部与所述PN结之间的高度差Lm为2μm～4μm；凹槽到N型宽禁带外延层侧面的宽度Wn为0.5μm～2μm。
N型硅外延层和N型宽禁带外延层的掺杂浓度比P+型衬底的掺杂浓度小4-6个数量级；N型硅外延层的掺杂浓度为1×1015～3×1015，N型宽禁带外延层的掺杂浓度为3×1015～6×1015cm-3。
以N沟道IGBT为例，具体可以通过以下步骤进行制备：
1)在宽禁带材料的P+型衬底10的上表面外延形成所述N型宽禁带外延层8；
2)在P+型衬底10下表面形成金属化漏极11；
3)采用部分刻蚀技术对N型宽禁带外延层8进行部分刻蚀，刻蚀延伸到P+型衬底10上表面，形成凸字型结构；
4)在P+型衬底10和N型宽禁带外延层8上表面异质外延生长技术(或利用键合技术)形成N型硅外延层9；
5)在N型硅外延层9上部的左、右两端区域采用离子注入技术形成P型基区7以及N+型源区2和P+沟道衬底接触1，并在两处N+型源区2之间的区域刻槽，满足刻槽深度大于P型基区7与N型硅外延层9之间PN结的深度，刻槽延伸到N型宽禁带外延层8中；在刻槽内壁淀积有栅氧化层6；
6)采用局部氧化技术在刻槽内壁淀积形成栅氧化层6，并淀积多晶硅，然后刻蚀多晶硅以及栅氧化层，形成多晶硅栅极3；
7)在器件表面淀积钝化层4，并在对应于源极的位置刻蚀接触孔；
8)在接触孔内淀积金属并刻蚀形成源极，形成覆盖整个P型基区7以及钝化层4上表面的源级一体结构。
该IGBT器件主要特点是将宽禁带材料与硅材料相结合形成异质结，在宽禁带材料P+型衬底上外延生长形成掺杂浓度较低的N型宽禁带外延层，对N型宽禁带外延层进行部分刻蚀形成凸字型结构，再以该N型宽禁带外延层为基础异质外延生长(或利用键合技术形成)N型硅材料外延层，采用硅成熟工艺形成IGBT器件的有源区。利用宽禁带材料的高临界击穿电场特性，通过击穿点转移技术，将器件槽栅拐角处栅氧的强电场引入宽禁带材料中，抬高了器件的纵向电场峰，IGBT器件可承担更高的击穿电压，同时宽禁带材料的高热导率特性有利于器件散热，提高了器件可靠性，有效改善了器件性能。
经Sentaurus TCAD仿真表明，该器件较之传统硅基IGBT的性能改善，在两种器件漂移区长度相同的情况下，该器件的击穿电压相比于传统硅基IGBT提高了1.5-2倍。例如，漂移区长度为10μm时，击穿电压突破250V。
本发明中的IGBT也可以为P型沟道，其结构与N沟道IGBT等同，也将其视为属于本申请权利要求的保护范围，在此不再赘述。
Claims (10)
1.一种具有部分宽禁带材料/硅材料异质结的IGBT，其特征在于，包括：
宽禁带材料的P+型衬底(10)；
N型宽禁带外延层(8)，位于所述P+型衬底(10)上表面中间区域，与P+型衬底(10)整体构成凸字型结构；
基于凸字型结构表面形成的N型硅外延层(9)，N型硅外延层(9)的上部左、右两端区域分别形成P型基区(7)，每一处P型基区(7)中形成N+型源区(2)和P+沟道衬底接触(1)以及相应的沟道；
所述N型硅外延层(9)的中间区域刻蚀形成凹槽，凹槽的宽度小于N型宽禁带外延层(8)的宽度，凹槽底部深入N型宽禁带外延层(8)上部中间区域，凹槽深度大于P型基区(7)与N型硅外延层(9)之间PN结的深度；
栅氧化层(6)，覆盖所述凹槽的内壁；
栅极，填充于所述栅氧化层(6)内；
钝化层(4)，覆盖所述栅极(3)的上表面；
源极(5)，覆盖P+沟道衬底接触(1)与N+型源区(2)相接区域的上表面；两处源极(5)共接；
漏极(11)，位于所述P+型衬底(10)下表面；
所述N型宽禁带外延层(8)和N型硅外延层(9)的厚度和掺杂浓度由器件的耐压要求决定，其中，N型宽禁带外延层(8)和N型硅外延层(9)的掺杂浓度低于P+型衬底(10)的掺杂浓度。
2.根据权利要求1所述的具有部分宽禁带材料/硅材料异质结的IGBT，其特征在于：两处源极(5)通过覆盖于钝化层(4)上表面的同材料金属连成一体。
3.根据权利要求1所述的具有部分宽禁带材料/硅材料异质结的IGBT，其特征在于：所述凹槽底部深入N型宽禁带外延层(8)上部中间区域，相应的N型宽禁带外延层(8)刻蚀深度Ln为0.5μm～2μm。
4.根据权利要求1所述的具有部分宽禁带材料/硅材料异质结的IGBT，其特征在于：所述N型硅外延层(9)和N型宽禁带外延层(8)的掺杂浓度比P+型衬底(10)的掺杂浓度小4-6个数量级。
5.根据权利要求1所述的具有部分宽禁带材料/硅材料异质结的IGBT，其特征在于：所述N型硅外延层(9)的掺杂浓度为1×1015～3×1015cm-3，N型宽禁带外延层(8)的掺杂浓度为3×1015～6×1015cm-3。
6.根据权利要求1所述的具有部分宽禁带材料/硅材料异质结的IGBT，其特征在于：所述凹槽底部与所述PN结之间的高度差Lm为2μm～4μm。
7.根据权利要求1所述的具有部分宽禁带材料/硅材料异质结的IGBT，其特征在于：所述凹槽到N型宽禁带外延层(8)侧面的宽度Wn为0.5μm～2μm。
8.根据权利要求1所述的具有部分宽禁带材料/硅材料异质结的IGBT，其特征在于：所述N型硅外延层(9)是通过异质外延技术或键合技术在P+型衬底(10)和N型宽禁带外延层(8)上表面形成的；所述P型基区(7)及其N+型源区(2)和P+沟道衬底接触(1)，是在N型硅外延层(9)上部采用离子注入技术形成的。
9.根据权利要求1所述的具有部分宽禁带材料/硅材料异质结的IGBT，其特征在于：所述栅极(3)为多晶硅栅极，所述源极(5)为金属化源极，漏极(11)为金属化漏极。
10.一种制作权利要求1所述的具有部分宽禁带材料/硅材料异质结的IGBT的方法，包括以下步骤：
1)在宽禁带材料的P+型衬底(10)的上表面外延形成N型宽禁带外延层(8)；
2)在P+型衬底(10)下表面形成金属化漏极(11)；
3)采用部分刻蚀技术对N型宽禁带外延层(8)进行部分刻蚀，左右两边刻蚀延伸到P+型衬底(10)上表面，与P+型衬底(10)整体形成凸字型结构；
4)在P+型衬底(10)和N型宽禁带外延层(8)上表面异质外延生长或利用键合技术形成N型硅外延层(9)；
5)在N型硅外延层(9)上部的左、右两端区域采用离子注入技术形成P型基区(7)以及N+型源区(2)和P+沟道衬底接触(1)，并在两处N+型源区(2)之间的区域刻蚀形成凹槽，凹槽延伸到N型宽禁带外延层(8)中，满足凹槽深度大于P型基区(7)与N型硅外延层(9)之间PN结的深度，凹槽底部深入N型宽禁带外延层(8)内部，凹槽的宽度小于N型宽禁带外延层(8)的宽度，在凹槽内壁淀积栅氧化层(6)；
6)采用局部氧化技术在凹槽内壁淀积形成栅氧化层(6)，并淀积多晶硅，然后刻蚀多晶硅以及栅氧化层，形成多晶硅栅极(3)；
7)在器件表面淀积钝化层(4)，并在对应于源极的位置刻蚀接触孔；
8)在接触孔内淀积金属并刻蚀形成源极，形成覆盖整个P型基区(7)以及钝化层(4)上表面的源极一体结构。
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| CN1574252A (zh) * | 2003-06-17 | 2005-02-02 | 国际商业机器公司 | 制备场效应晶体管横向沟道的方法及场效应晶体管 |
| CN107425068A (zh) * | 2017-06-09 | 2017-12-01 | 电子科技大学 | 一种碳化硅TrenchMOS器件及其制作方法 |
-
2019
- 2019-08-15 CN CN201910754050.1A patent/CN110571268B/zh active Active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1574252A (zh) * | 2003-06-17 | 2005-02-02 | 国际商业机器公司 | 制备场效应晶体管横向沟道的方法及场效应晶体管 |
| CN107425068A (zh) * | 2017-06-09 | 2017-12-01 | 电子科技大学 | 一种碳化硅TrenchMOS器件及其制作方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Analysis of the novel Si/SiC heterojunction IGBT characteristics by TCAD simulation;Licheng Sun, et al;《Superlattices and Microstructures》;20180328;第631-635页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110571268A (zh) | 2019-12-13 |
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