CN211828683U - 沟槽型igbt - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种沟槽型IGBT。该沟槽型IGBT的衬底中具有沟槽，各IGBT元胞包括栅极结构和发射极结构，栅极结构包括栅极层、第一栅氧层和第二栅氧层，部分第一栅氧层覆盖于沟槽表面，部分栅极层设置于沟槽中，发射极结构包括发射区、接触孔和发射极，发射区位于衬底中，沟槽贯穿发射区，另一部分第一栅氧层以及另一部分栅极层叠置于与发射区对应的衬底上；接触孔贯穿位于衬底上的栅极层和第一栅氧层并延伸至发射区内，第二栅氧层覆盖于接触孔的部分表面；发射极位于接触孔中，第二栅氧层隔离发射极和栅极层。上述沟槽型IGBT通过上述第二栅氧层隔离发射极和栅极层，有效避免了栅极层和发射极短接而导致的IGBT失效。

Description

沟槽型IGBT

技术领域

本实用新型涉及半导体技术领域，具体而言，涉及一种沟槽型IGBT。

背景技术

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，是一种由BJT(双极型晶体管)和MOS(绝缘栅型场效应晶体管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，IGBT是一种双极器件，既有MOSFET的输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单、开关速度高、开关损耗小的优点，又具有双极功率晶体管的电流密度大、饱和压降低、电流处理能力强的优点。

IGBT主要包括平面性IGBT和沟槽型IGBT，其中，沟槽型IGBT通常如图1所示，包括栅氧层210＇、栅极220＇、漂移区110＇、阱区120＇、发射区130＇、层间介质层30＇、发射极40＇、发射极引出层50＇，场截止区140＇、集电区150＇和集电极60＇，沟槽型IGBT的衬底中形成有沟槽，栅极220＇和栅氧层210＇均设置于沟槽中。相比于平面型IGBT，沟槽型IGBT能够大幅降低通态压降。

在目前制备沟槽型IGBT的工艺中，在形成栅氧层之后沉积多晶硅等栅极材料，部分栅极材料填充于凹槽中，通常还需要通过回刻工艺去除沟槽之外的栅极材料，然而，上述回刻工艺易导致部分栅极材料残留，从而导致栅极和发射极短接，使得IGBT失效。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于提供一种沟槽型IGBT，以解决现有技术中的沟槽型IGBT易由于栅极和发射极短接而失效的问题。

为了实现上述目的，根据本实用新型的一个方面，提供了一种沟槽型IGBT，包括衬底和至少一个IGBT元胞，衬底中具有沟槽，各IGBT元胞包括栅极结构和发射极结构，栅极结构包括栅极层、第一栅氧层和第二栅氧层，部分第一栅氧层覆盖于沟槽表面，部分栅极层设置于沟槽中，发射极结构包括：发射区，位于衬底中，沟槽贯穿发射区，另一部分第一栅氧层以及另一部分栅极层叠置于与发射区对应的衬底上；接触孔，贯穿位于衬底上的栅极层和第一栅氧层并延伸至发射区内，第二栅氧层覆盖于接触孔的部分表面；发射极，位于接触孔中，第二栅氧层隔离发射极和栅极层。

进一步地，沟槽型IGBT还包括层间介质层，层间介质层位于栅极层远离衬底的一侧，接触孔从层间介质层的表面贯穿至发射区内，第二栅氧层覆盖于接触孔的与层间介质层和栅极层对应的表面。

进一步地，沟槽型IGBT还包括发射极引出层，发射极引出层位于层间介质层远离栅极层的一侧。

进一步地，沟槽型IGBT还包括设置于衬底中的阱区和漂移区，发射区位于阱区靠近衬底正面的一侧，阱区位于漂移区靠近衬底正面的一侧，漂移区和发射区的掺杂类型相同，阱区与漂移区的掺杂类型不同。

进一步地，沟槽型IGBT还包括设置于衬底中的场截止区，场截止区位于漂移区靠近衬底背面的一侧，场截止区与漂移区的掺杂类型相同。

进一步地，沟槽型IGBT还包括集电极结构，集电极结构包括：集电区，设置于截止区靠近衬底背面的一侧，集电区与场截止区的掺杂类型不同；集电极，与集电区接触设置。

应用本实用新型的技术方案，提供了一种沟槽型IGBT，由于上述沟槽型IGBT中栅极结构包括栅极层、第一栅氧层和第二栅氧层，从而通过上述第二栅氧层隔离发射极和栅极层，有效避免了栅极层和发射极短接而导致的IGBT失效。并且，上述沟槽型IGBT中接触孔在发射区中能够具有较大的深度，从而通过增大与发射区的接触面积，使得接触孔与发射区之间的过电流能力增强。

附图说明

构成本实用新型的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1示出了现有技术中所提供的一种沟槽型IGBT的局部结构的剖面示意图；

图2示出了本实用新型实施方式所提供的一种沟槽型IGBT的局部结构的剖面示意图；

图3示出了在本实用新型实施方式所提供的沟槽型IGBT的制备方法中，在衬底正面顺序形成漂移区和阱区后基体的剖面结构示意图；

图4示出了在图3所示的阱区中靠近衬底正面的一侧形成发射区后基体的剖面结构示意图；

图5示出了形成从图4所示的衬底正面贯穿发射区的沟槽后基体的剖面结构示意图；

图6示出了形成覆盖图5所示的沟槽和第一表面的第一栅氧层后基体的剖面结构示意图；

图7示出了形成覆盖图6所示的第一栅氧层的栅极层后基体的剖面结构示意图；

图8示出了形成覆盖图7所示的栅极层的层间介质层后基体的剖面结构示意图；

图9示出了一次刻蚀形成贯穿图8所示的层间介质层的第一通孔后基体的剖面结构示意图；

图10示出了沿图9所示的沿至少部分第一通孔进行二次刻蚀以形成贯穿至发射区内的第二通孔后基体的剖面结构示意图，其中，第二通孔与第一通孔连通构成接触孔；

图11示出了在图10所示的接触孔底部填充第一发射极材料后基体的剖面结构示意图；

图12示出了在图11所示的层间介质层上沉积氧化层材料并去除位于接触孔之外的氧化层材料后基体的剖面结构示意图；

图13示出了在图12所示的氧化层中形成贯穿至第一发射极材料的第三通孔后基体的剖面结构示意图，其中，剩余的氧化层构成第二栅氧层；

图14示出了在图13所示的接触孔中除第二栅氧层之外的区域填充第二发射极材料后基体的剖面结构示意图，其中，第二发射极材料与第一发射极材料接触构成发射极；

图15示出了在图14所示的层间介质层上形成发射极引出层后基体的剖面结构示意图；

图16示出了在图15所示的衬底背面形成场截止区和集电区后基体的剖面结构示意图；

图17示出了形成覆盖图16所示的集电区的集电极后基体的剖面结构示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、衬底；110、漂移区；120、阱区；130、发射区；140、场截止区；150、集电区；210、第一栅氧层；220、栅极层；30、层间介质层；310、第一通孔；320、第二通孔；40、发射极；410、第一发射极材料；50、第二栅氧层；510、氧化层材料；60、发射极引出层；70、集电极。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都应当属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

正如背景技术中所介绍的，在目前制备沟槽型IGBT的工艺中，在形成栅氧层之后沉积多晶硅等栅极材料，部分栅极材料填充于凹槽中，通常还需要通过回刻工艺去除沟槽之外的栅极材料，然而，上述回刻工艺易导致部分栅极材料残留，从而易导致沟槽型IGBT由于栅极和发射极短接而失效。

本实用新型针对上述问题进行研究，提出了一种沟槽型IGBT，如图2所示，包括衬底10和至少一个IGBT元胞，衬底10中具有沟槽，各IGBT元胞包括栅极结构和发射极40结构，栅极结构包括栅极层220、第一栅氧层210和第二栅氧层50，部分第一栅氧层210覆盖于沟槽表面，部分栅极层220设置于沟槽中，发射极40结构包括发射区130、接触孔和发射极40，发射区130位于衬底10中，沟槽贯穿发射区130，另一部分第一栅氧层210以及另一部分栅极层220叠置于与发射区130对应的衬底10上；接触孔贯穿位于衬底10上的栅极层220和第一栅氧层210并延伸至发射区130内，第二栅氧层50覆盖于接触孔的部分表面；发射极40位于接触孔中，第二栅氧层50隔离发射极40和栅极层220。

由于上述沟槽型IGBT中栅极结构包括栅极层220、第一栅氧层210和第二栅氧层50，从而通过上述第二栅氧层50隔离发射极40和栅极层220，有效避免了栅极层220和发射极40短接而导致的IGBT失效。并且，上述沟槽型IGBT中接触孔在发射区130中能够具有较大的深度，从而通过增大与发射区130的接触面积，使得接触孔与发射区130之间的过电流能力增强。

在本实用新型的上述沟槽型IGBT中，沟槽型IGBT还可以包括层间介质层30，层间介质层30位于栅极层220远离衬底10的一侧，接触孔从层间介质层30的表面贯穿至发射区130内，第二栅氧层50覆盖于接触孔的与层间介质层30和栅极层220对应的表面，如图2所示。为了使层间介质层30起到更好地隔离作用，优选地，形成上述层间介质层30的介质层材料包括非掺杂硅玻璃和硼磷硅玻璃。

本实用新型的上述沟槽型IGBT还可以包括发射极引出层60，发射极引出层60位于层间介质层30远离栅极层220的一侧，如图2所示。本领域技术人员可以根据现有技术对上述发射极引出层60的导电材料进行合理选取，在此不再赘述。

本实用新型的上述沟槽型IGBT还可以包括设置于衬底10中的阱区120和漂移区110，发射区130位于阱区120靠近衬底10正面的一侧，阱区120位于漂移区110靠近衬底10正面的一侧，漂移区110和发射区130的掺杂类型相同，阱区120与漂移区110的掺杂类型不同，如图2所示。本领域技术人员可以根据实际需求对上述漂移区110、阱区120和发射区130的掺杂类型进行合理选取，如上述漂移区110和发射区130可以为N型掺杂，此时上述阱区120为P型掺杂。

本实用新型的上述沟槽型IGBT还可以包括设置于衬底10中的场截止区140，场截止区140位于漂移区110靠近衬底10背面的一侧，场截止区140与漂移区110的掺杂类型相同，如图2所示。本领域技术人员可以根据实际需求对上述场截止区140的掺杂类型进行合理选取，如上述漂移区110为N型掺杂时，上述场截止区140为N型掺杂。

本实用新型的上述沟槽型IGBT还可以包括集电极70结构，该集电极70结构集电区150和集电极70，集电区150设置于截止区靠近衬底10背面的一侧，集电区150具有第二导电类型；集电极70与集电区150接触设置，如图2所示。本领域技术人员可以根据实际需求对上述集电区150的掺杂类型进行合理选取，如上述漂移区110为N型掺杂时，上述集电区150为P型掺杂。

根据本实用新型的另一方面，还提供了一种沟槽型IGBT的制备方法，包括以下步骤：S1，提供具有发射区的基体，形成贯穿基体的第一表面和发射区的沟槽；S2，形成覆盖沟槽和第一表面的第一栅氧层，并形成覆盖第一栅氧层的栅极层，栅极层中的部分填充于沟槽中；S3，在沟槽之间的基体中形成贯穿栅极层和第一栅氧层并延伸至发射区内的接触孔，在接触孔的部分表面形成第二栅氧层，并在接触孔中形成发射极，第二栅氧层隔离发射极和栅极层。

由于上述制备方法中，在形成覆盖第一栅氧层的栅极层之后，省去了沟槽外栅极层的刻蚀，而是直接形成贯穿栅极层和第一栅氧层并延伸至发射区的接触孔，然后在接触孔的部分表面形成第二栅氧层，并在接触孔中形成发射极，从而通过上述第二栅氧层隔离发射极和栅极层，有效避免了栅极和发射极短接而导致的IGBT失效。并且，上述制备方法中还能够进一步通过增大接触孔与发射区的接触面积，使得接触孔与发射区之间的过电流能力增强。

下面将更详细地描述根据本实用新型提供的沟槽型IGBT的制备方法的示例性实施方式。然而，这些示例性实施方式可以由多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施方式。应当理解的是，提供这些实施方式是为了使得本申请的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施方式的构思充分传达给本领域普通技术人员。

首先，执行步骤S1：提供具有发射区130的基体，形成贯穿基体的第一表面和发射区130的沟槽，如图3至图5所示。

在一种优选的实施方式中，提供上述基体的步骤包括：在衬底10正面形成漂移区110，在漂移区110中靠近衬底10正面的一侧形成阱区120，如图3所示，并在阱区120中靠近衬底10正面的一侧形成发射区130，如图4所示，漂移区110和发射区130的掺杂类型相同，阱区120与漂移区110的掺杂类型不同。本领域技术人员可以根据实际需求对上述漂移区110、阱区120和发射区130的掺杂类型进行合理选取，如上述漂移区110和发射区130可以为N型掺杂，此时上述阱区120为P型掺杂。

在上述优选的实施方式中，漂移区110、阱区120和发射区130可以通过现有技术中常规的离子注入及热激活工艺形成，在离子注入工艺之前，可以先在生长一层氧化物保护层，以防止离子注入工艺对衬底10造成的损伤。

上述沟槽可以通过现有技术中常规的光刻及刻蚀工艺形成，如形成上述沟槽的工艺步骤可以包括：在基体的第一表面形成一层掩膜材料层，进行涂胶、曝光和显影等光刻工序，然后通过刻蚀工艺将掩膜层图形化，去胶后以图形化的掩膜材料层为掩膜对基体进行刻蚀以形成上述沟槽，最后去除上述掩膜材料层。本领域技术人员可以根据现有技术对上述光刻及刻蚀工艺的工艺条件进行选取，在此不再赘述。

在形成上述沟槽之后，执行步骤S2：形成覆盖沟槽和第一表面的第一栅氧层210，并形成覆盖第一栅氧层210的栅极层220，栅极层220中的部分填充于沟槽中，如图6和图7所示。

在上述步骤S2中，本领域技术人员可以根据现有技术对上述第一栅氧层210的制备工艺及其工艺条件进行合理选取，优选地，在较低的温度下形成上述第一栅氧层210，以提高第一栅氧层210的性能。

在上述步骤S2中，栅极层220可以通过现有技术中常规的沉积工艺制备而成，在栅极材料沉积完成后，本实用新型的上述制备方法中仅刻蚀去除原胞区外部的栅极材料，不对原胞区内的栅极材料进行刻蚀，如图7所示，不对图中位于沟槽之外的第一栅氧层210表面的栅极材料进行刻蚀。

在形成上述第一栅氧层210和栅极层220之后，执行步骤S3：在沟槽之间的基体中形成贯穿栅极层220和第一栅氧层210并延伸至发射区130内的接触孔，在接触孔的部分表面形成第二栅氧层50，并在接触孔中形成发射极40，第二栅氧层50隔离发射极40和栅极层220，如图8至图14所示。

上述沟槽在发射区130中可以具有较大的深度，通过增大上述沟槽在发射区130中的深度，能够增大接触孔与发射区130的接触面积，从而使接触孔与发射区130之间的过电流能力增强。

在一种优选的实施方式中，上述步骤S3包括：形成覆盖栅极层220的层间介质层30，如图8所示；形成从层间介质层30的表面贯穿至发射区130内的接触孔，如图9和图10所示；在接触孔底部填充第一发射极材料410，第一发射极材料410的上表面低于位于第一表面上的第一栅氧层210的下表面，如图11所示；形成覆盖接触孔的裸露表面的第二栅氧层50，如图12和图13所示；在接触孔中除第二栅氧层50之外的区域填充第二发射极40材料，第二发射极40材料与第一发射极材料410接触构成发射极40，如图14所示。

在上述优选的实施方式中，为了使第一发射极材料410的上表面低于位于第一表面上的第一栅氧层210的下表面，可以先沉积第一发射极材料410，再进行回刻以将第一发射极材料410刻蚀到第一栅氧层210下方。

更为优选地，在栅极层220上沉积介质层材料并进行热回流处理，以得到上述层间介质层30。上述热回流处理能够提高层间介质层30的形貌更平缓，从而有利于后续的接触孔的刻蚀。为了使层间介质层30起到更好地隔离作用，上述介质层材料可以包括非掺杂硅玻璃和硼磷硅玻璃。

更为优选地，形成上述接触孔的步骤包括：一次刻蚀形成贯穿层间介质层30的第一通孔310，如图9所示；沿至少部分第一通孔310进行二次刻蚀，以形成贯穿至发射区130内的第二通孔320，第二通孔320与第一通孔310连通构成接触孔，如图10所示。先进行上述一次刻蚀能够在层间介质层30中同时形成连接各栅极结构的连通孔，然后再通过对部分连通孔进行二次刻蚀以得到贯穿至发射区130内的接触孔。

更为优选地，形成上述第二栅氧层50的步骤包括：在层间介质层30上沉积氧化层材料510，以使部分氧化层材料510填充于接触孔中，并去除位于接触孔之外的氧化层材料510，得到位于接触孔中的氧化层，如图12所示；在氧化层中形成贯穿至第一发射极材料410的第三通孔，剩余的氧化层构成第二栅氧层50，如图13所示。

在形成上述发射极40的步骤之后，上述步骤S3还可以包括以下步骤：在层间介质层30上形成发射极引出层60，以使发射极引出层60与发射极40接触，如图15所示。发射极引出层60可以通过现有技术中常规的沉积工艺形成，本领域技术人员可以根据现有技术对上述发射极引出层60的导电材料及工艺条件进行合理选取，在此不再赘述。

在步骤S3之后，本实用新型的上述制备方法还可以包括以下步骤：S4，在衬底10背面形成场截止区140，并在场截止区140中靠近衬底10背面的一侧形成集电区150，场截止区140与漂移区110的掺杂类型相同，集电区150与场截止区140的掺杂类型不同，如图16所示；S5，形成覆盖集电区150的集电极70，如图17所示。

在上述步骤S4中，本领域技术人员可以根据实际需求对上述场截止区140和集电区150的掺杂类型进行合理选取，如上述漂移区110为N型掺杂时，上述场截止区140为N型掺杂，上述集电区150为P型掺杂。

在上述步骤S4中，集电区150与场截止区140可以通过现有技术中常规的离子注入及热激活工艺形成，通常在上述离子注入工艺之前，还需要对衬底10背面进行减薄处理。

在上述步骤S5中，集电极70可以通过现有技术中常规的沉积工艺形成，本领域技术人员可以根据现有技术对上述集电极70的导电材料及工艺条件进行合理选取，在此不再赘述。

从以上的描述中，可以看出，本实用新型上述的实施例实现了如下技术效果：

1、由于上述沟槽型IGBT中栅极结构包括栅极层、第一栅氧层和第二栅氧层，从而通过上述第二栅氧层隔离发射极和栅极层，有效避免了栅极层和发射极短接而导致的IGBT失效。并且，上述沟槽型IGBT中接触孔在发射区中能够具有较大的深度，从而通过增大与发射区的接触面积，使得接触孔与发射区之间的过电流能力增强；

2、上述沟槽型IGBT还能够进一步通过增大接触孔与发射区的接触面积，使得接触孔与发射区之间的过电流能力增强。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种沟槽型IGBT，包括衬底和至少一个IGBT元胞，所述衬底中具有沟槽，各所述IGBT元胞包括栅极结构和发射极结构，其特征在于，所述栅极结构包括栅极层、第一栅氧层和第二栅氧层，部分所述第一栅氧层覆盖于所述沟槽表面，部分所述栅极层设置于所述沟槽中，所述发射极结构包括：

发射区，位于所述衬底中，所述沟槽贯穿所述发射区，另一部分所述第一栅氧层以及另一部分所述栅极层叠置于与所述发射区对应的所述衬底上；

接触孔，贯穿位于所述衬底上的所述栅极层和所述第一栅氧层并延伸至所述发射区内，所述第二栅氧层覆盖于所述接触孔的部分表面；

发射极，位于所述接触孔中，所述第二栅氧层隔离所述发射极和所述栅极层。

2.根据权利要求1所述的沟槽型IGBT，其特征在于，所述沟槽型IGBT还包括层间介质层，所述层间介质层位于所述栅极层远离所述衬底的一侧，所述接触孔从所述层间介质层的表面贯穿至所述发射区内，所述第二栅氧层覆盖于所述接触孔的与所述层间介质层和所述栅极层对应的表面。

3.根据权利要求2所述的沟槽型IGBT，其特征在于，所述沟槽型IGBT还包括发射极引出层，所述发射极引出层位于所述层间介质层远离所述栅极层的一侧。

4.根据权利要求1所述的沟槽型IGBT，其特征在于，所述沟槽型IGBT还包括设置于所述衬底中的阱区和漂移区，所述发射区位于所述阱区靠近所述衬底正面的一侧，所述阱区位于所述漂移区靠近所述衬底正面的一侧，所述漂移区和所述发射区的掺杂类型相同，所述阱区与所述漂移区的掺杂类型不同。

5.根据权利要求4所述的沟槽型IGBT，其特征在于，所述沟槽型IGBT还包括设置于所述衬底中的场截止区，所述场截止区位于所述漂移区靠近所述衬底背面的一侧，所述场截止区与所述漂移区的掺杂类型相同。

6.根据权利要求5所述的沟槽型IGBT，其特征在于，所述沟槽型IGBT还包括集电极结构，所述集电极结构包括：

集电区，设置于所述截止区靠近所述衬底背面的一侧，所述集电区与所述场截止区的掺杂类型不同；

集电极，与所述集电区接触设置。

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