一種溝道型絕緣柵雙極型電晶體及其製造方法
2023-05-08 04:48:11 1
一種溝道型絕緣柵雙極型電晶體及其製造方法
【專利摘要】本發明提供了一種溝道型絕緣柵雙極型電晶體（Trench?IGBT）和製作該Trench?IGBT的方法，該Trench?IGBT中採用了肖特基接觸結構，降低了自身的導通壓降。本發明提供的Trench?IGBT為：Trench?IGBT包括柵氧化層、Pbody耐壓區、N型低摻雜襯底基區、金屬化陰極和肖特基接觸層；所述肖特基接觸層位於柵氧化層和Pbody耐壓區之間，並且與N型低摻雜襯底基區和金屬化陰極接觸。製作該Trench?IGBT的方法包括：在N型低摻雜襯底基區上形成Pbody耐壓區和柵氧化層後，在柵氧化層和Pbody耐壓區之間的N型低摻雜襯底基區上形成肖特基接觸層；在肖特基接觸層上形成金屬化陰極。
【專利說明】一種溝道型絕緣柵雙極型電晶體及其製造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及電子【技術領域】，尤其涉及一種溝道型絕緣柵雙極型電晶體及其製造方法。
【背景技術】
[0002]Trench IGBT (Trench Insulated Gate Bipolar Transistor,溝道型絕緣柵雙極型電晶體)的出現，與普通IGBT相比可靠性增強，減小寄生晶閘管效應。積累層控制的溝道型IGBT具有相比於常規IGBT具有更大的優勢，其結構如圖1所示，其中包括金屬化陽極IUP型重摻雜區陽極12、N型輕摻雜襯底基區13、柵氧化層14、柵電極15、金屬化陰極16、N型重摻雜區17、Pbody耐壓區18。
[0003]現有Trench IGBT通過正面P型重摻雜與N型輕摻雜結的內建電場形成的電子勢壘來控制器件的阻斷，通過外加柵壓形成積累層溝道來控制器件的正常工作，極大地減小了傳統絕緣柵雙極型電晶體結構中的寄生晶閘管效應，器件的安全工作區、可靠性和高溫工作特性都得到大幅度的提升，與普通的IGBT相比可獲得更低的導通壓降，更大的飽和電流密度。同時，由於積累層的作用，使得發射極電子的注入效率大大增強，優化了 N型輕摻雜基區中的載流子濃度分布，可實現導通壓降和關斷損耗之間更好的折衷。
[0004]雖然積累層溝道的存在降低了積累層溝道型IGBT的導通壓降，但無法使積累層溝道型IGBT的導通壓降降的更低。
【發明內容】
[0005]本發明提供了一種溝道型絕緣柵雙極型電晶體及其製造方法，該溝道型絕緣柵雙極型電晶體相對於現有的溝道型絕緣柵雙極型電晶體，導通壓降有所降低。
[0006]本發明提供的一種道型絕緣柵雙極型電晶體Trench IGBT，所述Trench IGBT包括柵氧化層、Pbody耐壓區、N型低摻雜襯底基區、金屬化陰極和肖特基接觸層；
[0007]所述肖特基接觸層與柵氧化層、Pbody耐壓區、N型低摻雜襯底基區和金屬化陰極接觸。
[0008]所述Pbody耐壓區和金屬化陰極之間不包括N型重摻雜區。
[0009]所述柵氧化層和Pbody耐壓區不接觸，柵氧化層和Pbody耐壓區之間的溝道區填有N型低摻雜襯底基區。
[0010]所述肖特基接觸層位於所述溝道區中。
[0011]本發明還提供了製造上述溝道型絕緣柵雙極型電晶體Trench IGBT的方法，該方法包括:
[0012]在N型低摻雜襯底基區上形成Pbody耐壓區和柵氧化層後，在柵氧化層和Pbody耐壓區之間的N型低摻雜襯底基區上形成肖特基接觸層，所述肖特基接觸層與柵氧化層和Pbody耐壓區接觸；
[0013]在肖特基接觸層上形成金屬化陰極。[0014]所述方法還包括:
[0015]在肖特基接觸層上形成金屬化陰極的同時在柵氧化層和Pbody耐壓區形成金屬化陰極。
[0016]所述在N型低摻雜襯底基區上形成Pbody耐壓區和柵氧化層包括:
[0017]在N型低摻雜襯底基區上挖取槽型結構；
[0018]將Pbody耐壓區和柵氧化層分別形成於N型低摻雜襯底基區上的至少兩個不連通的槽中。
[0019]所述形成肖特基接觸層的方法為在Pbody耐壓區和柵氧化層之間的N型低摻雜襯底上形成肖特基孔。
[0020]本發明實施例提供的Trench IGBT，有肖特基接觸層，所述肖特基接觸層與柵氧化層和Pbody耐壓區接觸，且與N型低摻雜區和金屬化陰極接觸。肖特基勢壘的引入，大幅度的降低了器件導通壓降，並且由於肖特基接觸層取代了之前與N型低摻雜區和金屬化陰極接觸的N型重摻雜區，給Trench IGBT提供電壓時，降低了該區域的電子濃度，使得器件的飽和電流密度有所降低，短路安全工作區的性能得到顯著提高。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1為現有Trench IGBT結構示意圖；
[0022]圖2為本發明Trench IGBT實施例結構示意圖；
[0023]圖3為本發明製作Trench IGBT的方法實施例流程圖；
[0024]圖4為本發明製作Trench IGBT形成溝道的實施例流程圖；
[0025]圖5為本發明製作Trench IGBT的具體方法實施例流程圖。
【具體實施方式】
[0026]本發明提供的Trench IGBT與現有Trench IGBT相比，導通壓降有了較大幅度的降低。
[0027]下面結合附圖，對本發明實施例中的Trench IGBT結構進行說明。如圖2所示，本實施例中的Trench IGBT包括:金屬化陽極21、P型重摻雜區22、N型低摻雜襯底基區23、柵氧化層24、柵電極25、金屬化陰極26、陰極金屬肖特基接觸層27以及Pbody耐壓區28。
[0028]其中，P型重摻雜區22與金屬化陽極21接觸，N型低摻雜襯底基區23與P型重摻雜區22接觸，柵氧化層24與N型低摻雜襯底基區23接觸，柵電極25與柵氧化層24接觸，Pbody耐壓區28與N型低摻雜襯底基區23接觸，肖特基接觸層27與柵氧化層24和Pbody耐壓區28接觸，與N型低摻雜襯底基區23和金屬化陰極26也接觸。
[0029]柵氧化層24的材質可以為二氧化矽，柵電極25的材質為多晶矽。N型低摻雜襯底基區23和P型重摻雜區22以及Pbody耐壓區28的材質應為半導體，可以為矽，也可以用碳化矽、砷化鎵、磷化銦或者鍺化矽等半導體代替。
[0030]如圖2所示的Trench IGBT,從下往上依次為金屬化陽極21、P型重摻雜區22、N型低摻雜襯底基區23。在N型低摻雜襯底基區23上方還有柵氧化層24和Pbody耐壓區28，而柵氧化層24包裹柵電極25。柵氧化層24和Pbody耐壓區28之間呈溝道狀，溝道中填有N型低摻雜襯底。[0031]本實施例中的金屬化陽極21、P型重摻雜區22和N型低摻雜襯底基區23之間採用平面接觸，而Pbody耐壓區28和柵氧化層24之間形成溝道。
[0032]當本實施例中的Trench IGBT工作時，與金屬化陰極和N型低摻雜襯底基區之間是N型重摻雜區的其他Trench IGBT中相比，原位於金屬化陰極26和N型低摻雜襯底基區23之間的N型重摻雜區被肖特基接觸所代替。
[0033]金屬化陰極和N型低摻雜襯底基區之間是N型重摻雜區的其他Trench IGBT工作時的導通壓降由幾個部分組成，其中有兩個部分是最重要的，一是N型低摻雜襯底基區的壓降部分，二是溝道的壓降部分。本實施例中的Trench IGBT，用肖特基接觸取代了 N型重摻雜區，也就是這個從下到上的類似二極體的結構的導通壓降，只是PN結的導通壓降變成了肖特基導通壓降，而肖特基接觸導通壓降比普通PN結導通壓降低至少0.2伏以上，故導通壓降整體下降，N型低摻雜襯底區域的壓降部分二者是相同的，所以總體下降。並且，由於Pbody耐壓區未和溝道接觸，低耐壓工作時溝道濃度比Pbody和溝道接觸時的濃度要高，因此降低了溝道的壓降。綜上所述，本實施例中的Trench IGBT的導通壓降比其他的TrenchIGBT的導通壓降有所降低，適合需要更低導通壓降的情形。
[0034]並且，本實施例中的Trench IGBT由於使用了肖特基接觸使得自身的導通壓降有所降低，因此在金屬化陰極和N型低摻雜襯底基區之間是N型重摻雜區的其他Trench IGBT中，原本採用的降低柵氧化層厚度以降低Trench IGBT導通壓降的手段可以被取代。所以，本實施例中使用了肖特基接觸的Trench IGBT的柵氧化層的厚度可以增加。而由於本實施例中的柵氧化層的厚度有所增加，使得在柵電壓開啟後，柵氧化層正下方的半導體表面的電子積累更多，提高了 Trench IGBT中的電流密度。而本實施例中的Pbody區實際為P型重摻雜區，該區可使得Trench IGBT中Pbody區和柵氧化層之間的區域在很小的反向電壓下就可關斷。
[0035]為了使得Trench IGBT的可靠性更高,本實施例中Trench IGBT的Pbody耐壓區和金屬化陰極之間不包括N型重摻雜區。去掉了 Pbody耐壓區和金屬化陰極之間的N型重摻雜區後，可加強Pbody區對反向電壓的承受能力，因為原Pbody區需要自身的部分損耗以平衡N型重摻雜區中的電子,而取消了 N型重摻雜區後,Pbody區可完全用於承受反向電壓，因此對方向電壓的承受能力更大。並且N型重摻雜區的去除，還消除了有N型重摻雜區的Trench IGBT的寄生晶閘管效應，以使得本實施例中的Trench IGBT更可靠。
[0036]較優地，柵氧化層和Pbody耐壓區不接觸，柵氧化層和Pbody耐壓區之間的溝道區填有N型低摻雜襯底基區。由於柵氧化層和Pbody耐壓區之間有溝道，Pbody區的耗盡層會向四周擴展，並且此耗盡層和柵氧化層會連接形成內建電勢場，在Trench IGBT未工作時，這個電勢場會夾斷溝道，防止陰極和陽極出現短路，並且當連接反向電壓時，反向電壓的增大會使得耗盡層向金屬化陽極擴展，以使得本實施例中的Trench IGBT能夠承受很大的反向電壓而不被擊穿，這樣的Trench IGBT也使得洩露電流非常小，反向的恢復時間也可短至幾十納秒。
[0037]當給金屬化陽極施加相對於金屬化陰極的正向電壓時，大量電子會在柵氧化層的表面聚集形成載流子，這樣原本被夾斷的溝道導通，原本的Pbody耐壓區中P型重摻雜形成的耗盡層變為了 N型區域，這樣整個Trench IGBT便導通了。
[0038]本實施例提供的Trench IGBT由於結合了肖特基勢壘結構和溝道結構，大幅度地降低了導通壓降，降低了導通損耗，同時也優化了器件的可靠性。
[0039]本發明還提供了上述實施例中的Trench IGBT的製造方法，下面結合附圖對本發明的方法實施例進行說明。
[0040]如圖3所示，本發明的Trench IGBT製作方法實施例包括:
[0041]步驟S301，在N型低摻雜襯底基區上形成Pbody耐壓區和柵氧化層。
[0042]步驟S302，在柵氧化層和Pbody耐壓區之間的N型低摻雜襯底基區上形成肖特基接觸層。肖特基接觸層與柵氧化層和Pbody耐壓區接觸。
[0043]步驟S303，在肖特基接觸層上形成金屬化陰極。
[0044]步驟S302中在柵氧化層和Pbody耐壓區之間的N型低摻雜襯底基區上形成肖特基接觸層，再在形成的肖特基接觸層上形成金屬化陰極，則肖特基接觸層會與柵氧化層和Pbody耐壓區接觸，與N型低摻雜襯底基區和金屬化陰極接觸。
[0045]在形成柵氧化層還可在柵氧化層上形成N型重摻雜區，這樣在形成金屬化陰極後，金屬化陰極與金屬化陰極之間則有一層N型重摻雜區。但是，沒有N型重摻雜區其實為Trench IGBT的一種較優實施方式，即在肖特基接觸層上形成金屬化陰極的同時在柵氧化層和Pbody耐壓區形成金屬化陰極。所以對於方法實施例來說，沒有形成N型重摻雜區的步驟的方法其實為一種較優地方法實施例，這樣Trench IGBT的製作步驟也有所簡化。其實，肖特基接觸層、Pbody耐壓區和柵氧化層上的金屬化陰極可以是同時形成，也可分別形成連接的三部分金屬化陰極。
[0046]使Trench IGBT中的Pbody耐壓區和柵氧化層之間形成溝道的步驟如圖4所示:
[0047]步驟S401，在N型低摻雜襯底基區上挖取槽型結構。
[0048]步驟S402，將Pbody耐壓區和柵氧化層分別形成於N型低摻雜襯底基去上的至少兩個不連通的槽中。
[0049]Pbody耐壓區和柵氧化層分別注入在N型低摻雜區上挖取的不同的槽中後，Pbody耐壓區和柵氧化層就形成了溝道。當溝道形成後，在Pbody耐壓區和柵氧化層之間的N型輕摻雜襯底基區上形成肖特基孔以形成肖特基接觸層。
[0050]由於本發明實施例提供的Trench IGBT是具有肖特基接觸層的，所以在形成了Pbody耐壓區和柵氧化層後，需要形成肖特基接觸層，然後再形成金屬化陰極。
[0051]下面結合圖5對本發明提供的方法實施例做具體說明。如圖5所示，該方法包括:
[0052]步驟S501，選取N型晶體矽作為襯底基區。
[0053]步驟S502，在襯底基區上挖取槽。
[0054]步驟S503，在槽中形成柵氧化層。本步驟可利用幹氧方法是柵氧化層生長。
[0055]步驟S504,在槽中形成Pbody區。形成Pbody區實際是形成P型重摻雜結構。Pbody區和柵氧化層分別形成於不同的槽中，不接觸，這樣Pbody區和柵氧化層之間才能形成溝道。
[0056]步驟S505，在形成的柵氧化層上形成柵電極。形成柵電極的方法為諸如柵多晶矽。為了使柵氧化層包裹柵電極，可在注入柵多晶矽後繼續澱積柵氧化層。
[0057]步驟S505必須在步驟S503之後，但步驟S504在步驟S503之前或者在步驟S505之後都可。
[0058]步驟S506,對Pbody區、N型輕摻雜區和柵氧化層的表面磨平,形成鈍化層。[0059]步驟S507，在鈍化層上將需要刻蝕肖特基接觸層的部分曝光後，形成肖特基接觸層。如果需要使得Trench IGBT的Pbody區與金屬化陰極之間還有N型重摻雜區，則需要在步驟S507後，再形成N型重摻雜區。
[0060]步驟S508，在Pbody區、肖特基接觸層、柵氧化層和N型重摻雜區(如果含有Pbody區與金屬化陰極之間的N型重摻雜區)上形成金屬化陰極層。
[0061]步驟S509，在N型低摻雜區未挖槽的部分表面形成P型重摻雜區。
[0062]步驟S510，在步驟S509中形成的P型重摻雜區上再形成金屬化陽極。
[0063]在上述製作的過程中，可對一些步驟中的方法進行變通。
[0064]上述的Trench IGBT的製作方法與普通的Trench IGBT製作方法的不同在於,在形成金屬化陰極前，會在原N型輕摻雜區與金屬化陰極之間的N型重摻雜區的位置上形成肖特基接觸層，以使得這樣製作出的Trench IGBT的導通壓降更低。並且，如果不再形成金屬化陰極和Pbody耐壓區之間的N型重摻雜區的話,還會更簡化本Trench IGBT的製作流程。
[0065]顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和範圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬於本發明權利要求及其等同技術的範圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。
【權利要求】
1.一種溝道型絕緣柵雙極型電晶體Trench IGBT，其特徵在於，所述Trench IGBT包括柵氧化層、Pbody耐壓區、N型低摻雜襯底基區、金屬化陰極和肖特基接觸層； 所述肖特基接觸層與柵氧化層、Pbody耐壓區、N型低摻雜襯底基區和金屬化陰極接觸。
2.根據權利要求1所述的TrenchIGBT,其特徵在於,所述Pbody耐壓區和金屬化陰極之間不包括N型重摻雜區。
3.根據權利要求1或2所述的TrenchIGBT,其特徵在於，所述柵氧化層和Pbody耐壓區不接觸，柵氧化層和Pbody耐壓區之間的溝道區填有N型低摻雜襯底基區。
4.根據權利要求3所述的TrenchIGBT，其特徵在於，所述肖特基接觸層位於所述溝道區中。
5.一種製造溝道型絕緣柵雙極型電晶體Trench IGBT的方法，其特徵在於，該方法包括: 在N型低摻雜襯底基區上形成Pbody耐壓區和柵氧化層後，在柵氧化層和Pbody耐壓區之間的N型低摻雜襯底基區上形成肖特基接觸層，所述肖特基接觸層與柵氧化層和Pbody耐壓區接觸； 在肖特基接觸層上形成金屬化陰極。
6.根據權利要求5所述的方法，其特徵在於，所述方法還包括: 在肖特基接觸層上形成金屬化陰極的同時在柵氧化層和Pbody耐壓區上形成金屬化陰極。
7.根據權利要求5或6所述的方法，其特徵在於，所述在N型低摻雜襯底基區上形成Pbody耐壓區和柵氧化層包括: 在N型低摻雜襯底基區上挖取槽型結構； 將Pbody耐壓區和柵氧化層分別形成於N型低摻雜襯底基區上的至少兩個不連通的槽中。
8.根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述形成肖特基接觸層的方法為在Pbody耐壓區和柵氧化層之間的N型低摻雜襯底上形成肖特基孔。
【文檔編號】H01L29/739GK103489903SQ201210191750
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2012年6月11日 優先權日:2012年6月11日
【發明者】方偉 申請人:北大方正集團有限公司, 深圳方正微電子有限公司