IGBT正面結構及製備方法與流程

2023-05-31 09:13:21 1

本發明涉及一種半導體元器件結構，尤其是一種IGBT正面結構及製備方法。

背景技術：

IGBT（絕緣柵雙極電晶體）是由BJT（雙極結型電晶體）和MOSFET（金屬-氧化物-半導體場效應管）組成的複合全控型電壓驅動式功率半導體器件。與MOSFET相比，IGBT的優勢在於具有電導調製效應，即在器件導通時，雙極結型結構會從背面P+集電區向N基區注入少數載流子（空穴），對N基區的電導率進行調製，有效地降低N基區的導通電阻，從而降低器件的導通壓降和導通損耗，這稱為「電導調製效應」。然而N型基區內部的載流子並非均勻分布，從背面往上，越靠近正面（柵極附近），載流子濃度越低，電導調製效應減弱，這限制了器件導通壓降的進一步降低。為了解決這個問題，現有的一種做法是通過N型離子注入和退火在器件正面的P基區下方形成一個N+層，稱為「載流子存儲層」，這個附加層可以提高柵極附近的空穴濃度從而提高器件電導調製效應，進一步降低導通壓降。載流子存儲層的注入需要限制在特定的區域，因此需要增加一層掩膜板，增加了成本；另一方面，由於 「載流子存儲層」位於比P基區更深的區域，因此需要更高的離子注入能量、更高的退火溫度和更長的退火時間，增加了成本和工藝難度，也容易影響器件的可靠性。

技術實現要素：

本發明的目的是克服現有技術中存在的不足，提供一種IGBT正面結構及製備方法，不需要增加掩膜板，不需要高能量注入，不需要額外增加高溫和長時間的退火，從而達到提高器件的電導調製效應，降低器件的器件的導通壓降和導通損耗以及提高器件可靠性的目的。

按照本發明提供的技術方案，所述IGBT正面結構，包括第一導電類型基區，第一導電類型基區的正面設置第二導電類型基區，第二導電類型基區的表面設置金屬電極，在第二導電類型基區設置溝槽結構；所述溝槽結構的上端延伸至金屬電極中，溝槽結構與金屬電極之間設置隔離氧化層進行隔離，溝槽結構的下端延伸至第一導電類型基區中，溝槽結構的上端兩側設置第一導電類型發射區，溝槽結構之間形成金屬電極與第二導電類型基區的接觸孔，在接觸孔底部設置第二導電類型區；其特徵是：在所述第一導電類型基區中設置第一導電類型懸浮層和第二導電類型懸浮環。

進一步的，所述第一導電類型懸浮層位於溝槽結構的底部以上，第二導電類型懸浮環位於溝槽結構的底部。

進一步的，所述第二導電類型懸浮環之間形成間距。

進一步的，所述溝槽結構包括設置在溝槽內壁的柵極氧化層和填充在溝槽中的溝槽柵極。

所述IGBT正面結構的製備方法，其特徵是，包括以下步驟：

（1）在第一導電類型基區上通過離子注入和退火形成第二導電類型基區，然後通過離子注入在第二導電類型基區表面形成第一導電類型薄層；

（2）接著在第一導電類型薄層的表面澱積氧化層，通過光刻和第一次刻蝕形成溝槽，以氧化層為掩膜對溝槽底部進行第一導電類型離子注入；注入後進行第一次柵極犧牲氧化，通過第一次柵極犧牲氧化的熱過程，在溝槽底部形成第一導電類型懸浮環，然後將犧牲氧化層刻蝕掉；

（3）接下來以步驟（2）中澱積的氧化層為掩膜進行第二次溝槽刻蝕，刻蝕的深度超過第一導電類型懸浮環的底部，然後再以步驟（2）中澱積的氧化層（13）為掩膜對溝槽底部進行第二導電類型離子注入；接著進行第二次柵極犧牲氧化和柵極氧化，通過這兩步熱過程，在溝槽底部形成第二導電類型懸浮環，同時第一導電類型懸浮環連接形成第一導電類型懸浮層；通過步驟（2）和（3）中柵極犧牲氧化和柵極氧化的熱過程，第一導電類型薄層形成第一導是類型發射區，柵極氧化熱過程後形成柵極氧化層；然後向溝槽內填充多晶矽並進行多晶矽回刻形成溝槽柵極，接著去除步驟（2）中澱積的氧化層；

（4）在正面澱積一層隔離氧化層，通過光刻和刻蝕形成接觸孔，接觸孔的深度超過第一導電類型發射區的深度；接著以隔離氧化層為掩膜，通過離子注入和退火形成第二導電類型區，最後進行正面的金屬化，形成金屬電極。

進一步的，所述步驟（1）中第一導電類型基區中離子注入能量為50keV~200keV，注入劑量為1e12cm-2~1e14cm-2，退火溫度為1000℃~1200℃，退火時間為50分鐘~200分鐘；第二導電類型基區離子注入能量為30keV~100keV，注入劑量為1e14cm-2~1e16cm-2。

進一步的，所述步驟（2）中第一次刻蝕形成的溝槽深度為4~6um，溝槽底部進行第一導電類型離子注入能量為40keV~100keV，注入劑量為1e11cm-2~1e13cm-2；第一次柵極犧牲氧化溫度為950℃~1200℃，時間為10分鐘~100分鐘。

進一步的，所述步驟（3）中第二次溝槽刻蝕的深度為6~8um，溝槽寬度為0.5~2um，溝槽的間距為1~3um；溝槽底部進行第二導電類型離子注入能量為30keV~100keV，注入劑量為1e12cm-2~1e14cm-2；第二次柵極犧牲氧化溫度為950℃~1200℃，時間為10分鐘~100分鐘；柵極氧化溫度為1000℃~1200℃，時間為30分鐘~100分鐘）。

進一步的，所述步驟（4）中接觸孔的深度為0.5~3um，接觸孔的寬度為0.5~1.5um；離子注入能量為20keV~100keV，注入劑量為1e14cm-2~1e16cm-2；退火溫度為800℃~1000℃，時間為10分鐘~60分鐘。

進一步的，所述第一導電類型基區為區熔單晶矽片。

本發明具有以下優點：

（1）利用溝槽刻蝕的掩膜和兩次溝槽刻蝕形成的深度，對溝槽底部進行離子注入形成，不需要額外的掩膜板和高能量的離子注入，節省了成本；

（2）利用柵極犧牲氧化和柵極氧化的熱過程，分別形成了N+發射區，N+懸浮層和P+懸浮環，不需要增加額外的熱過程，進一步節省了成本；

（3）通過所述低成本方法形成的N+懸浮層可以達到降低器件導通損耗的目的，通過所述低成本方法形成的P+懸浮環可降低溝槽底部的電場峰值，提高器件的可靠性。

附圖說明

圖1為在N基區正面形成P基區和N+薄層的示意圖。

圖2為得到溝槽的示意圖。

圖3為在溝槽底部形成N+懸浮環的示意圖。

圖4為對溝槽繼續進行刻蝕的示意圖。

圖5為得到溝槽結構的示意圖。

圖6為形成接觸孔的示意圖。

圖7為本發明所述IGBT正面結構的示意圖。

附圖標記說明：N基區1、N+發射區2、P基區3、溝槽柵極4、柵極氧化層5、隔離氧化層6、接觸孔7、P+區8、金屬電極9、N+懸浮層10、P+懸浮環11、N+薄層12、氧化層13、N+懸浮環14。

具體實施方式

下面結合具體附圖對本發明作進一步說明。

如圖7所示，本發明所述IGBT正面結構包括N基區1，N基區1的正面設置P基區3，P基區3的表面設置金屬電極9，在P基區3設置溝槽結構，溝槽結構包括設置在溝槽內壁的柵極氧化層5和填充在溝槽中的溝槽柵極4；所述溝槽結構的上端延伸至金屬電極9中，溝槽結構與金屬電極9之間設置隔離氧化層6進行隔離，溝槽結構的下端延伸至N基區1中，溝槽結構的上端兩側設置N+發射區2，溝槽結構之間形成金屬電極9與P基區3的接觸孔7，在接觸孔7底部設置P+區8；在所述N基區1中設置N+懸浮層10和P+懸浮環11，N+懸浮層10位於溝槽結構的底部以上，P+懸浮環11位於溝槽結構的底部，P+懸浮環11之間形成間距，該間距受溝槽結構的間距、P+懸浮環的注入能量以及柵極犧牲氧化和柵極氧化的溫度和時間控制；所述N+懸浮層10的形成受溝槽結構的間距、N+懸浮層10的注入能量以及柵極犧牲氧化和柵極氧化的溫度和時間控制。

本發明所述IGBT正面結構的製備方法，適用於背面為穿通（PT）型、非穿通（NPT）型或者場截止（FS）型的IGBT器件。本實施例中N基區1為區熔單晶矽片。具體包括以下步驟：

（1）如圖1所示，在N基區1上通過離子注入（注入離子為硼，注入能量50keV~200keV，注入劑量1e12cm-2~1e14cm-2）和退火（退火溫度1000℃~1200℃，退火時間50分鐘~200分鐘）形成P基區3，然後通過離子注入（注入離子為砷，注入能量為30keV~100keV，注入劑量1e14cm-2~1e16cm-2）形成N+薄層12；

（2）如圖2所示，接著在N+薄層12的表面澱積一層氧化層13，通過光刻和第一次刻蝕形成溝槽（溝槽深度為4~6um），以氧化層13為掩膜對溝槽底部進行N+離子注入（注入離子為磷，注入能量為40keV~100keV，注入劑量1e11cm-2~1e13cm-2）；注入後進行第一次柵極犧牲氧化（溫度950℃~1200℃，時間10分鐘~100分鐘），通過第一次柵極犧牲氧化的熱過程，在溝槽底部形成N+懸浮環14，然後將犧牲氧化層刻蝕掉，如圖3所示；

（3）接下來以步驟（2）中澱積的氧化層13為掩膜進行第二次溝槽刻蝕（刻蝕後的溝槽深度為6~8um，溝槽寬度為0.5~2um，溝槽的間距為1~3um），刻蝕的深度需超過N+懸浮環14的底部，然後再以步驟（2）中澱積的氧化層13為掩膜對溝槽底部進行P+離子注入（注入離子為硼，注入能量30keV~100keV，注入劑量1e12cm-2~1e14cm-2），如圖4所示；接著進行第二次柵極犧牲氧化（溫度950℃~1200℃，時間10分鐘~100分鐘）和柵極氧化（溫度1000℃~1200℃，時間30分鐘~100分鐘），通過這兩步熱過程，在溝槽底部形成P+懸浮環11，同時N+懸浮環14連接形成N+懸浮層10；通過步驟（2）和（3）中柵極犧牲氧化和柵極氧化的熱過程，N+薄層12形成N+發射區2，柵極氧化熱過程後形成柵極氧化層5；然後向溝槽內填充多晶矽並進行多晶矽回刻形成溝槽柵極4，接著去除步驟（2）中澱積的氧化層13，如圖5所示；

（4）在正面澱積一層隔離氧化層6，通過光刻和刻蝕形成接觸孔7（刻蝕後的接觸孔7的深度為0.5~3um，接觸孔7的寬度為0.5~1.5um），接觸孔7的深度需超過N+發射區2的深度，如圖6所示；接著以隔離氧化層6為掩膜，通過離子注入（注入離子為硼，注入能量20keV~100keV，注入劑量1e14cm-2~1e16cm-2）和退火（溫度800℃~1000℃，時間10分鐘~60分鐘）形成P+區8，最後採用Al進行正面的金屬化，形成金屬電極9，如圖7所示。