一種絕緣柵雙極電晶體的製作方法

2023-06-06 02:38:11

專利名稱：一種絕緣柵雙極電晶體的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於功率器件領域，具體涉及ー種絕緣柵雙極電晶體。
背景技術：
絕緣柵雙極電晶體IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)由單元胞並聯而成，同時具有單極性器件和雙極性器件的優點，驅動電路簡單，控制電路功耗和成本低，通態壓降低，器件自身損耗小，是未來高壓大電流的發展方向。如圖1，絕緣柵雙極電晶體IGBT包括元胞區、終端區和劃片槽。圖2為現有技術中絕緣柵雙極電晶體IGBT的剖面圖。元胞區在N-襯底上通過離子注入擴散形成P阱區，N阱區，發射極和N發射區、P+發射區相連，發射極的形狀及材料影響歐姆接觸電阻大小和散熱能力，設置不合理會影響器件的高溫特性，常用的解決方法是尋找合適的金屬材料，或 者提高半導體區的摻雜濃度，如現在通常會通過離子注入擴散形成高濃度的N+發射區，N+發射區還可以提高器件的電流導通能力，為了抑制絕緣柵雙極型電晶體IGBT閂鎖的發生，還會再注入高濃度的P+發射區，以降低P阱和N+發射區之間的壓降，元胞區N-襯底通過背面注入形成一層很薄的透明集電極區BackP+，起到電導調製作用，使IGBT飽和電壓呈正溫度係數，更適合併聯，透明集電極區相連的是集電極。終端區環繞在元胞周圍，提高元胞區表面區域的臨界擊穿電場。在元胞的製造エ藝過程中，擴散是在光刻掩膜開窗ロ後進行，p-n結中間近似於平面結，而在邊角處p-n結髮生彎曲，近似於柱面或球面，由於p-n結邊角的位置存在曲率，使表面處的電場比體內高，當臨界擊穿電場一定時，是最容易發生擊穿的位置；而且，平面エ藝使表面產生的缺陷和離子沾汙降低了表面區域的臨界擊穿電場。這樣，就必須設計一定的終端結構對表面電場進行優化，以達到提高表面擊穿電壓的目的。常用的終端結構有場板(FP)、場限環(FLR)、結終端延伸(JTE)、橫向變摻雜(VLD)、阻性場板(如摻氧多晶矽(SIPOS))等。這些延伸結構實際上起到將主結耗盡區向外展寬的作用，從而降低其內部電場強度最終提高擊穿電壓。多級場板除了具有提高擊穿電壓的能力外還具有終端面積小的優點。多級場板結構中的氧化層厚度對耐壓起主要作用，其中最厚的氧化層在腐蝕エ藝過程中不容易控制，如果厚度控制不當會影響器件耐壓。劃片槽會放ー些測試圖形，以便對晶片生產加工過程中的一些參數進行收集，測試。

實用新型內容為了克服上述現有技術的不足，本實用新型提供一種絕緣柵雙極型電晶體，多級場板中的氮氧化矽層有腐蝕阻擋層的作用，對腐蝕エ藝精度要求低，氮氧化矽層緻密性好，有較強的阻止外部雜質離子侵入的能力，提高絕緣柵雙極電晶體的穩定性和可靠性，並且含有氮氧化矽層的多級場板能夠節省器件面積。[0009]為了實現上述目的，本實用新型採用以下技術方案ー種絕緣柵雙極電晶體，所述電晶體包括單個元胞並聯而成的元胞區、終端區和劃片槽；所述元胞區包括多晶矽柵電極、金屬發射極、與所述發射極連接的N+發射區和P+發射區、N阱區、P阱區、N-襯底、透明集電極區和集電極；所述終端區包括多級場板、N-襯底、透明集電極區和集電極；所述透明集電極區位於所述N-襯底和集電極的中間，所述多級場板位於N-襯底的上部。所述金屬發射極為挖槽式結構，並在挖槽後側向腐蝕氧化層。挖槽式是在隔離氧化層ILD(Isolate Oxide)開的窗ロ處向下刻蝕形成ー個深度為O. 2 O. 5um、下底邊長為
4.8um、上底邊長為5um的梯形體凹槽，並在挖槽後側向腐蝕氧化層，再在凹槽處填充金屬形成金屬發射極，這樣可以增大金屬和N+及P+的接觸面積，降低接觸電阻，同時也可以增
大散熱面積，使器件的散熱更均勻，高溫特性更好。所述N+發射區和所述P+發射區分別位於所述N-襯底內的N阱區和P阱區內。所述多級場板包括金屬發射極、多晶矽柵電極和氧化層；所述氧化層為階梯結構。所述氧化層包括厚度為O. I O. 2um的柵氧化層、厚度為I 2um的場氧化層；厚度為2 4um的由場氧化層和隔離氧化層以下至上依次疊加構成的ニ元複合層和厚度為5 IOum的由場氧化層、隔離氧化層、氮氧化矽氧化層和ニ氧化矽氧化層以下至上依次疊加構成的四元複合層。所述ニ元複合層的場氧化層厚度為I 2um，隔離氧化層厚度為I 2um ;所述四元複合層的場氧化層厚度為I 2um，隔離氧化層厚度為I 2um，氮氧化矽氧化層的厚度為O. I O. 6um, ニ氧化娃氧化層的厚度為3 6um。所述元胞採用Spacer結構,所述Spacer結構是指所述P講區和N講區形成之後在整個晶片上澱積ー層氧化膜，然後溼法腐蝕氧化膜，由於溼法腐蝕具有各向異性，氧化膜在邊角處和平整處的腐蝕速率不一樣，導致邊角處會留下氧化層的掩蔽層。所述N+發射區和P+發射區以Spacer結構作為注入掩蔽層形成。與現有技術相比，本發明的有益效果在於該器件的可靠性高，穩定性強，成本低；多級場板中的氮氧化矽層有腐蝕阻擋層的作用，對腐蝕エ藝精度要求低；並且氮氧化矽層緻密性好，有較強的阻止外部雜質離子侵入的能力，提高電晶體的穩定性和可靠性；含有氮氧化矽層的多級場板能夠節省器件面積；發射極採用挖槽式，並在挖槽後側向腐蝕氧化層可以在降低歐姆接觸電阻的同時增大金屬接觸面積，使散熱更均勻，器件的高溫特性更好。

圖I是現有技術中絕緣柵雙極電晶體IGBT的結構圖；圖2是現有技術中絕緣柵雙極電晶體IGBT的剖面圖；圖3是本實用新型實施例的剖面圖；圖4是未經側向腐蝕的電極示意圖；圖5是經側向腐蝕的電極示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型的實施例做進ー步補充說明。[0025]如圖3所示,一種絕緣柵雙極型電晶體,所述電晶體包括單個元胞並聯而成的元胞區、終端區和劃片槽；所述元胞區包括多晶矽柵電極G(Gate)、金屬發射極E(Emitter)、與所述發射極E (Emitter)連接的N+發射區和P+發射區、N阱區、P阱區、N-襯底、透明集電極區BackP+和集電極C(Collector);所述終端區包括多級場板、N-襯底、透明集電極區BackP+和集電極C(Collector);所述透明集電極區BackP+位於所述N-襯底和集電極C(Collector)的中間，所述多級場板位於N-襯底的上部。元胞區由很多元胞並聯而成，共同分擔這個晶片的電流，各元胞在表面有基本相同的電位。所述金屬發射極E(Emitter)為挖槽式結構，並在挖槽後側向腐蝕氧化層。所述發射極為挖槽式結構。挖槽式是在隔離氧化層ILD(Isolate Oxide)開的窗ロ處向下刻蝕形成ー個深度為O. 2 O. 5um、下底邊長為4. 8um、上底邊長為5um的梯形體凹槽，並在挖槽後側向腐蝕氧化層，再在凹槽處填充金屬形成金屬發射極，這樣可以增大金屬和N+及P+的接 觸面積，降低接觸電阻，同時也可以增大散熱面積，使器件的散熱更均勻，高溫特性更好。所述N+發射區和所述P+發射區分別位於所述N-襯底內的N阱區和P阱區內。所述多級場板包括金屬發射極、多晶矽柵電極G(Gate)和氧化層；所述氧化層為階梯結構。所述氧化層包括厚度為O. I O. 2um的柵氧化層GOX(Gate Oxide)、厚度為I 2um的場氧化層FOX (Field Oxide);厚度為2 4um的由場氧化層FOX (Field Oxide)和隔離氧化層ILD(Isolate Oxide)以下至上依次疊加構成的ニ元複合層和厚度為5 IOum的由場氧化層FOX (Field Oxide)、_離氧化層ILD (Isolate Oxide)、氮氧化娃氧化層和ニ氧化矽氧化層以下至上依次疊加構成的四元複合層。所述ニ元複合層的場氧化層F0X(Field Oxide)厚度為I 2um，隔離氧化層ILD(IsolateOxide)厚度為I 2um ;所述四元複合層的場氧化層FOX (Field Oxide)厚度為I 2um,隔離氧化層ILD(Isolate Oxide)厚度為I 2um,氮氧化娃氧化層的厚度為
O.I O. 6um, ニ氧化娃氧化層的厚度為3 6um。所述元胞採用Spacer結構,所述Spacer結構是指所述P講區和N講區形成之後在整個晶片上澱積ー層氧化膜，然後溼法腐蝕氧化膜，由於溼法腐蝕具有各向異性，氧化膜在邊角處和平整處的腐蝕速率不一樣，導致邊角處會留下氧化層的掩蔽層。所述元胞採用Spacer結構，利用一套光刻版注入P和N型區，可以避免套刻誤差，確保元胞溝道的一致性，改善動態特性；同時可以省一道光刻板，減少エ藝步驟，節約成本。所述N+發射區和P+發射區以Spacer結構作為注入掩蔽層形成。所述P阱區和N阱區是同一個注入窗ロ，先注硼元素Be形成P阱區再注磷元素P形成N阱區。本申請金屬發射極採用挖槽式，並在挖槽後側向腐蝕氧化層使電極充分接觸高濃度的N+發射區和P+發射區，可以在降低歐姆接觸電阻的同時增大金屬接觸面積，使散熱更均勻，器件的高溫特性更好，未側向腐蝕的槽式電極見圖4，側向腐蝕的槽式電極見圖5。為了抑制絕緣柵雙極型電晶體IGBT閂鎖的發生，還會再注入高濃度的P+區，元胞區N-襯底通過背面注入形成一層很薄的透明集電極區BackP+，起到電導調製作用，使絕緣柵雙極電晶體IGBT飽和電壓呈正溫度係數，更適合併聯，透明集電極區BackP+相連的是集電極C(Collector)。
權利要求1.ー種絕緣柵雙極電晶體，所述電晶體包括元胞區、終端區和劃片槽；其特徵在於所述元胞區包括多晶矽柵電極、金屬發射極、與所述發射極連接的N+發射區和P+發射區、N阱區、P阱區、N-襯底、透明集電極區和集電極；所述終端區包括多級場板、N-襯底、透明集電極區和集電極；所述透明集電極區位於所述N-襯底和集電極的中間，所述多級場板位於N-襯底的上部。
2.根據權利要求I所述的ー種絕緣柵雙極電晶體，其特徵在於所述發射極為挖槽式結構，並在挖槽後側向腐蝕氧化層。
3.根據權利要求I所述的ー種絕緣柵雙極電晶體，其特徵在於所述N+發射區和所述P+發射區分別位於所述N-襯底內的N阱區和P阱區內。
4.根據權利要求I所述的ー種絕緣柵雙極電晶體，其特徵在於所述多級場板包括金屬發射極、多晶矽柵電極和氧化層。
5.根據權利要求4所述的ー種絕緣柵雙極電晶體，其特徵在於所述氧化層為階梯結構。
6.根據權利要求4或5所述的ー種絕緣柵雙極型電晶體，其特徵在於所述氧化層包括厚度為O. I O. 2um的柵氧化層、厚度為I 2um的場氧化層；厚度為2 4um的由場氧化層和隔離氧化層以下至上依次疊加構成的ニ元複合層和厚度為5 IOum的由場氧化層、隔離氧化層、氮氧化矽氧化層和ニ氧化矽氧化層以下至上依次疊加構成的四元複合層。
7.根據權利要求6所述的ー種絕緣柵雙極電晶體，其特徵在於所述ニ元複合層的場氧化層厚度為I 2um，隔離氧化層厚度為I 2um ;所述四元複合層的場氧化層厚度為I 2um,隔離氧化層厚度為I 2um，氮氧化矽氧化層的厚度為O. I O. 6um, ニ氧化矽氧化層的厚度為3 6um。
8.根據權利要求I所述的ー種絕緣柵雙極電晶體，其特徵在於所述元胞採用Spacer結構。
9.根據權利要求I所述的ー種絕緣柵雙極電晶體，其特徵在於所述N+發射區和P+發射區以Spacer結構作為注入掩蔽層形成。
專利摘要本實用新型提供一種絕緣柵雙極電晶體，電晶體包括元胞區、終端區和劃片槽；所述元胞區包括多晶矽柵電極、發射極、與所述發射極連接的N+發射區和P+發射區、N阱區、P阱區、N-襯底、透明集電極區和集電極。本實用新型多級場板中的氮氧化矽層有腐蝕阻擋層的作用，對工藝精度要求低；並且氮氧化矽層緻密性好，提高電晶體的穩定性和可靠性。發射極採用挖槽式，並在挖槽後側向腐蝕氧化層可以在降低歐姆接觸電阻的同時增大金屬接觸面積，使散熱更均勻，器件的高溫特性更好。所述元胞採用Spacer結構，利用一套光刻版注入P和N型區，可以避免套刻誤差，確保元胞溝道的一致性，改善動態特性；同時可以省一道光刻板，減少工藝步驟，節約成本。
文檔編號H01L29/739GK202633315SQ20122015178
公開日2012年12月26日 申請日期2012年4月11日 優先權日2012年4月11日
發明者高明超, 於坤山, 金銳, 溫家良, 袁玉湘, 劉江, 劉鉞楊, 趙哿, 韓榮剛, 楊霏, 張衝 申請人:中國電力科學研究院